Методы получения кремния

1 Введение

 

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода).

Внешний электронный слой у кремния находится дальше от ядра, чем у углерода, сила притяжения валентных электронов к нему меньше, поэтому свойства кремния ближе к металлическим. Кристаллический кремний обладает металлическим блеском, является полупроводником. Последнее его свойство объясняется малой прочностью ковалентных связей, существующих между атомами кремния. Они начинают разрушаться уже при комнатной температуре. При дальнейшем ее повышении высвобождается большое количество свободных электронов. Полагают, что при абсолютном нуле идеально чистый и правильный кремний должен быть идеальным электроизолятором. Но идеальная чистота и абсолютный нуль недостижимы, поэтому мы обладаем хорошим полупроводником.

Рисунок 1 - Электронное строение атома углерода и его внешнего электронного слоя с валентностью равной: а) двум; б) четырем.

Название этого элемента произошло от латинского «ляпис креманс», что значит - камень, дающий огонь.

 

Рисунок  2 - Камень на основе кремния.

«Камень, дающий огонь», или кремень, как обычно называют его, - одно из многочисленных соединений кремния, часто входящее в состав большинства горных пород. Это песок морских берегов, рек, бескрайних пустынь, мощные отложения глин, песчаники и сланцы, граниты и гнейсы, горные хребты и земная кора на глубину до 20 км состоят, главным образом, из соединений кремния. На долю кремния приходится около 17 % от общего числа атомов земной коры, или 30% от ее веса. И не случайно академик А. Е. Ферсман назвал кремний основой земной коры.

Самым распространенным в природе соединением кремния является кварц. Чистая и прозрачная разновидность кварца, называемая горным хрусталем, была известна уже древним грекам. Они считали горный хрусталь льдом, так сильно замерзшим, что он навсегда утратил способность таять. Греки называли горный хрусталь кристаллом – «кристаллос», что значило лед. Впоследствии это слово вошло в минералогию и, получив широкое распространение, стало употребляться для обозначения твердых тел, имеющих форму правильных многогранников.

Кроме горного хрусталя, кристаллы которого достигают иной раз огромной величины (нескольких метров), кварц встречается в природе в виде окрашенных соединений. Среди них чистые и прозрачные разновидности, окрашенные в фиолетовый (аметисты) и в лимонно-желтый цвет (цитрины) относятся к числу драгоценных и полудрагоценных самоцветов. Общее число разновидностей кварца достигает двухсот, количество природных соединений, содержащих кварц, измеряется многими сотнями.

Сейчас невозможно точно сказать, кто и когда изобрел стекло, так же как невозможно указать, кто и когда впервые обжег горшок, слепленный из глины. Известно лишь, что стекло является одним из древнейших изобретений человечества. Так, ожерелье, найденное на шее мумии египетской царицы Хатшепсут, состоящее из зеленовато-черных стеклянных бусин, насчитывает 3400 лет. Еще старше возраст стеклянной бусины из могилы города Фив, насчитывающей 5500 лет.

 

 

Рисунок 3 - Стеклянные украшения.

В наши дни все более необходим, становится чистый кремний, как полупроводник. Так называемые «девять девяток чистоты» - 99,9999999% чистого кремния – первое требование к полупроводнику. Ни один из современных компьютеров не существовал бы без кремния. Тоже можно сказать и о ряде других технических средств. Велико значение различных веществ, основой которых являются соединения кремния. Это бетон, керамика, стекло.

 

2 Этапы производства и очистки кремния

 

 Технология получения  монокристаллов полупроводникового  кремния состоит из следующих  этапов:

-получение технического (металлургического) кремния;

-превращение кремния  в легколетучее соединение, которое  после очистки может быть легко  восстановлено;

-очистка и восстановление  соединения, получение кремния в  виде поликристаллических стержней;

-конечная очистка кремния  методом кристаллизации;

-выращивание легированных  кристаллов монокремния (монокристаллический кремний);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Получение технического кремния

 

Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого техническим (металлургическим) кремнием. Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом.

