Распределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния - Физика и энергетика дипломная работа

Главная

Физика и энергетика
Распределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния

Расчёт компоновки загрузки из полупроводникового и металлургического кремния для выращивания мультикремния. Количественный химический анализ слитков мультикремния. Анализ профилей распределения примесей в слитках в приближении перемешивания расплава.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Иркутский государственный университет»
Выпускная квалификационная работа бакалавра
Распределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния
по направлению 03.03.02 Общая физика
направленность (профиль) «Физика конденсированного состояния»
1. Физико-химические основы прямого получения кремния для солнечной энергетики
1.2 Выращивание мультикристаллического кремния
1.3 Электрофизические свойства кремния для солнечной энергетики
1.4 Растворимость примесей в кремнии
1.5 Физико-химическое моделирование
2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой
3.1 Описание ростового процесса мультикристаллического кремния
3.2 Элементный анализ слитков мультикристаллического кремния методом масс-спектроскопии ИСП-МС
4.1Постановка задачи на нахождение эффективных коэффициентов распределения примесей
4.2 Постановка задачи на нахождение физико-химического анализа распределения примесей в кремнии
5.1Расчёт эффективных коэффициентов распределения примесей
5.2 Построение физико-химической модели распределения примесей в кремнии
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Диапазоны измерения концентраций примесей, характеристики погрешности
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Распределение примесей в слитке №1
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Распределение примесей в слитке №2
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Распределение примесей в слитке №3
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Распределение примесей в слитке №4
На сегодняшний день мультикристаллический кремний (mc-Si) считается базовым материалом для солнечных элементов. Цена полупроводникового кремния является основным фактором, сдерживающим рост солнечной энергетики. С этой точки зрения наиболее перспективным является рафинированный металлургический кремний (UMG-Si) с долей основного вещества примерно от 99,9 ат.% до 99,999 ат.% по мере приближения к областям твёрдых растворов примесей в кремнии [1,2]. Одним из ключевых вопросов является знание предельно допустимых для рафинированного кремния концентраций примесей, обеспечивающих заданные свойства получаемого из него материала. В ходе направленной кристаллизации металлургического кремния происходит сегрегация и формирование макро- и микроструктуры слитка. Особенности тепломассопереноса, заданные параметры ростового процесса, влияют на значение эффективного коэффициента распределения примеси.
В связи с этим целью настоящей работы является:
Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности очистки исходного металлургического кремния при выращивании на его основе мультикристаллического кремния с заданными свойствами.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Расчёт компоновки загрузки из полупроводникового и металлургического кремния для выращивания мультикремния с УЭС > 0,5 Ом*см и проводимостью p-типа.
2. Количественный химический анализ слитков мультикремния с помощью ИСП-МС.
3. Анализ экспериментальных профилей распределения примесей в слитках в приближении полного перемешивания расплава.
4. Физико-химический анализ перераспределение примесей при направленной кристаллизации кремния с помощью программного комплекса «Селектор», реализующего метод минимизации свободной энергии Гиббса.
Преддипломная практика пройдена в институте геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории «Физики монокристаллов».
1. Физико-химические основы прямого получения кремния для солнечной энергетики
Отношение к полупроводниковому кремнию, как к коммерческому продукту, применимому в производстве основной массы ФЭП на основе mc-Si и sc-Si, стало причиной высокого интереса к проблеме доступности исходного кремния высокой чистоты[3]. Помимо этого, в мире, несмотря на развитие солнечной энергетики и высоких ресурсозатратах хлорсилановых способов получения кремния, одной из основных проблем является также его цена. Рентабельность производства ФЭП определяет доступность и стоимость исходного кремния. Стоимость кремния зависит от долиего основного вещества в нём табл. 1.Примерная цена на рафинированный металлургический кремний не более 3 $/кг, а на кремний полупроводникового качества может достигать около 200 $/кг.
