Способ получения кремния -типа проводимости

сесе ви й воз Советских Оцйаинстнчбскнх Республик(31) 552621 53) УЛ 1 621 315 .592(088.8) бликовано 0707,80. Бю тень М 2 ата опубликования описания 1007,80 Авторыизобретения ностранцыПлатцедер, Хананйред Шнеллвр(ФРГ) х Райнфельд аас, Ка ностранная фирм "Сименс АГ" (ФРГ)) Заявител 4) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ п-ТИППРОВОДИМОСТИ Иэ статьи (1) известно, что кристаллы кремния, обладающие однороДиой проводимостью, могут быть изготовлены путем облучения тепловыми нейтронами, причем имеющийся в кремнии при родный изотоп 30 переходит при пр нятии теплового нейтрона и отдачи ) -излучения в нестабильный изотоп 3который при В - излучении с периодом полураспада 2,62 часа переходит в стабильный изотоп ФосФора 31 Р При так называемом радиогенном легировании кремния по реакции1 5 3 31 в, 31 о Изобр получени ти с тар удельног ниятем облук способу проводимос рофиля сопротивле авлении пу ейтронами. ание полуллбв кремих полупрооторых в имеются со(ротивчения ния д водни их ра очень ления Для изготовления специальных поводниковых элементов, как напризапирающих силовых тиристоровшой площади, в которых стремятсяместить лавинный пробой с краяна его середину, желательнокристаллы кремния, которые при однородном р в середине диска, имеют в краевой зоне повышение удельного электрического сопротивления (тарельчатой формы - профиль распределения удельного сопротивления диска кристалла кремния). Это означает то, что распределение легирующей примеси в радиальном направлении в кразонах кристалла кремния ниже повнению со средними зонами. 08 (п, У) - стая вэаимоэави полного затухания выгоранием ительности)сфосфора в имеется симость ни я 31, ф 30 из г нейтронов в ек.уия в секундах получение тального сопро- направлении с 25 ельчато ивления ристалл евыхр а етение относится я кремния и-типа ельчатой формой и о электрического в радиальном напр чения тепловыми н щем существует жел тержней монокристаизготовления из н вых элементов, в к альном направлении днородные значения следующая про(при условии и пренебреже за его незнач 2 0 10 "ф концентзация атом/см поток теплов нейтрон/см. время облуче иэобретения -го профиля уд в радиальном(. той Е(елью предложено кристалл в процессе облучения вращать вокруг его продольной оси и направлять в его середину более интенсивный или менее интенсивный поток нейтронов, чем на его края. Интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы или испог 5 ьзования мишени требуемого профиля или облучают кристалл в зоне реактора с нелинейным градиентом потока нейтронов.Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1-9 изображены примеры поведения кристалла кремния н нейтронном поле.Согласно Фиг, 1 во время нейтрон ного облучения перед вертикально закрепленным стержнем кристалла кремнияустанавливают щелевидную диафра,-му.и кристалл кремния 1 приводят но вращение вокруг его продоль- Я ной оси н направлении стрелки 3. При этом примсняется перемещаемая по ширине щели диафрагма 2, сделанная из кадмия толщиной 1 мм из боратного стекла, При вращении кристалла кремния 1 средние части 4 находятся постоянно н зоне параллельного или слабо расходящегося луча нейтронов 5, Краевые зоны 6 кристалла кремния 1 облучаются меньше, поскольку они находятся под воздействием только рассеянных и диффундиронанных нейтронов, Б результате этого создается, как видно иэ фиг. 1, повышение сопротивления кремния. При этом р -профиль зависит от установленной ширины диафраг-З мы, При применении диафрагмы из кадмия толщиной 1 мм происходит почти полное поглощение нейтронов.Во втором случае, как показанс на фиг. 2, в соответствии с примером об лучение кристалла кремния 1 производят н реакторе, например, в реакторе типа Свимминг-Поол (пул), который на фиг. не изображен, Облучение происходит в зоне с градиентами потока при вращении кристалла кремния 1 нокруг своей продольной оси в направлении стрелки 3, Часть луча нейтронон 5, которая проходит больший путь в воде7, теряет свою интенсивность. В результате вращения, как и в случаефиг, 1, получают ротационно-симметричный -профиль с подъемом в наружных зонах, показанный на Фиг. 3.