Получение сверхчистых материалов для микроэлектроники

                                    МИФИ



                                Факультет «Ф»



            Получение сверхчистых материалов для микроэлектроники



                          Иванов Эдуард Валериевич

                                                              ______________



                                 Консультант
                                 Петров В.И.



                                    1998


                                  Введение.

    Требования к свойствам материалов по мере  развития  техники  непрерывно
растут, причём  подчас  необходимо  получить  труднореализуемые   либо  даже
несовместимые сочетания свойств . Это и порождает   многообразие  материалов
. Возникают новые классы   сложных   комбинированных  материалов.  Материалы
становятся всё более специализированные .
     Большинство  используемых  в  настоящее  время  материалов  создано   в
результате   исследований,   основанных    на   экспериментально   найденных
закономерностях.
      К  таким  материалам,  используемым  в   микроэлектронике   относится,
германий, ещё недавно не находивший применения  в  технике.  Стал  одним  из
важнейших материалов, обеспечивающих развитие современной техники  на  одной
из  важнейших  передовых  позиций  –  техники  полупроводниковых  диодов   и
триодов.
      Применение германия стало возможным,  когда  его  удалось  практически
нацело очистить от примесей. В полупроводниковой технике, важнейший  и  пока
практически единственно области применения , германий почти  исключителен  в
виде монокристаллических слитков ультравысокой чистоты, содержание  примесей
в таком германии составляет только несколько миллионных долей процента.
      Германий является рассеянным элементом  и  получается  в  основном  из
отходов других производств. В последнее время одним из важнейших  источников
получения германия США и Англии становиться каменный уголь.  Разработан  ряд
технологических схем получения германия из этого источника.
      Техника получения монокристаллов германия высокой чистоты  разработана
в   настоящее   время   достаточно    надежно    и    обеспечивает    выпуск
монокристаллического германия в промышленном масштабе.
      Ничтожное содержание примесей (порядка  10  –  10  %)  резко  изменяют
электрические характеристики германия. Будучи намерено вводимы  в  очищенный
германий резко изменяют  электрические  свойства  германия  в  благоприятном
направлении, улучшая его эксплуатационные характеристики.
      В связи  с  этим,  наряду  с  очисткой  германия,  возникли  важнейшие
проблемы легирования германия ничтожно малым количеством примесей,  контроля
этих примесей, и изучения их  взаимодействия  между  собой  и  с  германием,
изменением свойств германия в зависимости от состава и т.п. Важнейшее  место
в этих исследованиях должно  занять  изучение  процессов  диффузии  примесей
германия, вопросов изменения  свойств  германия  в  зависимости  от  степени
совершенства монокристалла, от теплового воздействия и т.д.



Получение полупроводников.


Исторически  так  сложилось,  что  первоотцом  микроэлектороники    является
кремний .  В природе кремний в основном встречается в  виде  оксида  кремния
(IV) SiO2  ( песок, кварц ), а также  в  виде   силикатов.  Схема  получения
силикатов представлена на рисунке 1.



                                 Рисунок 1.



    Не менее неободим в микроэлектронике и германий. Эти два  полуприводника
почти в равной степени используются в микроэлектронике.
       Общим методом получения кремния и германия высокой степени чистоты
    является метод зонной плавки. Этот метод ( схема метода зонной плавк
                          приведена на рисунке №2)



                                 Рисунок 2.


           1 – Загрязнённые кристаллы в цилиндрической        трубке
         2 – Плавление кристаллов ( нагреватель – раскалённая спираль )
                3 – Трубка медленно движется относительно спирали
         4 – Вещество кристаллизуется после прохождения зоны нагревания
           5 – Примеси более растворимы в расплаве и концентрируются в
                             расплавленной зоне


    Так же очень чистые материалы можно получить методом осаждения ионов
 данного металлоида на катоде в расплаве ( но этот метод по своей сути очень
   похож на зонную плавку ). В основном это расплавы сульфатов германия и
  оксидов кремния. Кстати впервые этот метод был использован при получении
  алюминия в девятнадцатом веке, что привело к колоссальному падению цен на
              этот металл, который до этого был ценнее золота.


                            В настоящее время...


   В настоящее, время проблема получения полупроводников высокой чистоты,
   менее актуальна чем раньше, т.к. технологии получения уже относительно
 давно отработаны и стоят на должном уровне. Ну а сейчас, ученые занимаются
  изучением оксидных плёнок и их возможным применением в микроэлектронике и
                            электронике в целом.

      Основной  проблемой полупроводников  является их нагревание  во  время
работы.  Отмечено,  что   основной   причиной,   приводящей   к   деградации
монокристаллов  Si  после  нагрева,  являются  структурные   преобразования,
связанные  с  частичным  превращением  алмазоподобного  Si  в   кремний   со
структурой белого олова. Причиной этих превращений, наблюдаемых при  высоких
      давлениях, является возникновение многочисленных  очагов  концентрации
напряжений   вследствие   анизотропии    теплового    расширения    различно
ориентированных микрообъемов кристалла. В этих  очагах  возможно  достижение
высоких давлений, необходимых для указанного  фазового  перехода.  Высказано
соображение,   что   предотвращение   процесса   структурных    превращений,
приводящих  к  деградации  электрофизических  свойств  Si,  возможно   путем
легирования его  переходными  либо  редкоземельными  металлами,  повышающими
энергию межатомного взаимодействия и за счет этого уменьшающими  коэффициент
термического  расширения.  Выбор  легирующих  добавок  обоснован   расчетами
энергии связи и  зарядовой  плотности  на  основе  системы  неполяризованных
ионных радиусов.
Для получения полупроводников с электронной проводимостью ( n – типа ) с
изменяющейся в широких пределах концентрацией электронов проводимости
используют донорные примеси, образующие «мелкие» энергетические уровни в
запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости.  Для получения
полупроводников с дырочной проводимостью ( P – типа ) вводятся акцепторные
примеси, образующие уровни вблизи потолка валентной зоны.

РАСПРОСТРОНЕНИЕ.


    Основное распространение полупроводники получили в компьютерных
микросхемах и чипах. Именно эта область микроэлектроники требует
наибольшего количества кремния и германия, причем очень высокой чистоты. В
данной отрасли микроэлектроники наряду с сверхчистыми кремнием и германием,
всё больше и больше применяются сверхпроводящие материалы.
     Описанные выше методы, служат базой для современных разработок в
данной области.



Список используемой литературы:


Физическая энциклопедия – 1990
   издательство « Советская энциклопедия »
Германий – 1985
Издательство иностранной литературы, Москва   ( сборник переводов ).
Материалы высокой чистоты – 1978
Издательство « Наука »
4. Журнал « Физика и техника полупроводников » -
        1997 - 8
5. Проблемы современной электроники –
        1996 – Сергеев А. С.
6. Начала современной химии - 1989- Рэмсден Э.Н.
   издательство « Ленинград «Химия» »
7. Радиолюбитель – 1998-4
8. Современные достижения в микроэлектронике –
         1998 – издательство « РФСком »