WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 8 Получение изотопно-чистого поликристаллического кремния и исследование его свойств © О.Н. Годисов, А.К. Калитеевский, В.И. Королев, Б.Я. Бер†, В.Ю. Давыдов†, М.А. Калитеевский†, П.С. Копьев† ПО ”Электромеханический завод”, НТЦ ”Центробежные технологии”, 198096 Санкт-Петербург, Россия НПО ”Радиевый институт им. В.Г. Хлопина”, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 28 декабря 2000 г. Принята к печати 10 января 2001 г.) Разработана технология получения изотопов кремния. Получены поликристаллические образцы изотопов 28 29 30 Si, Si и Si с обогащением 99.95, 99.5 и 99.9% соответственно. Показано, что энергии оптических фононов изотопически чистых образцов демонстрируют ожидаемую зависимость от величины средней массы изотопа.

Кремний является материалом наиболее широко ис- по реакции пользуемым в современной полупроводниковой промы30 31 31 Si + n0 Si P + e-.

шленности. Более 90% выпускаемых полупроводниковых приборов изготавливаются на основе кремния. Природ31 Нестабильный изотоп Si с периодом 2.6 ч превращается ный кремний представляет собой смесь трех стабильных 31 в стабильный изотоп P, являющийся донорной легиизотопов с атомными массами 28 (содержание 92.21%), рующей примесью в кремнии. Использование кремния, 29 (4.70%) и 30 (3.09%). Развитие электроники требу30 обогащенного по изотопу Si, для нейтронного легироет дальнейшей миниатюризации элементов микросхем вания позволит получать сильно легированный кремний и повышения тактовой частоты их работы, а также с однородным распределением примеси.

улучшения характеристик силовых полупроводниковых Особенности динамики кристаллической решетки в 70 приборов. Решению этих задач препятствуют ряд фуннизкоразмерных изотопных гетероструктурах Ge/74Ge даментальных и технических проблем, среди которых были продемонстрированы в работе [11]. Создание кремпроблемы отвода тепла с микросхемы и изготовление ниевых изотопных гетероструктур предоставит возможподложек с высоким уровнем легирования и однородным ность для более глубокого изучения свойств фононов в распределением примеси.

кремнии.

Одним из возможных путей решения проблемы тепло- Использование изотопно-чистого кремния позволит улучшить характеристики монохроматоров синхротронотвода с микросхем является использование изотопноного излучения [12] и детекторов элементарных чачистого кремния. Впервые эффект влияния изотопичестиц [13–17]. Интересной областью применения ского состава на теплопроводность германия наблюдался изотопно-чистого кремния может стать создание эталов конце пятидесятых годов [1]. Дальнейшие исследо70 нов массы и уточнение числа Авогадро [18].

вания показали [2], что Ge с обогащением 99.99% Несмотря на проявляемый интерес, исследования обладает (при низких температурах) на порядок больизотопно-чистого кремния затруднены вследствие недошей теплопроводностью, чем германий с естественным ступности достаточных количеств кремния с достаточно изотопным составом. Пятидесятипроцентное увеличение высоким обогащением и химической чистотой.

теплопроводности алмаза было достигнуто при обогаДанная работа посвящена отработке промышленной щении по изотопу C до 99.93% [3,4]. Недавно было технологии для получения изотопно-чистого кремния, зафиксировано существенное увеличение теплопроводвключающей в себя разделение изотопов кремния в хиности кремния Si с обогащением 99.85% [5,6].

мической форме, используемой в технологии разделения, При выращивании монокристаллов методом Чохральс последующей химической переработкой в элементарского не удается достичь однородного распределения ный кремний высокой химической чистоты.