  

Рисунок 4 - Схема дуговой печи.

Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура реакции Т = 1800°С, энергоемкость W = 13 кВт/час.

В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде:

                              (1)

 Получаемый таким образом  технический кремний содержит 98 —99 % Si,   1 —2 % Fe, Аu, В, Р, Са, Cr, Cu, Mg, Mn, Ni, Ti, V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Получения трихлорсилана – ТХС

 

Современная технология поликристаллического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана. Большую часть кремния равную около 80% получают путем водородного восстановления трихлорсилана.

 Достоинства этого  процесса — легкость и экономичность  получения ТХС, эффективность очистки  ТХС, высокое извлечение и большая  скорость осаждения кремния (извлечение  кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15 %, а при использовании ТХС — не менее 30 %), меньшая себестоимость продукции.

Трихлорсилан обычно получают путем гидрохлорирования кремния: взаимодействием технического кремния с  хлористым водородом или со смесью газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260-400°С.

Процесс синтеза трихлорсилана сопровождается побочными реакциями образования тетрахлорида кремния и других хлорсиланов, а также галогенидов металлов, например , , и т.д. Реакции получения хлорсиланов кремния являются обратимыми и экзотермическими:

                                                                (2)

                                                                 (3)

 При температуре выше 300°С ТХС в продуктах реакций почти полностью отсутствует. Для повышения выхода ТХС температуру процесса снижают, что приводит к значительному замедлению скорости реакции (3).  Для увеличения скорости реакции (2) используют катализаторы медь, железо, алюминий и др.. Так, например, при введении в исходный кремний до 5 % меди содержание ТХС в смеси продуктов реакции при температуре 265°С доходит до 95 %.

Синтез ТХС ведут в реакторе «кипящего» слоя, в который сверху непрерывно подают порошок технического кремния с размером частиц 0,01 — 1 мм. Псевдоожиженный слой частиц толщиной 200 — 600 мм создают встречным потоком хлористого водорода, который поступает в нижнюю часть реактора со скоростью 1 — 8 см/с. Этим самым обеспечивается перевод гетерогенного химико-технологического процесса из диффузионной в кинетическую область.

Так как процесс  является экзотермическим, то для стабилизации режима в заданном интервале температур осуществляют интенсивный отвод теплоты и тщательный контроль температуры на разных уровнях псевдоожиженного слоя.  Кроме температуры контролируют расход хлористого водорода и давление в реакторе.  Значительное влияние на выход ТХС оказывает присутствие примесей воды и кислорода в исходных компонентах. Эти примеси, окисляя порошок кремния, приводят к образованию на его поверхности плотных слоев , препятствующих взаимодействию кремния с хлористым водородом и соответственно снижающих выход ТХС. Так, например, при увеличении содержания в НСl с 0,3% до 0,4% выход ТХС уменьшается с 90 до 65 %.  В связи с этим хлористый водород, а также порошок кремния перед синтезом ТХС проходят тщательную осушку и очистку от кислорода.  Образующаяся в процессе синтеза ТХС парогазовая смесь поступает в зону охлаждения, где ее быстро охлаждают до 40 - 130°С, в результате чего выделяются в виде пыли твердые частицы примеси хлориды железа, алюминия и другие, которые вместе с частицами не прореагировавшего кремния и полихлоридов затем отделяются с помощью фильтров.

 После очистки от пыли, являющейся взрывоопасным продуктом, парогазовая смесь поступает на конденсацию при температуре -70°С. Происходит отделение  и  температуры кипения 31,8 и 57,2°С соответственно от водорода и НСl температура кипения 84°С. Полученная в результате конденсации смесь состоит в основном из ТХС до 90— 95 %, остальное — тетрахлорид кремния, который отделяют затем ректификацией.