Доля основного вещества в различных типах кремния (ат.%)
Рафинированный металлургический (НР1-Si)
В обзорах [4,5,6,7,8]приведены способы очистки, включающие в себя один из следующих процессов или их комбинации:
1) Восстановление из диоксида кремния углеродом. Данный процесс основывается на реакцииSiO 2 +2C=Si+2CO, которая используется для производства кремния дуговой печи металлургического качества. Чистота данного кремния достигает98-99%, но порой95%. Чтобы минимизировать наличие вредных и трудноудаляемых примесей на начальном этапе карботермического восстановления кремния необходимо использовать либо природный чистый, либо очищенный выщелачиванием, кремнезём или кварц, который отчищают углеродной сажей, либо гранулированным активированным углеродом высокой чистоты в специальных дуговых печах с использованием очищенных электродов. В электротермических печах, при температурах порядка 2000-2200 0 С (при данной температуре протекает процесс карботермического восстановления), происходит насыщение кремния углеродом до 300-500 ррm, что является основной проблемой при выращивании полупроводникового кристалла на основе высокочистого металлургического кремния В результате на данной стадии очищения достигается лишь некоторая базовая степень чистоты кремния (НР1).
2) Кислотное выщелачивание. Данный способ представляет из себя следующие: металлургический кремний размельчают в порошок с размером частиц ~70 мкм или менее; получившейся порошок обрабатывают различными кислотами (HCl, HF) с целью раствора металлических кластеров, которые стали доступными в ходе измельчения в порошок, но при это неэффективно удаляются примеси, растворенные внутри зёрен. Достигаемая чистота данным способом 99,9-99,97%, категории НР1.
3) Газовая продувка расплава. За счёт продувки газами кремния, может быть достигнут уровень чистоты 99,99%, категории НР2.Газы реагируют с примесями, растворёнными в кремнии, и образуют летучие соединения, которые испаряются из расплава. Используются газы такие как: Cl 2 , O 2 , SiCl 4 и др., а также их комбинации. Данным способом эффективно удаляются примеси такие какAl, Ca, C, Mg, Fe, B и Ti.
4) Плазменное рафинирование. Заключается данный способ в плавлении приповерхностного слоя кремния и активизации газов (водяных паров, аргона, водорода, кислорода). За счёт реакции газов с примесями в расплаве, образуются летучие соединения, такие какгидриды, оксиды. Этим методам могут быть удалены металлы, легирующие примеси.
5) Перегрев и вакуумирование. С расплава в вакууме через его свободную поверхность удаляются примеси с упругостью паров выше, чем у кремния.
6) Шлакование. Флюс (CaCO 3 -BaO-MgO, Al-SiO 2 , CaF 2 -SiO 2 и др.) имеет высокое сродство с нежелательными примесями. При смешивании кремния с флюсом образовывается устойчивое соединение флюса и примеси, которое может быть отделено от кремния фильтрованием через сетку, кислотным выщелачиванием. Примером для данного метода служит погружение размельчённого кремния в металл с низкой точкой плавления, например,Al. При температурах ниже плавления кремния (1100 0 С), кремний может быть целиком расплавлен образованием эвтектики Si-Al. Сформировавшиеся в процессе охлаждения, преципитаты кремния, отделяются от жидкого алюминия за счёт фильтрования через сетку. Образовавшиеся гранулы кремния удаляются от алюминия кислотным выщелачиванием.
Плюсы всех выше перечисленных методов в том, что они не требуется изменение агрегатного состояния, поэтому необходимо на данной стадии получить максимально чистоту кремния.
е) Направленная кристаллизация В ходе выращивания кристалла из расплава образуется сегрегация примесей. По завершению процесса выращивания mc-Si методом Бриджмена большинство примесей скапливается в тонком слое вблизи внешней поверхности слитка, а при выращиванииsc-Si методом Чохральского примеси остаются в тигельном остатке, так как имеют коэффициенты распределения меньше единицы.