легирующей примеси. Альтернативой легированию при Разделение изотопов кремния осуществлялось по ценвыращивании является нейтронно-трансмутационное летробежной технологии [19]. Центробежная технология гирование, при котором легирующие примеси появляоснована на разделении молекул газа, обладающих разются в результате ядерных трансмутаций атомов, обраными молекулярными массами, в сильном центробежном зующих кристаллическую решетку, после захвата со- поле (центробежное ускорение более 5 · 106 м/с2), соответствующим изотопом медленного нейтрона в ядер- здаваемом в роторе газовой центрифуги. Газовая ценном реакторе [7–10]. В случае кремния легирование трифуга имеет один вход и два выхода для газовых осуществляется благодаря трансмутации изотопа Si фракций, обогащенных легким и тяжелым компонентом 2 914 О.Н. Годисов, А.К. Калитеевский, В.И. Королев, Б.Я. Бер, В.Ю. Давыдов, М.А. Калитеевский...

соответственно. При центробежном разделении изотопов В рамановском спектре 1-го порядка кристаллического кремния используется соединение SiF4. Выбор данного кремния (k = 0) согласно правилам отбора разрешено рабочего газа обусловлен тем, что фтор имеет только только одно трижды вырожденное колебание симмеодин изотоп F, и SiF4 обладает достаточным давле- трии F2g, частота которого для натурального кремния нием паров при комнатной температуре [20]. Относи- близка к 521 см-1 [22]. Известно, что на энергетические тельное изменение концентрации изотопа кремния при положения фононных частот непосредственно влияет прохождении газовой центрифуги невелико, поэтому для усредненная масса всего кристалла или его подрешеток.

достижения существенного обогащения газа по какомуВ элементарных полупроводниках в гармоническом прилибо изотопу необходимо последовательное соединение ближении зависимость частоты фонона от массы имеет большого числа центрифуг в каскад.

вид (k) M-1/2 для всех волновых векторов.

29 Поскольку содержание изотопов Si и Si в приНа рис. 1 предствлены рамановские спектры, полученродном кремнии мало, для получения этих изотопов 28 29 ные от образцов изотопов Si, Si, Si, и, для сравненеобходимо проводить промежуточные стадии обогащения, спектр природного кремния. Видно, что положения ния [21]. На первой стадии производится получение 29 фононных линий для изотопов Si и Si сдвинуты в низSiF4 с коэффициентом извлечения из природного сыкоэнергетическую сторону, а линия, соответствующая рья порядка 80%. Попутно осуществляется глубокая изотопу Si, имеет высокоэнергетический сдвиг по отноочистка рабочего газа от примесей, отличающихся от шению к линии натурального кремния. Такое поведение SiF4 молекулярной массой. На последующих стадиях согласуется с зависимостью (k) M-1/2, а также с путем попеременного отбора легких и тяжелых фракций тем фактом, что природный кремний представляет собой удается получить высококонцентрированные тяжелые смесь трех стабильных изотопов с атомными массами 28, 29 изотопы Si и Si. Анализ изотопического состава 29 и 30.

(проводившийся на квадрупольном масс-спектрометре На рис. 2 представлены частоты фононов измеренных МС7303М) установил, что достигнуты следующие конобразцов как функция их средних масс. Зависимость 28 центрации изотопов: Si — 99.95%, Si — 99.5%, (k) M-1/2 показана сплошной линией. Видно, что Si — 99.9%.

Далее SiF4 перерабатывался в силан по реакции нуклефильного замещения NaAlH4 + SiF4 SiH4 + NaAlF4.

Полученный силан подвергался очистке и перерабатывался в элементарный кремний путем пиролиза SiH4 Si + 2H2.

Полученный таким образом кремний имел форму гранул неправильной формы размером 0.3–0.5 мм. Анализ химического и изотопического состава полученных образцов, проводившийся на масс-спектрометре с индуктивносвязанной плазмой ISP MS VG Plasma Quard, подтвердил данные об изотопической чистоте образцов и показал, что суммарное содержание примесей в образцах не превосходит 10-3 ат.%.