 Выделяемый в результате  разделения тетрахлорид кремния в дальнейшем используют для производства силиконов, кварцевого стекла, а также для получения трихлорсилана путем дополнительного гидрирования в присутствии катализатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Очистка трихлорсилана

 

Получаемый ТХС содержит большое количество примесей, очистка от которых представляет сложную задачу. Наиболее эффективным методом очистки является ректификация, однако осуществить полную и глубокую очистку от примесей, имеющих различную физико-химическую природу, применяя только ректификацию, сложно. В связи с этим для увеличения глубины очистки по ряду примесей применяются дополнительные меры.

Так, например, для примесей, трудно очищаемых кристаллизационными методами - бор, фосфор, углерод, необходима наиболее глубокая очистка ТХС. Поэтому для повышения эффективности очистки эти микропримеси переводят в нелетучие или комплексные соединения.

Для очистки от бора, например, пары ТХС пропускают через алюминиевую стружку при 120°С. Поверхность стружки, поглощая бор, приводит к почти полной очистке от него ТХС.

Побочно образующийся хлорид алюминия далее возгоняют при температуре 220—250°С, а затем отделяют фракционной конденсацией. Кроме алюминия могут быть использованы: серебро, медь или сурьма. Добавка меди к алюминию позволяет одновременно очищать ТХС от мышьяка и сурьмы.

Повысить эффективность очистки от бора позволяет также введение в ТХС пента- или оксихлоридев фосфора. При этом образуются нелетучие комплексные соединения фосфора с бором состава         или , которые затем отделяют ректификацией.

Перевод бора в нелетучие соединения может быть также осуществлен путем добавления в ТХС трифенилхлорметана (или триметиламина, ацетонитрила, аминокислоты, кетона и т. д.), приводящего к образованию с бором комплекса типа , который затем удаляют ректификацией. Очистку от борсодержащих примесей осуществляют также адсорбцией в реакторах, заполненных алюмогелем или другими гелями (, , ) с последующей ректификацией ТХС.

Для очистки от фосфора ТХС насыщают хлором с переводом трихлорида фосфора в пентахлорид. При добавлении в раствор хлорида алюминия образуется нелетучее соединение ,которое затем удаляется ректификацией.

Контроль чистоты получаемого после очистки ТХС осуществляют методами ИК-спектроскопии, хроматографии, а также измерением типа и величины проводимости тестовых образцов кремния, получаемых из проб ТХС.

Тестовый метод существует в двух модификациях. В соответствии с первой на лабораторной установке осаждением из газовой фазы получают поликристаллический стержень кремния диаметром 10—20 мм.

Далее из него бестигельной зонной плавкой выращивают контрольный монокристалл, по типу проводимости и удельному сопротивлению которого судят о чистоте ТХС. Для определения концентрации доноров проводят один проход зоны в аргоне или вакууме и получают монокристалл n-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по донорам (удельное сопротивление по донорам); для определения концентрации бора приводят 5—15 проходов зоны в вакууме, в результате чего получают монокристалл р-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по бору (удельное сопротивление по бору).

По второй модификации тестового метода монокристалл кремния выращивают непосредственно из газовой фазы на монокристаллический стержень в миниатюрном кварцевом реакторе и далее измеряют его удельное сопротивление.

Остаточное содержание микропримесей в ТХС после очистки не должно превышать, % мас: бора — 3∙, фосфора— 1∙, мышьяка — 5∙, углерода в виде углеводородов — 5∙. По электрическим измерениям тестовых образцов остаточное содержание доноров должно обеспечивать удельное сопротивление кремния n-типа не менее 5000 Ом∙см, а по акцепторам у кристаллов р-типа — не менее 8000 Ом∙см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Другие методы получения соединений кремния

 

  Технически и экономически конкурентоспособным по сравнению с рассмотренным является также метод получения поликристаллического кремния путем разложения силана высокой чистоты, процесс получения которого сводится к следующему.

