Нейтронное легирование кремния что это
Ядерно-легированный кремний
ПРОИЗВОДСТВО ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ (ЯЛК)
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ:
Легирование – процесс введения добавок в полупроводник с целью получения определенных электрофизических свойств.
Целью легирования является получение вещества с требуемыми электрофизическими характеристиками, такими как электрическая проводимость, характером p- и n- перехода и т.д.
Лидирующее место по использованию полупроводниковых материалов занимает кремний.
Наиболее распространенные легирующие добавки в кремнии – фосфор, мышьяк (проводимость n-типа) и бор (р-типа).
В настоящее время внедрение добавок производится тремя способами:
При нейтронно-трансмутационном легировании (НТЛ) легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атома исходного вещества (кремния) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества тепловыми нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо однородным распределением атомов примеси.
Технология НТЛ отличается от металлургической или химической тем, что легирующую добавку вводят не извне, а получают из самого облучаемого материала.
Ядерно-легированный кремний (Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультрачистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30 Si трансмутировалась в атомы фосфора 31 P, создав примесную проводимость n-типа. Традиционно такое легирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния.
Преимущества ЯЛК перед металлургическим:
При металлургическом способе достичь высокой однородности распределения вводимой примеси очень сложно.
Только метод ЯЛК позволяет получать высококачественный монокристаллический кремний, отвечающий современным требованиям силовой электроники и электроэнергетики по точности и однородности «введения» легирующих примесей, воспроизводимости и стабильности свойств.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Время жизни неосновных носителей заряда:
— для у.э.с. 15-100 Ом*см
— для у.э.с. 110-200 Ом*см
— для у.э.с. 210-500 Ом*см
ФОРМА ВЫПУСКА:
Исходным материалом для легирования являются слитки монокристаллического кремния в форме цилиндров различного диаметра и разной длины.
| Наименование показателя | Размер |
| Диаметр монокристалла | 28-85 мм |
| Длина монокристалла | 500 мм |
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
— вкачестве эталонов для калибровки зондовых и бесконтактных методов измерений в метрологии.
Нейтронное легирование кремния
Новый интересный процесс, используемый для легирования
кристаллов, основан на ядерных трансмутациях атомов кремния
в фосфор при облучении кремния в ядерном реакторе потоком тепловых нейтронов (En ¸ 0,025 эВ). Последовательность реакций тепловых нейтронов с кремнием в этом процессе может быть представлена как [4]
,
,
,
.
Из анализа этих реакций следует, что процесс легирования
с использованием преобразований ядер достаточно словен.
Действительно, изотоп 
, образованный в результате захвата
теплового нейтрона изотопом 
, может также захватить ней-
трон и превратиться в изотоп 
с последующим бета-распадом. Тогда как изотоп 
, очень короткоживущий не дает остаточной радиоактивности, изотоп , достаточно долгоживущий, и
ghbприпрпрпрпрпрпрвыфждвалойцджулао приводит к заметному уровню радиоактивности. Коли-
чество изотопов прежде всего зависит от количества изотопов и в некоторой степени от потока нейтронов и первоначальной концентрации фосфора в кремнии.
Конечно, легирование кремния за счет ядерных реакций фор-
мирует только слой N-типа с фосфорной примесью, однако этот
способ имеет преимущество в том, что может обеспечивать од-
нородную концентрацию фосфора в кремнии. Поскольку в ре-
зультате облучения в реакторе образуются структурные де-
фекты, для восстановления кристаллической структуры и прово-
димости требуется провести отжиг.
Процесс легирования кремния с применением преобразова-
ний ядер использовался в основном для создания мощных по-
лупроводниковых приборов, но в последнее время рассматрива-
ется возможность его использования для изготовления инте-
гральных микросхем и оптических полупроводниковых дат-
чиков.
Травление
Травление представляет собой удаление поверхностного слоя не
механическим, а чаще всего химическим, путем. Его применяют для
получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин,
не достижимой механическими способами обработки, удаления SiO2 и
других слоев с поверхности. Локальное травление используется для
получения необходимого рельефа поверхности, формирования рисунка
тонкопленочных слоев, а также масок.
Жидкостное травление. В основе жидкостного травления лежит
химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате
которой образуется растворимое соединение. Подбором химического
состава, концентрации и температуры травителя обеспечивают задан-
ную скорость травления (порядка 0,1 мкм/мин) и толщину удаляемого
слоя. Локальное травление осуществляют через маску. Оно может
быть изотропным и анизотропным.
Изотропное травление идет с одинаковой скоростью во всех направ-
лениях как вглубь, так и под маску. Примером такого процесса
служит травление слоя SiO2 через маску фоторезиста 1 (рисунок 2.24).