Рамановские спектры были измерены на автоматизированной спектральной установке на базе двойного решеточного монохроматора ДФС-24. Спектральная ширина щели составляла 1 см-1. Все спектры были записаны в геометрии рассеяния назад при комнатной температуре. Возбуждение спектров осуществлялось линией аргонового лазера с длиной волны 488 нм, Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния света при T = 300 K мощность возбуждающего излучения на образце соста28 29 для изотопов Si, Si, Si и монокристаллического кремния вляла 30 мВт в пятне 50 мкм. Чтобы минимизировать nat с естественным изотопным составом Si. Спектры сдвинуты возможный нагрев, поверхность образцов обдувалась по вертикальной шкале для наглядности. Спектральная особенпотоком аргона. Никаких эффектов, связанных с наность, обозначенная символом Ne, соответствует излучению гревом образца возбуждающим излучением, не было Ne-гейслеровской лампы, используемой для калибровки монообнаружено. хроматора.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Получение изотопно-чистого поликристаллического кремния и исследование его свойств Список литературы [1] T. Gebale, G.W. Hull. Phys. Rev., 110, 773 (1958).

[2] M. Asen-Palmer, K. Bartkowski, E. Gmelin, M. Cardona, A.P. Zhernov, A.V. Inyushkin, A. Taldenkov, V.I. Ozhogin, K.M. Itoh, E.E. Haller. Phys. Rev. B, 56 (15), 9431 (1997).

[3] T.R. Anthony, W.F. Banholzer, J.F. Fleisher, L.H. Wei, P.K. Kuo, R.L. Thomas, R.W. Prior. Phys. Rev. B, 42 (2), 1104 (1990).

[4] L.H. Wei, P.K. Kuo, R.L. Thomas, T.R. Anthony, W.F. Banholzer. Phys. Rev. Lett., 70 (24), 3764 (1993).

[5] W.S. Capinski, H.J. Maris, E. Bauser, I. Silier, M. Asen-Palmer, T. Ruf, M. Cardona, E. Gmelin. Appl. Phys. Lett., 71 (15), 2109 (1997).

[6] T. Ruf, R.W. Henn, M. Asen-Palmer, F. Gmelin, M. Cardona, H.J. Pohl, G.G. Devyatych, P.G. Sennikov. Sol. St. Commun., 115 (5), 243 (2000).

28 29 Рис. 2. Зависимость частот фононов изотопов Si, Si, Si и [7] K. Heydorn, N. Hegaard. Chemometrics and Intelligent nat кремния с естественным изотопным составом Si от средней Laboratory Systems, 23 (1), 191 (1994).

атомной массы (точки). Сплошная линия — функция M-1/2.

[8] M.L. Kozhukh. Nucl. Instr. Meth. A, 329 (3), 453 (1993).

[9] M.G. Gornov, O.M. Grebennikova, Y.B. Gurov, M.A. Morokhovets, K.N. Neimark, B.P. Osipenko, V.V. Fedorov, E.S. Yurova. Instr. and Experim. Techniques, 33 (3), (1990).

энергии фононов изотопически чистых образцов имеют [10] А.Н. Ерыкалов, Е.И. Игнатенко, М.Л. Кожух, А.В. Лиожидаемую зависимость от величины средней массы.

товченко, Ю.В. Марков, Ю.В. Петров, Атом. энергия, Полученный путем пиролиза кремний не является (1), 558 (1988).

совершенным монокристаллическим материалом. Это [11] J. Spitzer, T. Ruf, M. Cardona, W. Donhl, R. Schorer, обстоятельство должно проявиться в ширине фононных G. Abstreiter, E.E. Haller. Phys. Rev. Lett., 72 (10), (1994).

линий. Действительно, рамановский спектр натурального [12] A.I. Chumakov, R. Ruffer, O. Leupold, A. Barla, H. Thiess, монокристаллического кремния представлен на рис. T. Asthalter, B.P. Doyle, A. Snigirev, A.Q.R. Baron. Appl. Phys.

