Кремний — важный полупроводниковый материал, химический символ Si. В электронной промышленности используемый кремний должен обладать высокой чистотой, а также отличными электрическими и механическими свойствами.
Введение
В исследованиях и производстве кремниевый материал взаимно способствует развитию кремниевых приборов. Во время Второй мировой войны начали использовать кремний для изготовления высокочастотных кристаллических фильтров радиолокационных устройств. Используемый кремний имел низкую чистоту и был неоднородным. В 1950 году был изготовлен первый кремниевый транзистор, что повысило интерес к получению высококачественных кремниевых монокристаллов. В 1952 году успешно выращены кремниевые монокристаллы методом прямого вытягивания (CZ). В 1953 году была разработана методика областного плавления без кратера (FZ), позволяющая одновременно проводить физическую очистку и выращивать монокристаллы. В 1955 году началось использование метода восстановления четырёххлористого кремния с помощью цинка для получения чистого кремния, однако он ещё не мог удовлетворить требованиям производства транзисторов.

В 1956 году было успешно исследовано метод восстановления трихлористого кремния с помощью водорода. После некоторого времени изучения микроскопических примесей в кремнии этот метод стал основным. К 1960 году промышленное производство по этому методу уже достигло масштабов. Появление кремниевых выпрямителей и кремниевых вентилей способствовало тому, что кремниевый материал занял первое место среди полупроводниковых материалов. В 60-х годах появились технологии эпитаксического выращивания монокристаллов и плоской технологии кремния, которые не только сформировали зрелые технологии производства кремниевых транзисторов, но и способствовали быстрому развитию интегральных схем.

В начале 80-х годов мировая производительность поликремния достигла 2500 тонн. Кремний также остаётся одним из перспективных материалов для солнечных элементов. Технология производства солнечных элементов из поликремния уже сформировалась; исследования аморфных кремниевых пленок быстро продвинулись вперёд; аморфные кремниевые солнечные элементы начали выходить на рынок.

Химический состав

Кремний является элементным полупроводником. Электрические активные примеси — фосфор и бор — должны содержаться в качественном полупроводнике и поликремнии соответственно ниже 0,4 ppb и 0,1 ppb. При выращивании монокристаллов необходимо добавлять определённое количество электрических активных примесей, чтобы достичь требуемого типа проводимости и удельного сопротивления. Тяжёлые металлы, такие как медь, золото, железо, а также неметаллы, например углерод, являются крайне вредными примесями, их наличие ухудшает характеристики p-n перехода.

Содержание углерода в кремнии достаточно высокое. При этом содержание кислорода в кремнии может быть очень высоким. Содержание кислорода в монокристаллах кремния составляет от 5 до 40 ppb; в областно-плавленных кристаллах кислород может быть ниже 1 ppb.

Свойства кремния

Кремний обладает отличными полупроводниковыми электрическими свойствами. Ширина запрещённой зоны средней величины — 1,12 электронвольт. Коэффициент переноса носителей заряда высокий: коэффициент переноса электронов составляет 1350 см²/В·с, а коэффициент переноса дырок — 480 см²/В·с. Удельное сопротивление в нормальной температуре (300 K) достигает 2,3×10⁵ Ом·см, после легирования сопротивление можно контролировать в диапазоне от 10⁴ до 10⁻⁴ Ом·см, что позволяет удовлетворительно выполнять различные устройства.

Длительность жизни неуравновешенных носителей заряда в монокристаллах кремния относительно высока — от нескольких десятков микросекунд до 1 миллисекунды.

Теплопроводность высокая. Химическая стабильность высока, а также легко образуются стабильные термооксидные пленки. В плоскообразном производстве кремниевых приборов эти пленки используются для поверхностной пассивации и защиты p-n перехода, а также для формирования металло-оксидно-полупроводниковых структур, что позволяет создавать МОП-транзисторы и интегральные схемы.

Вышеупомянутые свойства обеспечивают хорошие характеристики p-n перехода, благодаря чему кремниевые приборы обладают высоким напряжением, малым обратным током, высокой эффективностью, длительным сроком службы, высокой надёжностью и хорошей теплопроводностью, а также могут работать при температуре до 200 °C.

Технические параметры

Основные технические параметры кремниевых монокристаллов включают тип проводимости, удельное сопротивление и равномерность, длительность жизни неуравновешенных носителей заряда, направление кристалла и отклонение от его ориентации, а также дефекты кристалла и т.д.

Тип проводимости

Тип проводимости определяется легирующими примесями — домашними или принимающими. P-тип монокристаллов чаще легируют бором, N-тип — фосфором. В качестве подложки для эпитаксического роста используется N-тип монокристаллов, легированных антимоном или арсеном.

Удельное сопротивление и равномерность

При выращивании монокристаллов добавляются определённые примеси, чтобы контролировать сопротивление кристалла. Из-за неравномерного распределения примесей сопротивление также неравномерно. Равномерность удельного сопротивления включает в себя равномерность по оси, по сечению и в микрообласти.

Он напрямую влияет на согласованность параметров устройства и выходную производительность.

Срок жизни неравновесных носителей заряда: дополнительные электроны и дырки, образующиеся при облучении или электрическом введении, мгновенно аннигилируют и исчезают. Среднее время их существования называется сроком жизни неравновесных носителей заряда. Срок жизни неравновесных носителей заряда связан с коэффициентом усиления устройства, обратным током и характеристиками переключения. Значение времени жизни косвенно отражает чистоту кремниевой монокристаллической пластины; наличие примесей тяжёлых металлов значительно снижает срок жизни.

Направление кристалла и отклонение от направления кристалла: наиболее часто используемые направления монокристаллов — (111) и (100) (см. рисунок). Угол отклонения оси кристалла от его направления называется углом отклонения от направления кристалла.

Кристаллические дефекты: помимо определённого ограничения по плотности дислокаций, кремниевые монокристаллы, используемые для производства электронных устройств, не должны содержать микродефектов, таких как малые углы границ кристаллов, структуры дислокаций, звёздообразные структуры и т.д. Монокристаллы без дислокаций, плотность которых ниже 200/см², называются монокристаллами без дислокаций, и они составляют большую часть выпускаемой продукции. В монокристаллах без дислокаций также присутствуют микро дефекты, такие как атомы примесей, атомные пустоты, группы свободных пробелов, осадки примесей кислорода, углерода и других элементов. Микро дефекты, объединяющиеся в круговые или спиральные структуры, называются вихревыми дефектами. В процессе термической обработки взаимодействие и изменение между микро дефектами кремниевого монокристалла напрямую влияют на успешность изготовления интегральных схем.