Основной компонент травителя – плавиковая кислота HF. Размер
W вытравленной области больше размера отверстия W0 в маске на ве-
личину, превышающую удвоенную толщину d слоя SiO2 (
W> W0 + 2d). В связи с этим жидкостное изотропное травление не позволяет
получить в слое SiO2 отверстия достаточно малых размеров. Так как
этот слой в свою очередь является маской при легировании, то не могут- быть реализованы элементы микросхем достаточно малых размеров.
Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, количе-
ственно оцениваемой отношением скоростей травления требуемого
слоя (например, SiO2) и других слоев (например, кремния, фоторези-
ста); скорость химической реакции специальных травителей зависит от кристал-
лографического направления. Она минимальна в направлении (111), так как
в перпендикулярной ему плоскости (111) максимальна плотность атомов. Плос-
кость (l00) характеризуется значительно меньшей плотностью атомов, и скорость
реакций в направлении (100) в 10…15 раз больше. На этом основано жидкост-
ное анизотропное травление кремния. Пусть поверхность пластины имеет ориентацию (100) и используется маска
SiO2 с прямоугольными отверстиями, стороны которых ориентированы по на-
правлениям (011), параллельным плоскостям (111). После травления получается
канавка, боковые стенки которой имеют ориентацию (111), т.е. перпендикуляр-
ны направлению, соответствующему наименьшей скорости реакции. При малом
времени процесса канавка имеет плоское дно (рисунок 2.25,а), с ростом времени она
углубляется и становится V-образной
(рисунок 2.25,б); После этого травление резко за-
медляется (практически останавливается),
так как дальше оно возможно лишь в направ-
лениях [111]. Угол a между стенками около
60°. Глубина канавки d определяется разме-
рами отверстия в маске W0 и составляет при-
близительно 0,7W0 [1].
Если же поверхность имеет ориен-
тацию (011), то стенки канавок полу-
чаются вертикальными, так как они
соответствуют ориентации (111)
(рисунок 2.25, в). Таким способом можно
сформировать канавки шириной менее
1 мкм и глубиной около 10мкм. Однако
ориентации (011) соответствуют худшие
электрофизические параметры поверхности.
Сухое анизотропное травление. Такое
травление производят в вакуумной уста-
новке в плазме газового разряда. Разли
чают ионное травление, основанное на физическом распылении материала при
бомбардировке его ионами инертных газов, плазмохимическое травле-
ние, основанное на химическом взаимодействии активных частиц плаз-
мы (ионов, атомов, молекул) с материалом, подвергающимся травле-
нию, и комбинированное реактивное ионное травление.
Важнейшим достоинством сухого травления является его анизотро-
пия: травление идет преимущественно в вертикальном направлении,
в котором движутся частицы. Размер вытравленной области весьма
точно соответствует размеру отверстия в маске. На рисунке 2.26 показано
травление слоя диоксида кремния через маску фоторезиста 1. Процесс
позволяет получать отверстия в слое SiO2 меньших размеров, чем при
жидкостном травлении. Количественно анизотропия оценивается отно-
шением скоростей травления в вертикальном и горизонтальном на-
правлениях.
Ионное травление практически не обладает избирательностью. Поэтому, не-
смотря на максимальную анизотропию, использовать его для локального травления затруднительно. Ионное травление применяется в основном для очистки
поверхности от загрязнений. Плазмохимическое травление производится при
давлении порядка 500 Па в плазме высокочастотного газового разряда. На по-
верхность пластин попадают ионы с малыми энергиями (100 эВ) и нейтральные
химически активные атомы и молекулы. Анизотропия в этом случае мала (2. 5),
но обеспечиваются высокая избирательность (до 50) и скорость травления
2…10 нм/с.
Наиболее широкие возможности имеет реактивное ионное травление. Оно
производится при меньших давлениях (около 1 Па) и 6ольших энергиях ионов
(до 500 эВ). Скорость химических реакций нейтральных атомов и молекул с ма-
териалом, подвергаемым травлению, возрастает вследствие бомбардировки его
ионами. При низких давлениях средняя длина свободного пробега молекул на-
много больше глубины травления, а скорость взаимодействия газа с горизон-
тальной поверхностью пластины больше, чем с боковыми стенками углублений.
С другой стороны химические реакции, ослабляя связи атомов на поверхности,
способствуют физичес-кому распылению материала ионами. Все это обусловли-
вает высокую анизотропию процесса (до 100) при хорошей избирательности (до
30) и достаточно высокой скорости (0,3. 3 нм/с).