1.2 Выращивание мультикристаллического кремния
На сегодняшний день нет теории кристаллизации, в которой могло быть учтено частное выражение теории фазовых переходов с учётом всех особенностей кристаллического состояния. Каждая из них использоваться только в узкой области практики кристаллизации и объясняет только одну сторону процесса, например, адсорбционную, диффузионную, дислокационную и т.д.
На основе приближения межфазной кинетики роста кристалла на атомно-шероховатой поверхности принято считать, что процесс продвижения фронта кристаллизации описывается гидродинамикой расплава и сопряжённым теплообменом с твёрдой фазой, границу которой определяет некая изотерма фазового перехода [9]. То есть при разработке основ управления процессом роста кристалла используют численное моделирование гидродинамики и сопряжённого теплообмена. С помощью чисел Pe, Gr и Sc для горизонтального варианта метода Бриджмена рис.1, показано влияние конвекции, обусловленное различными типами продольной макросегрегации примеси.
Рис.1 Области различных типов продольной макросегрегации при направленной кристаллизации (горизонтальный вариант метода Бриджмена) в плоскости безразмерных параметров: конвективный теплоперенос Gr·Scскорость роста Ре[9]: а) k eff =1, чисто диффузионный перенос; б) k eff ? k 0 , полное конвективное перемешивание; в) k eff ? k 0 , полное перемешивание за счёт диффузии на предельно низкой скорости роста; г) k 0 a+). Растворимость примесей ряда железа в кремнии находятся ниже 10 17 см -3 . Это затрудняет экспериментальное определение температурной зависимости растворимости примеси.
Рис.4.Диаграмма состояния в области микроконцентраций примеси в полупроводниковом кремнии, где «L» - линия ликвидуса.
Ионизация примесных атомов в области микродиаграммы двойной системы зависит от того, что собой представляет полная бинарная система полупроводник-примесь. В случае, если при взаимодействии основы с примесью возникают прочные химические связи, приводящие к образованию новых фаз, то бинарная система может быть выражена диаграммой состояния с одним конгруэнтно плавящимся соединением при полной растворимости в жидком состоянии и частичной растворимости в твёрдом состоянии рис.5, рис., 6, рис.7.
Как видно из приведённых диаграмм, прочная фаза на основе такого соединения ведёт себя как самостоятельный компонент (CrSi 2 , Ni 2 Si, FeSi). По этой фазе двойная система может быть разделена на простые системы Si-Me x Si y и Me x Si y - Me. Следовательно, для такой системы интересующий нас первичный твёрдый раствор «а» (см.рис.4) представляет собой твёрдый раствор в кремнии не Me, а компонента Me x Si y (в равновесии находятся фазы «а» и «Me x Si y »). Пример исследования примесей Mg и Zr в кремнии показывает невозможность использования правила «х-4» для элементов, образующих химические связи с основой (х - число валентных электронов атома примеси), а также раскрывает механизм электронейтрального состояния примесей в кремнии. При границах зёрен или внутризёренных дефектах большинство металлов фактически находятся в форме силицидов, включений. В этом состоянии их рекомбинационная активность слабее, чем в междоузельно растворённом состоянии и порог деградации ФЭП возрастает.
Рассмотрим фазовую диаграммуGe-Si рис.8,в которой неограниченно растворяются друг в друге Geи Siв жидком и в твёрдом состояниях. Оба компонента должны обладать одинаковым типом химической связи и кристаллической решёткой. Тип твердых растворов, образующиеся в таких системах, являются растворами замещения. Здесь обе фазы исчезающая в процессе кристаллизации, и возникающая обогащающаяся в ходе кристаллизации одним и тем же компонентом Ge. Это одновременное обогащение одним и тем же компонентом происходит за счёт одновременно уменьшения количества жидкой, более богатой фазы, более богатойGe. По окончанию процесса кристаллизации имеется только твёрдая фаза. Если процесс кристаллизации происходил в равновесных условиях и процессы диффузии обеспечили выравнивание концентрации Ge в твёрдой фазе, то её состав отвечает составу исходного жидкого раствора.