  Путем сплавления технического кремния и магния в водороде при 550°С получают силицид магния , который затем разлагают хлоридом аммония по реакции:

                                                (4)

 в среде жидкого  аммиака при температуре —30 °С. Отделяемый моносилан далее поступает на ректификационную очистку, в результате которой содержание примесей снижается до уровня менее -%.

 Известны и другие  методы получения летучих соединений  кремния — хлорирование или  иодирование технического кремния, продуктами которых являются тетрахлорид или тетраиодид кремния .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Восстановление очищенного трихлорсилана

 

Восстановление очищенного трихлорсилана и в результате этого получение поликристаллического кремния проводят в атмосфере водорода:

                                                      (5)

на поверхности разогретых кремниевых стержней — основах диаметром 4—8 мм (иногда до 30 мм), получаемых методом выращивания с пьедестала.

Рисунок 5 - Схема реактора по восстановлению очищенного трихлорсилана.

В некоторых технологиях вместо цилиндрических стержней используются пластинчатые толщиной 1—5 мм и шириной 30—100 мм с большей площадью осаждения. Материалом для выращивания стержней служит высококачественный поликристаллический кремний.

Поверхность стержней – основ подвергают ультразвуковой очистке, травлению в смеси кислот (например, HF+ ), отмывке и сушке. К стержням – основам для получения высококачественного поликристаллического кремния предъявляются высокие требования по чистоте: они должны иметь удельное сопротивление по донорам >700 Ом∙см и по бору >5000 Ом∙см. 

 Из стержней изготовляют  электронагреватели (например, П-образной  формы) и их нагрев осуществляют  пропусканием электрического тока. По мере роста диаметра стержней  силу тока постепенно увеличивают.

 Выбор условий водородного  восстановления ТХС осуществляют  на основе оптимальной взаимосвязи  следующих параметров процесса:

- равновесной степени  превращения  в Si, кристаллической структуры получаемых стержней,

- температуры процесса,

- энергозатрат,

- мольного отношения : ,

- скорости осаждения  кремния.

 Оптимальными условиями  процесса восстановления считают температуру 1100—1150°С, мольное отношение : в пределах 5 —15, плотность подачи ТХС 0,004 моль/(ч ∙).

При температуре стержней ниже оптимальной повышается степень превращения ТХС в тетрахлорид кремния и уменьшается выход кремния. Увеличение температуры приводит к существенному возрастанию энергозатрат.

 При оптимальном мольном  отношении: = 5 —15 стержни имеют плотную мелкокристаллическую структуру и относительно ровную поверхность.

 За пределами этих  отношений образуется неровная  поверхность, структура стержней  становится крупнокристаллической  с включениями газовых пор, которые  при последующем плавлении поликремния в процессе выращивания кристаллов приводят к бурлению и разбрызгиванию расплава.

 Количество стержней, устанавливаемых в различных  промышленных реакторах, колеблется  от 2 до 16, длина каждого стержня  составляет до 2 м, конечный диаметр 150—250 мм. За счет взаимного нагрева  стержней скорость осаждения  кремния в многостержневых аппаратах выше, чем в двухстержневых; скорость роста диаметра стержней достигает 0,5 мм/ч, энергозатраты составляют 3000 кВт ∙ч/кг.

 Для повышения чистоты  получаемого кремния производят  тщательную очистку водорода, реакторы  делают из специальных сталей, а также защищают их поверхность  от взаимодействия с газовой  средой путем введения дополнительных  кварцевых (кремниевых) колпаков, отделяющих  реакционный объем от стенок  реактора. Хорошей защитой стенок  реактора является покрытие их  защитными пленками, например полихлорсиланом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Получение поликристаллического кремния из моносилана

 

Получение поликристаллических стержней кремния путем термического разложения моносилана производится по аналогичной методике при температурах 1000 °С. Образующийся при разложении водород

                                                              (6)  

 обладает высокой степенью  чистоты и используется в сопутствующем  производстве. Получаемый по этой  технологии поликремний обладает более высокой степенью чистоты, чем кремний, получаемый восстановлением ТХС.

