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. Сущность изобретения: в способе нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающем циклическое облучение нейтронным потоком по дозно-временному регламенту контейнера со слитком 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. Операции облучения и измерения повторяют до получения требуемых электрофизических параметров у кремния, а время каждого последующего облучения определяют по формуле t_факт=(t₁+t_i), где t_i=0,7t - первый цикл облучения; t_i=(ф_о-ф_i)/ϕ_т(o)- последующие циклы облучения; где t_факт - фактическое время облучения слитков кремния при циклическом облучении, с; t₁ - время облучения слитков кремния за 1-й цикл облучения, с; t_i - время облучения слитков кремния за i-й цикл облучения, с; t₀ - теоретически расчетное время облучения слитков кремния для набора расчетного флюенса, с; ф_о - расчетный флюенс облучения для достижения заданных электрофизических параметров кремния, см^-2; ф_i - флюенс, набираемый слитками кремния при i-м цикле облучения, см^-2; ϕ_т(o)- плотность потока тепловых нейтронов, измеренная перед началом нейтронного облучения кремния, на основании которого рассчитывается t_o(n/см² • с^-1). 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. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 3 табл.

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.

Образование (НТЛ) осуществляется по ядерной реакции [1,4]: при облучении слитков кремния в ядерном реакторе потоком тепловых нейтронов, в результате которой в конечном итоге образуются ядра легирующей примеси фосфора. Распределение этих ядер следует за распределением флюенса тепловых нейтронов по объему слитков кремния. В технологии НТЛ к кремнию предъявляют жесткие требования по точности набора флюенса - 8-10% или менее (количество образующихся ядер фосфора, а в конечном итоге заданное удельное сопротивление НТЛ кремния).

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.

Известен также способ НТЛ кремния [4], включающий перемещение через канал ядерного реактора с постоянной скоростью непрерывно следующих друг за другом контейнеров большой протяженности со слитками кремния. В этом способе контейнеры загружают в канал реактора с одной стороны, а выгружают с другой. Главное и серьезное достоинство этого способа - это почти полное использование объема зоны облучения в канале для легирования кремния. Если пренебречь зазором между кремнием в соседних контейнерах, то получается, что весь объем канала и его зоны облучения заняты кремнием.

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.

Операции облучения и измерения повторяют до получения требуемых электрофизических параметров у кремния, а время каждого последующего облучения определяют по формуле: t_факт=(t₁+t_i), где t_i=0,7t - первый цикл облучения; t_i=(ф_о-ф_i)/ϕ_т(o)- последующие циклы облучения; t_факт - фактическое время облучения слитков кремния при циклическом облучении, с; t₁ - время облучения слитков кремния за 1-й цикл облучения, с; t_i - время облучения слитков кремния за i-й цикл облучения, с; t₀ - теоретически расчетное время облучения слитков кремния для набора расчетного флюенса, с;
ф_о - расчетный флюенс облучения для достижения заданных электрофизических параметров кремния, см^-2;
ф_i - флюенс, набираемый слитками кремния при i-ом цикле облучения, см^-2;
ϕ_т(o)- плотность потока тепловых нейтронов, измеренная перед началом нейтронного облучения кремния, на основании которого рассчитывается t_o(n/см² с^-1).

Кроме того, предлагается первоначальное облучение проводить в течение времени, составляющем 60÷70% от расчетного, а время повторного облучения выбрать из интервала 20÷30% от расчетного.