1.5 Физико-химическое моделирование
Основанное на минимизации термодинамических потенциалов, ФХМ позволяет изучать физико-химические процессы, протекающие в сложных системах, связанных между собой потоками вещества и энергии. Разработанные к настоящему времени алгоритмы минимизации, реализованные в программном комплексе «Селектор». В физико-химических моделях могут учитываться условия, выражающие заторможенные и метастабильные состояния, удержание отдельных компонентов и фаз от распада, управление соотношением твердой и жидкой, жидкой и газообразной фаз и т. д., которые в обычных термодинамических моделях не рассматриваются. ФХМ представляет собой инструмент для интерполяции экспериментальных данных.
Чтобы корректно построить физико-химическую модель, необходимо четко определить независимые параметры состояния, поскольку именно они определяют условия равновесия системы. Независимыми факторами состояния большинства высокотемпературных технологических процессов являются давление и температура, поэтому равновесие в них целесообразно определять с помощью минимума изобарно-изотермического потенциала G (T,P) (свободной энергии Гиббса)[12]. В круглых скобках указаны независимые факторы состояния систем: Т- температура, Р- давление. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет изобарно-изотермический потенциал, с помощью которого условие перехода вещества А из фазового состояния в фазовое состояние может быть записано в виде:
Остальные потенциалы целесообразно рассматривать как функции G(T,P).
Тогда задача минимизации этих потенциалов сводится к решению конечного числа задач минимизации энергии Гиббса. Система будет находиться в равновесии, когда ее функция энергии Гиббса принимает минимальное значение. Для гетерогенной системы из n зависимых компонентов, которая одновременно может включать конденсированные однокомпонентные и многокомпонентные фазы, а также газовую смесь, изобарно-изотермический потенциал можно записать:
где G- эмпирическая функция, заменяющая неизвестное истинное значение энергии Гиббса; R- универсальная газовая постоянная; - эмпирические функции, заменяющие неизвестные истинные значения энергии Гиббса зависимых компонентов системы;- число молей зависимого компонента; - число молей зависимых компонентов в фазе ; P- давление;- коэффициент активности или фугитивности зависимого компонента j в соответствии с принятой системой отсчета .
Система уравнений баланса масс системы:
где - число молей независимого компонента i в одном моле зависимого компонента j;- общее число молей независимого компонента i в системе.
С помощью наложения ограничений на мольные количества зависимых компонентов системы можно детально учесть эмпирическую информацию об особенностях, протекающих в ней процессов, т.е. ставить и решать физико-химические задачи с заранее предопределенной неравновесностью. Тогда условие (1.4) заменяется неравенством:
где и - заданные нижние и верхние ограничения на мольные количества а j-го зависимого компонента.
В изобарно-изотермических условиях равновесный состав системы находится минимизацией непрерывной скалярной функции (1.3) на множестве ограничений, задаваемых уравнениями баланса масс (1.4) и условиями (1.5):
Верхняя крышечка над обозначает оптимальное решение.
Действительные значения неизвестны и не могут быть определены экспериментально или рассчитаны теоретически. В практических расчетах используются функции, заменяющие значения в выбранном стандартном состоянии и системе отсчета, такие, чтобы замена не влияла на конечный результат вычислений. Эта задача сводится к замене в выражении
G (T, P) =H (T, P)-TS (T, P) (1.7)
неизвестной абсолютной функции энтальпии на приращение энтальпии, которое может быть определено на основании обработки данных калориметрии. Функции образования соединений из простых веществ дают возможность расчета тепловых эффектов химических реакций; выполнение условия вида (1.2), позволяет использовать энергию Гиббса образования в расчетах минимизацией
Для измерения удельного электрического сопротивления на пластинах продольного и поперечного распила mc-Si используется прибор «РОМЕТР», принцип работы которого основан на четырёхзондовом методе. Главный элемент этого прибора зондовая головка, с линейным расположением зондов на расстоянии 1,3 мм друг от друга. УЭС вычисляется исходя из величины электрического тока, пропускаемого через крайние зонды головки, а также из значения разности потенциалов для средних головок.