узкой и симметричной по форме линией. В то же время Lett., 77 (1), 31 (2000).

28 рамановские спектры изотопов Si, Si существенно [13] C.S. Rogers, A.T. Macrander. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, уширены, и, кроме этого, линия изотопа Si имеет также 335 (3), 561 (1993).

асимметричное плечо, простирающееся в низкочастот- [14] A. Dimauro, A. Ljubicic, E. Nappi, G. Paic, F. Piuz, F. Posa, R. Ribeiro, T. Scognetti. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, ную сторону. Известно, что присутствие дефектов в кри(1), 323 (1994).

сталлической структуре приводит к нарушению правила [15] B.C. MacEvoy, A. Santocchia, G. Hall. Physica B, 274 отбора для волнового вектора k = 0 для фононов в (1999).

рамановском спектре 1-го порядка, что в конечном итоге [16] G. Gasse, P.P. Allport, M. Hanlon. IEEE Trans. Nucl. Phys., должно вести к уширению рамановских линий. Мы при47 (3), 527 (2000).

писываем дополнительное уширение фононных линий [17] P. Kuijer. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 447 (1–2), в изотопах Si эффектам беспорядка в кристаллической (2000).

[18] Ю.В. Тарбеев, А.К. Калитеевский, В.И. Сергеев, Р.Д. Смиррешетке. Можно показать, что рамановские линии в нов, О.Н. Годисов. Метрология, 31 (3), 269 (1994).

разупорядоченных образцах должны иметь также плечо [19] Е.И. Абакумов, В.А. Баженов, Ю.В. Вербин, А.А. Влав сторону низких энергий, которое описывается спексов, А.С. Дорогобед, А.К. Калитеевский, В.Ф. Корнилов, тральной функцией, основанной на расчетах по методу Д.М. Левин, Е.И. Микерин, А.А. Сазыкин, В.И. Сергеев, когерентного потенциала [23].

Г.С. Соловьев, Атом. энергия, 67 (4), 255 (1989).

[20] V.I. Sergeev, A.K. Kaliteevsky, O.N. Godisov, R.D. Smirnov.

Таким образом, в работе получены образцы изотопноProc. 5th Int. Symp. on the Synthesis and Applications чистого кремния, и их частоты рамановского рассеяния of Isotopes and Isotopically Labeled Compounds, ed. by света соответствуют ожидаемым величинам. РазработанJ. Allen, R. Voges (J. Wiley & Sons Ltd. London, 1995).

ная технология (при незначительной модификации имею[21] A.K. Kaliteevsky, O.N. Godisov, V.V. Kuraev. Proc. 6th Int.

щихся мощностей) позволит получать изотоп кремния Symp. on the Synthesis and Applicatoins of Isotopes Si в количествах, соответствующих сотням килограм- and Isotopically Labeled Compounds, ed. by J.R. Heys, 29 D.G. Melillo (J. Wiley & Sons Ltd, London, 1998) p. 683.

мов, а изотопы Si и Si в килограммовых количествах.

[22] E. Anastassakis, A. Pinczuk, E. Burstein, F.H. Pollack, Авторы благодарят А.Н. Ионова, К.Л. Муратикова, M. Cardona. Sol. St. Commun., 8, 133 (1970).

[23] H.D. Fuchs, C.H. Grein, R.I. Devien, J. Kuhl, M. Cardona.

В.М. Устинова и Х.-И. Поля за полезные обсуждения, Phys. Rev. B, 44, 8633 (1991).

а также И.Н. Гончарука и А.Н. Смирнова за рамановские Редактор Н.М. Колчанова измерения.

2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 916 О.Н. Годисов, А.К. Калитеевский, В.И. Королев, Б.Я. Бер, В.Ю. Давыдов, М.А. Калитеевский...




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.