 Извлечение кремния  из  и осуществляют восстановлением тетрахлорида кремния цинком либо термической диссоциацией тетраиодида.

 Получаемые поликристаллические  стержни перед использованием  в процессах выращивания монокристаллов  методом Чохральского разламывают на удобные для загрузки в тигель куски или разрезают на мерные заготовки. Для процесса бестигельной зонной плавки стержни обрабатывают под нужный диаметр шлифовкой.  Удаление поверхностных слоев, обогащенных примесями и газами, кроме того, предотвращает разбрызгивание кремния из расплавленной зоны.

 Современные технологические  схемы получения поликристаллического  кремния включают в себя регенерацию  и повторное использование всех  компонентов и продуктов реакций  восстановления (пиролиза), что улучшает  технико-экономические показатели  процесса, снижает себестоимость  получаемого кремния, делает процесс  экологически более чистым.

 Рассмотренный процесс  осаждения поликристаллического  кремния используется также для  получения на его основе поликристаллических  труб на углеродных оправках. Вследствие высокой чистоты и  прочности эти трубы применяются  вместо кварцевых в печах высокотемпературных  процессов (свыше 1200°С) в технологии  полупроводниковых и микроэлектронных  приборов.  Кремниевые трубы не  подвержены просаживанию или другой деформации в течение нескольких лет эксплуатации, несмотря на постоянное температурное циклирование между 900 и 1250°С, тогда как кварцевые трубы имеют ограниченный срок службы при тех же процессах.

  Потребление поликристаллического кремния электронной промышленностью составляет несколько тысяч тонн в год.

  Для получения кремния высокой чистоты поликристаллические стержни подвергают кристаллизационной очистке методом зонной плавки в вакууме. При этом помимо кристаллизационной очистки кремния от нелетучих примесей (преимущественно акцепторов) происходит существенная очистка его от летучих доноров за счет испарения их из расплавленной зоны. Так, после 15 проходов расплавленной зоны со скоростью 3 мм/мин, получают монокристаллы кремния р-типа электропроводности с остаточной концентрацией примеси менее 1013 и удельным сопротивлением (по бору) более 104 Ом∙см.

 

 

 

 

4 Производство монокристаллов кремния

 

Производство монокристаллов кремния в основном осуществляют методом Чохральского (до 80—90 % потребляемого электронной промышленностью) и в меньшей степени методом бестигельной зонной плавки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1 Методом Чохральского

 

Идея метода получения кристаллов по Чохральскому заключается в росте монокристалла за счет перехода атомов из жидкой или газообразной фазы вещества в твердую фазу на их границе раздела.  Применительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость - твердое тело. Скорость роста V определяется числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, поступающих из жидкой фазы, и особенностями переноса на границе раздела.

Рисунок 6 - Переход атомов из жидкой фазы вещества в твердую фазу на границе раздела.

  Оборудование для выращивания монокристаллического кремния. Установка состоит из следующих блоков:

- печь, включающая в себя  тигель (8), контейнер для поддержки  тигля (14), нагреватель (15), источник  питания (12), камеру высокотемпературной  зоны (6) и изоляцию (3, 16);

- механизм вытягивания  кристалла, включающий в себя  стержень с затравкой (5), механизм  вращения затравки (1) и устройство  ее зажима, устройство вращения  и подъема тигля (11);

- устройство для управления  составом атмосферы (4 - газовый вход, 9 - выхлоп, 10 - вакуумный насос);

- блок управления, состоящий  из микропроцессора, датчиков температуры  и диаметра растущего слитка (13, 19) и устройств ввода;

- Дополнительные устройства: смотровое окно - 17, кожух - 2.

