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, причм подчас необходимо получить труднореализуемые либо даже несовместимые сочетания свойств . Это и порождает многообразие материалов . Возникают новые классы сложных комбинированных материалов. Материалы становятся вс 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, ещ 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 1 Загрязннные кристаллы в цилиндрической трубке 2 Плавление кристаллов нагреватель раскалнная 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 плнок 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 запрещнной 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, вс больше и больше применяются сверхпроводящие материалы.
Описанные выше методы, служат базой для современных разработок в данной области.Список используемой литературы 1. Физическая энциклопедия 1990 издательство Советская энциклопедия 2. Германий 1985 Издательство иностранной литературы, Москва сборник переводов . 3. 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.