В установке «РОМЕТР» уравнение температурной зависимости проводимости полупроводника выражается формулой:
где T- температура образца, E g - ширина запрещённой зоны.
В данной формуле предусмотрен замер температуры образца и введение соответствующей поправки на выдаваемое значение УЭС при отклонении температуры от комнатной.
Для определения подвижности образцов mc-Si в виде пластинок прямоугольной формы, с толщеной 2±0,1 мм, использовалась схема для эффекта Холла (приборная линейка), включающая в себя: установку для контроля типа проводимости (генератор пилообразного напряжения; осциллограф КРС-S500, с функцией двухкоординатного графопостроителя), электромагнит ФЛ-1(Н=8800 Эрстед.) , амперметр М 367, милливольтметр В7-35(0.1-10 мА), источник питания постоянного тока Б5-43(0.1-10 мА), вольтамперометр цифровой Щ-1518 (на уровне десятков и сотен микровольт).
Контакты наносились с помощью In-Ga пасты на торцевые части образца.
Чтобы минимизировать погрешности, измерения проводились при двух направлениях тока и магнитного поля, а измеренные величины усреднялись для четырех пар контактов.
С помощью бесконтактного СВЧ - резонаторного метода (стандарт SEMIMF1535) по кривой релаксации фотопроводимости рис.9осуществляется измерение времени жизни ННЗ.
Рис.9. Нарастание и спад фотопроводимости, соответственно, при включении и выключении фотовозбуждения.
Полученное из измерения значение t ннз ,называется эффективным временем жизни ННЗ. Объёмное время жизни находится из соотношения:
где ф V - объёмное время жизни, ф S - время поверхностной рекомбинации. Причём вклад от поверхностной рекомбинации можно разделить на две составляющих: диффузию и собственно поверхностную рекомбинацию:
где D - коэффициент диффузии ННЗ, S-скорость поверхностной рекомбинации, d - толщина образца. Изменение величина ф sr сильно влияет на эффективное время жизни. Для получения точного значения ф V существуют три подхода:
1) Устранение поверхностной рекомбинации. Из условия ф eff ? ф V , добиваемся для ф S пренебрежимо малого значения, за счёт окисление и/или пассивация поверхности согласно конкретной методике.
2) Использование поверхностной рекомбинации. Для выполнения условия ф s r =0, за счёт ухудшения поверхности, добиваются бесконечного значения S. Тогда из формул (2.2) и (2.3):
3) Измерение скорости поверхностной рекомбинации. Данный способ основан на использовании нескольких источников света, имеющих различный коэффициент поглощения в объёме полупроводника б. Здесь наблюдается различное влияние процессов поверхностной рекомбинации на результат измерения эффективного времени жизни. Объёмное время жизни ННЗ находится за счёт экстраполяции результатов измерения ф eff и б.
Для устранения влияния высших гармоник, точкой отсчёта для определения эффективное время жизни будет 0,7 сигнала фотопроводимости. В программе на лабораторной установке «ТАУМЕТР-2М» ( который, осуществляет генерацию избыточных носителей заряда за счёт воздействия на измеряемый образец полупроводника импульсным лазерным излучением), объёмное (точнее скорректированное эффективное) время жизни в программе, рассчитывается по формуле (2.4).
2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой
Масс-спектрометрия, в отличие от других физико-химических методов, имеет дело с самими частицами вещества. В основном объектами анализа в масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) являются водные растворы. Для анализа твёрдых проб возникает необходимость в их растворимости кислотами. Исследуемый раствор подает в распылитель, в котором потоком аргона превращается в аэрозоль. Аэрозоль через центральный канал плазменной горелки попадает в плазму, где под воздействием высокой температуры вещества, содержащиеся в пробе, диссоциируют на атомы, которые затем ионизируются. Образовавшиеся положительно заряженные ионы проходят через систему ионной оптики в анализатор, где происходит фильтрация ионов по массе и детектирование интенсивности ионного потока. Полученный сигнал трансформируется в зависимость интенсивности от величины m/z.