Для травления SiO2, применяют газообразный четырехфтористый углерод
CF4, который в плазме распадается на CF2 и F. Последний взаимодействует с
SiO2, в результате чего образуется SiF4. Добавление Н2 обеспечивает избира-
тельность травления SiO2 до З5 по сравнению с кремнием и 10 по сравнению с фо-
торезистами. Для травления кремния применяют CF4 с добавлением O2.
Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.
12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния.
Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование — электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.
Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.
А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки — это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.
Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное — мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей — IGBT транзисторы и IGСT тиристоры (кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное :))
IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливается из круглой кремниевой пластинки
И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набран из множества мелких кристаллов
Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой — например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.
Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно кремниевая пластина, которая коммутирует ток.
Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе — ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка — примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.
Слиток после облучения и отжига.
Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30Si трансмутировалась в атомы фосфора 31P, создав примесную проводимость n-типа. Традиционно такое легирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения — иногда и лучше 3%.
А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70х.
Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК
Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и JHR.
Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.
Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.
Способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния
Изобретение относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния при промышленном производстве на энергетических реакторах типа РБМК, широко применяемого в технологии изготовления приборов электронной и электротехнической промышленности.
Известен способ получения НТЛ кремния [2], включающий перемещение контейнера со слитками кремния по каналу реактора из одного крайнего положения в другое, в котором середина слитков совмещена с серединой выбранного участка для облучения.
Недостатком этого способа является, то, что для достижения требуемой точности набора флюенса следует перед каждым облучением формировать нейтронное поле с помощью поглотителей и замедлителей тепловых нейтронов. Однако, если происходит изменение нейтронного поля в процессе облучения, то точность набора флюенса падает, что приводит к переоблучению или недооблучению кремния.
Известен способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния [3], включающий возвратно-поступательное перемещение не менее двух контейнеров со слитком кремния по каналу реактора через зону облучения по рассчитанному заранее дозно-временному регламенту. При смене направления движения контейнеров в зоне облучения должен присутствовать хотя бы один из контейнеров. После одного или нескольких циклов перемещения процесс облучения прерывают и производят смену контейнеров местами или замену по крайней мере одного из них. Скорость перемещения контейнеров является величиной переменной и зависит от требуемой величины флюенса.
Данный способ является трудоемким, недостаточно производительным и не обеспечивает требуемой точности набора флюенса.
Однако такой способ можно реализовать лишь на канале реактора, к которому возможен доступ с обоих торцов.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния [5], включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненным по длине слитков флюенсом нейтронов. Предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль канала выбирают участок, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией. В контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале. В процессе облучения контейнер со слитками перемещают по каналу из крайнего в положение, при котором середина длины слитков совмещена с серединой выбранного участка. После облучения половинным от требуемого флюенса нейтронов процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно также дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов.
Недостатком этого способа является его трудоемкость, связанная с тем, что для достижения требуемой точности набора флюенса следует перед каждым облучением формировать нейтронное поле с помощью поглотителей и замедлителей тепловых нейтронов, а если происходит изменение нейтронного поля в процессе облучения, то точность набора флюенса падает, что приводит к переоблучению или недооблучению кремния.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение точности набора флюенса, а в конечном итоге, получение заданного удельного сопротивления НТЛ кремния с точностью до 3% и снижение трудозатрат.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающем циклическое облучение нейтронным потоком по дозно-временному регламенту контейнера со слитками кремния в канале ядерного реактора с известным исходным, но изменяющимся во времени высотным распределением плотности нейтронного потока, контроль за усредненным по длине слитка в контейнере флюенсом нейтронов, предложено вместе с легируемым кремнием в контейнере разместить несколько контрольных кремниевых шайб, облучение периодически прерывать, контейнер извлекать, производить отжиг контрольных шайб и измерения электрофизических параметров одной из них.
Кроме того, предлагается первоначальное облучение проводить в течение времени, составляющем 60
70% от расчетного, а время повторного облучения выбрать из интервала 2030% от расчетного.
После подстановки констант выражение будет иметь вид: 
В результате облучения кремния образуется некоторая концентрация фосфора, являющаяся легирующей примесью, которая и приводит к изменению удельного электрического сопротивления (УЭС) кремния. Таким образом, управляя плотностью потока тепловых нейтронов (
т) и временем облучения (t), можно управлять количеством образующейся концентрации фосфора (Np) и как следствие значением (УЭС). При нейтронном легировании кремния на реакторах РБМК-1000 для получения необходимой концентрации фосфора в кремнии управляют временем облучения (t), а поток тепловых нейтронов (т) является нерегулируемой физической характеристикой реактора.
