Установка для выращивания монокристаллического кремния

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики»

Мегафакультет: Компьютерных технологий и Управления

Факультет: Безопасных информационных технологий

Направление (специальность) 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»

Профиль «Конструирование и технология электронных средств»

РЕФЕРАТ

По дисциплине:

«Физико-химические основы технологии электронных средств»

На тему:

«Поликристаллический Кремний»

Выполнил:

Студент группы N3260

Пестов А.С.

Преподаватель:

Жарова Ю.А.

Количество баллов: ____________

Дата защиты: «___» _____________2018г.

Оглавление

1.Введение. 3

2. Получение поликристаллического кремния. 4

2.1 Получение технического кремния. 4

2.2 Метод Чохральского. 6

2.3 Установка для выращивания монокристаллического кремния. 6

2.4 Технология процесса. 7

3. Вывод. 8

Список литературы.. 9

Введение

Как и десятки лет назад, сегодня полупроводниковый кремний является материалом «номер один» твёрдотельной электроники. В развитие кремниевой индустрии за эти годы вложены колоссальные средства и полученные при этом результаты весьма впечатляющи. Сегодня монокристаллический кремний – это самый совершенный кристаллический материал из огромного многообразия материалов, созданных когда-либо человеком или природой. Ежегодно в мире производится ~ 9 тыс. тонн высокосовершенных монокристаллов. Основным потребителем этой уникальной продукции является микроэлектроника, на долю которой приходится ~ 80% мирового производства монокристаллов. Развитие микроэлектроники оказывает решающее влияние на мировой научно-технический прогресс. Оно во многом определяет решение проблем глобальной компьютеризации и информатизации, создания новейших систем связи и телевидения, разнообразной бытовой, медицинской и специальной электронной аппаратуры.

В мире сегодня полупроводниковый кремний для микроэлектроники производят менее десятка фирм – в США (18 тыс. тонн), Японии (9,5 тыс. тонн), Германии (8 тыс. тонн), Италии (5 тыс. тонн), и в Китае (для нужд собственного рынка). В России, чтобы закрыть потребность этого элемента в промышленности, нужно производить около 200 тонн поликремния. В Советском Союзе поликристаллический кремний производился с 1957 года на шести предприятиях. В 90-е годы на предприятиях бывшего СССР выпускалось около 1150 тонн кремния в год. После ликвидации в 2003 году производства поликремния на Подольском химико-металлургическом заводе в России больше не осталось действующих производств.

Получение поликристаллического кремния

Получение технического кремния

Современная технология поликристаллического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана (Рис. 1) .

Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого техническим (металлургическим) кремнием. Рис. 1 Процесс получения монокремния

Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом (Рис. 2).Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура реакции Т = 1800 0С, энергоемкость W = 13 кВт/час.

В печи происходит ряд промежуточных реакций. Рис.2 Дуговая печь

Результирующая реакция может быть представлена в виде:

SiC(тв) + SiO2 (тв)→ Si(тв) + SiO2 (газ) + CO(газ)

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

Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl₄), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl₃):

3SiCl₄ + 2H₂ + Si 4SiHCl₃

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl₃ SiH₂Cl₂ + SiCl₄
2SiH₂Cl₂ SiH₃Cl + SiHCl₃
2SiH₃Cl SiH₄ + SiH₂Cl₂
SiH₄ Si + 2H₂

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

Метод 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

Установка для выращивания монокристаллического кремния

Установка (Рис. 3) 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;

¾ дополнительные устройства: смотровое окно – 17, кожух – 2.

Рис. 3 Установка по выращиванию методом Чохральского

Технология процесса

Затравочный монокристалл высокого качества опускается в расплав кремния и одновременно вращается (Рис. 4). 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.

Рис. 4 Процесс роста монокристалла

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 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.

Вывод

Подводя итоги можно отметить, что в приведенной работе был рассмотрен мировой рынок и российский рынок полупроводникового кремния. Описаны отрасли потребления и оборудование, цикл получения монокристаллического кремния.

Список литературы

1. Кремний // Портал: Habr– [Электронный ресурс]. https://m.habr.com/company/intel/blog/110234/

2. Кремний, его свойства и применение в современной электронике // Портал: allbest– [Электронный ресурс]. https://revolution.allbest.ru/chemistry/00344866_0.html

3. Получение поликристаллического кремния. // Портал: allbest– [Электронный ресурс]. https://knowledge.allbest.ru/physics/3c0b65635a3bd78b4d53b88421306c37_0.html

4. Метод Чохральского // Портал: Википедия– [Электронный ресурс]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Метод_Чохральского

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 429; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!