фиг. 4 изобракает характеристикупотока нейтронов в кристалле кремния 1 в нейтронном поле с нелинейными градиентами потока. При этом по оси абсцисс отложено расстояние кристалла кремния 1 от поверхности сгорания стержня в см, пс оси ординат - щотносительная концентрация тепловых нейтронов.В другом варианте предмета изобретения предусматривается так же полуЕчение р -профиля путем управляемого;)К)Н(.НИ ЛУЕ. ЕаИЕ р (.ЪЕ.)ЯЕЕ 1 Оиз бь)ср 5 Ях не)й)Ч)еЕ(5 г Еас;нд 5 ичиз кристлла Еемни я и мипни . 511)иэтом мишень следует выполнять в нидеэмедлителя. 1 -про(ил- получают благодаря тому, что э счет геометриимишени на краю создается меньшее замедление, В качестве мишени можетслужить, например, парафин, графитили тяжелая вода,Этот вариант показан на Фиг. 5,где облучаемый кристалл кремния 1помещен н трубку 8 и на своей наружной поверхности покрыт, хотя бы частично, поглощающим нейтроны материалом, причем каждая из его торцовыхсторон закрыта, хотя бь частично, поглощающим нейтроны дисками 9 и 10, которые н середине имеют отверстия 11 и 12 соотнетстненно желаемому -про(илю. В качестве поглощающего нейтроны материала может служить боратное стекло, карбид бора, нитридбора, окись кадмия и листовой кадмийи/или искусственные материалы, как,например, полиэтилен с добавлениемсоединения гадолиния или силикононыйкаучук, которые наносятся на ссответственную поверхность. Между источником нейтронов 6 и поглощающими дисками 9 и 10 размещены диафрагмирующие трубки 13 и 14 иэ кадиия или боратного стекла, подобранные по размеру отверстия поглощающих дисков, Выполнение Р -профиля зависит от раэ - личной длины диафрагмирующих трубок 13 и 14, от их внутреннего диаметра и различной толщины поглощающего материала. Это устройство (см, фиг. 5) для легиронания Фосфором посредствомоблучения нейтронами монтируется нреакторе, который на рисунке не изображен.Изображенное на Фиг, 5 устройствоможет быть ныполнено, как показано на фиг, 6. Здесь для облучения дисков кремния 15 (причем на рисунке изображена заполненной только одна камера), применяется открытая с двух концов трубка 8 с незсущими элементами для дисков кристалла кремния, которые могут быть выполнены иэ поглощающего нейтрона материала в виде колец 16, Эти элементы размещаются на внутренней поверхности трубки 8 на соответственном расстоянии друг от друга. Используемый материал может иметь больший коэффициент поглощения по сравнению с материалом трубки.Путем изменения геометрии поглощающих частей может дополнительно изменяться получение атомон фосфора. При толщине поглощения,например, 1 мм (кадмиевый лист) можно снизить тепловую часть потока нейтронон до значения ниже 1/10,000.На фиг. 7 представлен другой вариант изобретенного способа, в котором поглощающее покрытие 17 нанесено)( +Ь,)(я+с( ) агссс 1 =агсс Ь,) (Ь -Х) с( Уфд ) обл ния обия 1 о вемн а 1,про- диафчен гмы 20; яется иль Е(г) ех углов мния 1) . ый легированный пр путем усреднения ащение кристалла к 214 О Г расчет былормы щелейдиусом 25 ммись две одиие абсолютни легированзамены плотв обычном яипров еде нстержняПри этоаковые сиго значеня можно иОСТИ ПОТОравнении ялуа о=о, оа апп 1 аппЬ 1+ Х3 3 с( + 8 1 - Х( )( 100 )Численный пример: для реакции 308 (п Ь,- 1 ССС 1 П --10 И ПОЛНОГО Эа с еет место на поверхность кремния и которое может равномерно перемещаться вдольстержня кристалла кремния 1 в направлении 18. При этом Я-профиль можетизменяться по длине поглощающего покрытия. Поглощающее покрытие 17, состоящее, например, из кадмиевого листа толщиной 1 мм, перемешается вдольстержня из кристалла кремния 1 во время облучения таким образом, что любой участок поверхности покрытиястержня кристалла кремния 1 остаетсяодинаковое время закрытым поглощающим покрытием. Благодаря тому, чтокаждая краевая зона кристалла кремния 1 при равномерном движении поглощающего покрытия 17 вдоль стержнякристалла кремния 1 имеет равные условия облучения, создается желаемыйтарельчатый Я -профиль (см.