Способ поясняется примерами 1, 2, 3.
Примеры нейтронно-трансмутационного легирования кремния по данной технологии сведены в табл. 1, 2, 3.
Облучение кремния проводилось на реакторе РБМК-1000 в облучательном канале (ОК), установленном вместо канала системы управления и защиты (СУЗ).
1. При помощи камеры КТ-19 измерено высотное распределение плотности потока тепловых нейтронов (т(o)) и определено «плато» с радиальным распределением (т(o)) не хуже 1,5% (столбец 5).
2. По исходным значениям 
исх (столбец 2) и заданным значениям кон (столбец 3) кремния произведены расчеты набираемого флюенса ф0 (столбец 4) и время облучения t0 (столбец 6).
3. В контейнер с кремнием, подготовленный для облучения, загрузили 3 контрольные кремниевые шайбы с измеренными исходными значениями исх и загрузили контейнер в ОК на «плато».
1-й цикл облучения:
облучение проводится в течение 70% t0.
По окончании t1 (столбец 7) контейнер с кремнием выгрузили из ОК и поместили его в бассейн выдержки для спада радиоактивности на 2-е суток. После спада активности извлекли из контейнера 1 контрольную шайбу, произвели отжиг, измерили ее 1, по исходному значению исх и полученному после облучения 1 рассчитали набранную дозу ф1 (столбец 8) облучения за t1.
2-й цикл облучения:
по выражению ф2=(ф0-ф1)/0,5 рассчитываем флюенс для облучения на 2-й цикл.
По выражению 
рассчитываем время облучения 2-го цикла.
По окончании t2 (столбец 9) выгрузили контейнер с кремнием из ОК и поместили его в бассейн выдержки для спада радиоактивности на 2-е суток. После спада активности извлекли из контейнера 2-ю контрольную шайбу, произвели отжиг, измерили ее 2 по исходному значению исх и полученному после облучения 2 рассчитали набранный флюенс ф1+ф2 (столбец 10) облучения за t1+t2.
3-й цикл облучения:
по выражению ф3=(ф0-ф1-ф2) рассчитываем флюенс для облучения 3-го цикла.
По выражению 
рассчитываем время облучения 3-го цикла.
По окончании t3 (столбец 11) выгрузили контейнер с кремнием из ОК и поместили его в бассейн выдержки для спада радиоактивности на 2-е суток. После спада активности извлекли из контейнера 3-ю контрольную шайбу, произвели отжиг, измерили ее кон, рассчитали набранный флюенс ф3 (столбец 12) облучения за t1+t2+t3=tфакт (столбец 11). По окончании 3-го цикла кремний выгружается из облучательного контейнера, проходит дезактивацию, промывку, упаковку и отправку заказчикам. Количество циклов определяется требованиями к облучаемому кремнию.
Примеры нейтронно-трансмутационного легирования кремния по данной технологии сведены в табл. 1, 2, 3. Как видно из данных таблиц, отклонение задаваемого флюенса от фактически полученного после облучения кремния (столбец 13) укладывается в пределах 
2%, что характеризует качество получаемой продукции.
Возможность получения высококачественного монокристаллического кремния, легированного фосфором до низких значения УЭС, будет способствовать увеличению выхода годных приборов с улучшенными характеристиками в электронной и электротехнической промышленности. Использование термической обработки после окончания очередного цикла легирования позволяет значительно снизить уровень дефектности, производимой в процессе радиационного легирования, увеличить точность попадания в номинал УЭС. Таким образом, достигается сохранение монокристаллической структуры слитка кремния после облучения большими интегральными потоками нейтронов и снижение погрешности попадания в номинал УЭС. Использование предлагаемого способа получения легированных фосфором монокристаллов кремния повышает качество радиационно-легированного до низких номиналов УЭС кремния: снижает разброс УЭС; позволяет сохранить монокристаллическую структуру слитка, что в конечном итоге приводит к снижению внутренних механических напряжений и повышению времени жизни неосновных носителей заряда.
Используемая литература
1. Смирнов Л.С. и др. «Легирование полупроводников методом ядерных реакций», Новосибирск, Наука, 1981 г., с.138.
2. Новости физики твердого тела, выпуск 11, под редакцией Дж. Миза, «Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников», Изд-во Москва, МИР, 1982 г.
3. Патент Российской Федерации RU 2008373 С1, «Способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния».
4. DЕ 2516514 А, Simens AG 21.10.1976г.
5. Патент Российской Федерации RU 2089011 С1, «Способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния».
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначальное облучение проводят в течение времени, составляющем 60-70% от расчетного, а время повторного облучения составляет 20-30% от расчетного.