Рис.10 Типичная блок-схема масс-спектрометров с индуктивно-связанной плазмой.
Типичная блок-схема масс-спектрометров с индуктивно-связанной плазмой состоит из: ионного источника, состоящего из плазменной горелки и индуктора, создающих с помощью высокочастотного генератора разряд индуктивно связанной плазмы, позволяющей получать атомные ионы аналита; системы ввода пробы, преобразующей образец в аэрозоль и переносящую его в плазму разряда; вакуумной системы, создающую условия для беспрепятственного движения ионов через ионную оптику и масс-анализатор к детектору; компьютер.
Масс-спектрометр высокого разрешения с ионизацией в индуктивно-связанной плазме ELEMENT 2
Данный прибор хорошем тем, что за счёт в конструкции двойной фокусировки, комбинирующей магнитный и электростатический анализаторы (по схеме прямой или обратной геометрии Нира-Джонсона), устраняется большое количество изобарных и полиатомных интерферирующих наложений. Схема ELEMENT 2 показана на рис.11.
Рис.11. Схема масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой ELEMENT 2: 1 - ИСП источник ионов; 2 - интерфейс с сэмпл- и скиммер-конусами; 3 - X, Y -отклоняющие линзы; 4 - фокусировка пучка ионов на входную щель; 5 - входная щель; 6 - электромагнит; 7 - электростатический анализатор; 8 - выходная щель; 9 - конверсионный динод; 10 - электронный умножитель[13].
В ELEMENT 2, как и в стандартном квадрупольном приборе низкого разрешения присутствуют: источник ионов, интерфейс для их отбора, система линз ионной оптики. Специальная система линз формирует пучок ионов и фокусирует его на входную щель масс-анализатора. Затем, в соответствии с обратной геометрией Нира-Джонсона, в поле электромагнита ионный пучок диспергируется по массе и энергии, фокусируется на выходе, а затем, проходя через электростатический анализатор, "отфильтровывается" по энергии ионов с его повторной фокусировкой на выходную щель. Таким образом достигается высокое масс-спектральное разрешение, которое позволяет отделить ионы анализируемого вещества от спектральных интерференций по разнице их точных масс.
3.1 Описание ростового процесса мультикристаллического кремния
При выращиванииmc-Si методом Бри
Распределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния дипломная работа. Физика и энергетика.
Реферат по теме Создание и обработка динамического списка
Дипломная работа по теме DIP-монтаж
Курсовая Работа На Тему Анализ Финансовой Устойчивости Оао "Оскольский Завод Металлургического Машиностроения"
Реферат: Воздействие электромагнитных лучей на организм человека и способы борьбы с ними
Контрольная работа: Право на жизнь в Российской Федерации
Реферат: Философия Альберта Камю
Контрольная работа: Задача по бухгалтерскому учету 4
Практическая Работа По Основам
Легко Ли Быть Ребенком Мини Сочинение
Сочинение Про Уинстона Черчилля На Английском
Реферат по теме Основные понятия о нефти
Курсовая работа по теме Інститут третіх осіб
Курсовая работа по теме Методи пошуку та відбору артиста його персональним менеджером
Курсовая работа по теме Информатика
Налог на прибыль организации
Реферат Происхождение И Эволюция Человека
Курсовая работа по теме Технология производства древесностружечных плит
Реферат: Основы информатики. Скачать бесплатно и без регистрации
Трагедия Беслана Сочинение
Контрольная работа по теме Диалектика и ее альтернативы
Инфекция мочевыводящих путей - Медицина презентация
Право как отрасль права - Государство и право реферат
Разработка концепции современного конкурентоспособного кафе, оснащение торгово-технологическим оборудованием и организация его бесперебойной работы - Менеджмент и трудовые отношения дипломная работа