фиг.З).Можно также во время облучения нейтронами перемещать вместо поглошающего покрытия 17 стержень кристаллакремния 1,Ниже изобретение поясняется дополнительно с помощью фиг. 8 и 9 ипримера, где на фиг. 8 изображено всхематическом виде устройство в соответствии с предметом изобретения,состоящее из системы с двумя диафрагмами, перед стержнем кристалла кремния, а на фиг. 9 показано устройство 30из нескольких систем диафрагм, устанавливаемое с наружней поверхностиучаемого стержня кристалла кремИз Фиг. 8 можно видеть, чт лучаемом стержне кристалла кр можно различить три зоны (зон ограничение угла видимостиводится исключительно за счетрагмы 19; зона 2, угол ограни кромкой диафрагмы 19 и диафра зона 3, ограничение осуществлтолько диафрагмой 20) .Предложив изотропное распределение нейтронов в пространстве 21, отношение плотности потока нейтронов в точке (Х, У) (в стержне кристалла кремния 1) к плотности потока нейтронов в пространстве 21 задано углом видимости Ф/2 У, Расчет соответственно трем возможным случаям следует проводить раздельно.Зона 1: гЬ,Ь (д,ф) Огс оп Ь -х 2 - - ---- - апс 1 ап2 Д ,82 Ь- -(-Д;.1 При переводе в полярник копании,1 х = г совРу = г зспРФ-а сФ =агссапГ 12 д Гапрс(2-Ь 21 ХФ Ь 1 -Ь 2 ХС 1 ГСЬЧП - аГСЫП Я Д Чфд(Ь ф Ь 2 + Х(с(2-М 1)+ Ь(д +Ь 2 д- .аГССС 1 П Ц.9( (, (,).(Ь,-Ь,)М,.),-Ь,Ь ссап г 1 пР(Ь 11 Ь 2 Ф гсОЗР(с 12 01)+Ьд + г 21 гз 1 лР(с( д )1 гсозР(Ь,-Ь )+д,д -Ь,ь 2цифровойразличной фсталла с рапредполагалмы. Полученкон,ентрацичить путемнейтронов ФФ = й(г),Кроме точто при расглошение маслучае, когт е Ъ всехматериал диприбавлениевычисленнымактивации слслучаече о, необходимо .учитывать,ете принималось 100 поериалом диафрагмы. В тома 100 поглощения нет,нейтронов проходит черезрагмы, то это означаетпостоянной функции к Упрофилям. В уравненииедует заменить в этомезЭто соответствовало бы снижению щлегирования на 353 от центра к краю,где Ср - концентрации фосфора ватом/см;ф - поток тепловых нейтронов в онейтрон/см.сек.1 - время облучения в секундах 1х - пропускаемость материалабленды в В;Е(Г) - фактор зкранирования (см.текст),)5Возьмем для примера:Ф з 5 10 1 : 10 сек, х0полуоткрытое отверстие диафрагмы 19: Ь. = 10 ммполуоткрытое отверсРОтие диафрагмы 20: Ь = 5 ммрасстояние от сере 2дины стержня кристалла кремния до дифраг 19 д,= 30 ммрасстояние от середины стержня кристаллакремния до диафрагмы 320: б = 25 мм2Для коэФФициента поглощения полу- ЗО чаем тогда:радиус (м) Путем подбора других систем диафрагм или другого материала диафрагм (с меньшим поглощением) зто значение можно легко изменять в широких масштабахЕроме того, не исключается воэмож" ность проведения однородногооблучения нейтронами кристалла кремния с последующим, дополнительными его облучением,формула изобретения1. Способ получения кремния и-типа проводимости путем облучения монокристалла потоком тепловых нейтронов,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью получения тарельчатого профиля удельного сопротивления в радиальном направлении кристалла, последний в процессе .облучения вращаютвокруг продольнсй оси и направляютв его середину более интенсивный илименее интенсивный поток нейтронов,чем на его края.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы,3, Способ по п. 1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого нъкристалл, изменяют путем испольэова"ния мишени требуемого профиля.4. Способ по и, 1, отличающ и й с я тем, что кристалл облучаютв зоне реактора с нелинейным градиентом потока нейтронов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1,Д, Е 1 есросЬещ, Яое., 1961,108, р. 171-179 (прототип).747403 Составитель Техред М. Петко Корректор И Редактор Л. Кура аказ 3981/55 илиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 80 ЦНИИПИ Госу по делаъф 3035, МоскваПодписноественного комитета СССРобретений и открытий