Рисунок  7 - Схема установки для выращивания монокристаллического кремния по методу Чохральского.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1.1 Технология процесса метода Чохральского

 

Затравочный монокристалл высокого качества опускается в расплав кремния и одновременно вращается. Получение расплавленного поликремния происходит в тигле в инертной атмосфере аргона при разрежении ~104 Па. при температуре, незначительно превосходящей точку плавления кремния Т = 1415 °С. Тигель вращается в направлении противоположном вращению монокристалла для осуществления перемешивания расплава и сведению к минимуму неоднородности распределения температуры. Выращивание при разрежении позволяет частично очистить расплав кремния от летучих примесей за счет их испарения, а также снизить образование на внутренней облицовке печи налета порошка монооксида кремния, попадание которого в расплав приводит к образованию дефектов в кристалле и может нарушить монокристаллический рост.

Рисунок 8 - Получение расплавленного поликремния.

В начале процесса роста монокристалла часть затравочного монокристалла расплавляется для устранения в нем участков с повышенной плотностью механических напряжений и дефектами. Затем происходит постепенное вытягивание монокристалла из расплава.

Для получения монокристаллов кремния методом Чохральского разработано и широко используется высокопроизводительное автоматизированное оборудование, обеспечивающее воспроизводимое получение бездислокационных монокристаллов диаметром до 200-300 мм.

С увеличением загрузки и диаметра кристаллов стоимость их получения уменьшается. Однако в расплавах большой массы (60-120 кг) характер конвективных потоков усложняется, что создает дополнительные трудности для обеспечения требуемых свойств материала.  Кроме того, при больших массах расплава снижение стоимости становится незначительным за счет высокой стоимости кварцевого тигля и уменьшения скорости выращивания кристаллов из-за трудностей отвода скрытой теплоты кристаллизации.  В связи с этим с целью дальнейшего повышения производительности процесса и для уменьшения объема расплава, из которого производится выращивание кристаллов, интенсивное развитие получили установки полунепрерывного выращивания.

В таких установках производится дополнительная непрерывная или периодическая загрузка кремния в тигель без охлаждения печи, например путем подпитки расплава жидкой фазой из другого тигля, который, в свою очередь, также может периодически или непрерывно подпитываться твердой фазой. Такое усовершенствование метода Чохральского позволяет снизить стоимость выращиваемых кристаллов на десятки процентов. Кроме того, при этом можно проводить выращивание из расплавов небольшого и постоянного объема. Это облегчает регулирование и оптимизацию конвективных потоков в расплаве и устраняет сегрегационные неоднородности кристалла, обусловленные изменением объема расплава в процессе его роста.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1.2 Окончательная обработка кремния

 

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят следующие технологические операции:

1. Механическая обработка  слитка:

- отделение затравочной  и хвостовой части слитка;

- обдирка боковой поверхности  до нужной толщины;

- шлифовка одного или  нескольких базовых срезов (для  облегчения дальнейшей ориентации  в технологических установках  и для определения кристаллографической  ориентации);

- резка алмазными пилами  слитка на пластины: (100) - точно  по плоскости (111) - с разориентацией на несколько градусов.

2. Травление.

На абразивном материале SiC или удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.

3. Полирование - получение  зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей  суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет из себя пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

 

Рисунок 9 - Слиток кремния.

Основная часть монокристаллов кремния, получаемых методом Чохральского, используется для производства интегральных микросхем; незначительная часть (около 2 %) идет на изготовление солнечных элементов.

 Метод  является оптимальным  для изготовления приборов, не  требующих высоких значений удельного сопротивления (до 25 Ом∙см) из-за загрязнения кислородом и другими примесями из материала тигля.

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Бестигельная зонная плавка – БЗП

 

Объемные кристаллы кремния выращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Этот метод используется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Следует заметить, что в технологическом отношении кремний - более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1412°С и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).

Сущность метода зонной плавки заключается в том, что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально расположенного образца, находящегося в графитовой или кварцевой лодочке. Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной конструкции, позволяющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или пять расплавленных зон.