В заявляемом способе реализуется метод последовательного статистического контроля и анализа процесса облучения кремния в реакторе с помощью контрольных кремниевых шайб, при этом время облучения кремния на каждом последующем этапе экспонирования определяют по предложенной зависимости, которая учитывает значение достигнутых электрофизических характеристик кремния и значения текущего высотного распределения плотности потока нейтронов в зоне облучения непосредственно перед началом очередного цикла облучения. Таким образом удается вести строго контролируемое по величине и во времени облучение кремния. Способ позволяет автоматически учесть влияние стенок контейнера и неоднородность исходных электрофизических характеристик данной конкретной партии кремния на достижение его конечных электрофизических характеристик. Вероятность передозировки кремния практически исключена, т.к. время облучения каждого последующего цикла непрерывно снижается и строго регламентируется. С учетом практики выполнения облучения рекомендуется облучение проводить на первом этапе в течение времени, составляющем 60÷70% от расчетного, а повторное - в течение 20÷30% времени от расчетного. Это исключает возможность передозировки. Кремний, как полупроводниковый материал, характеризуется рядом электрофизических параметров, таких как:
- удельное электрическое сопротивление (УЭС) ρ,
- время жизни неосновных носителей заряда τ,
- подвижность носителей заряда μ,
- концентрация носителей заряда η.
В результате облучения кремния тепловыми нейтронами по ядерной реакции концентрация вносимого при нейтронном легировании фосфора определяется по формуле:
N_p = N_si•K₃₀•σ₃₀•ϕ_т•t,
где N_si - концентрация атомов кремния в исходной смеси изотопов, ат/см² (5•10²²);
K₃₀ - относительное содержание изотопа Si³⁰ (0,031);
σ₃₀- - сечение активации, см² (0,11•10^-24);
ϕ_т- - плотность потока тепловых нейтронов n/(см²•с);
t - время облучения, (с).

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 (ϕ_т) и временем облучения (t), можно управлять количеством образующейся концентрации фосфора (N_p) 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 (ϕ_т) является нерегулируемой физической характеристикой реактора.

Технологическая последовательность нейтронного облучения кремния по выбранному способу проиллюстрирована фиг.1, где поз.1 - облучательный канал реактора типа РБМК-1000, поз.2 - контейнер для облучения кремния, поз.3 - слитки кремния, поз. 4 - контрольные кремниевые шайбы, поз.5 - зона нейтронно-трансмутационного легирования кремния с высотным распределением потока тепловых нейтронов не хуже 1,5%, и заключается в следующем: непосредственно перед загрузкой кремния в реактор на облучение производят сканирование облучательного канала (ОК) по всей высоте активной зоны реактора камерой деления типа КТ-19.

По полученным значениям тока камеры КТ-19 рассчитывают фактическое значение плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны реактора и находят участок облучения (см. фиг.2), где значения (ϕ_т) не превышало бы 1,5%. Длина такого участка [1] (фиг.1) обычно находится в пределах 1000÷1500 мм. В соответствии с длиной полученного участка облучения в канале 1 реактора заполняют контейнер 2 слитками кремния 3 и дополнительно укладывают туда 3 шт. контрольных кремниевых шайб 4, которые облучают по расчетному времени (t₁). По истечении расчетного времени контейнер 2 с кремнием 3 выгружают из канала 1 реактора, извлекают одну контрольную шайбу 4. Производят контроль шайбы 4 и по полученному УЭС рассчитывают следующий режим облучения (время облучения - t₂). Затем вновь загружают контейнер 2 с кремнием 3 и контрольными шайбами 4 в ОК и облучают по расчетному времени (t₂). Выгружают контейнер 2 с кремнием 3 из канала 1 реактора, извлекают вторую контрольную шайбу 4. Производят после отжига контроль шайбы 4 и по полученному УЭС рассчитывают следующий режим облучения (время облучения - t₃). Таким образом, за счет многократного контроля набираемого флюенса в период облучения слитков 3 кремния, без нарушения режима работы реактора, дозно-временные циклы продолжают до тех пор, пока в кремнии не будет достигнут заданный флюенс с точностью до 2%.

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 (ϕ_т(o)) и определено "плато" с радиальным распределением (ϕ_т(o)) не хуже 1,5% (столбец 5).

2. По исходным значениям ρ_исх (столбец 2) и заданным значениям ρ_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 ρ_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 ρ₁, по исходному значению ρ_исх и полученному после облучения ρ₁ 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 ρ₂ по исходному значению ρ_исх и полученному после облучения ρ₂ 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 ρ_кон, рассчитали набранный флюенс ф₃ (столбец 12) облучения за t₁+t₂+t₃=t_факт (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".

Формула изобретения

1. Способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающий 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, отличающийся тем, что вместе с легируемым кремнием в контейнере размещают несколько контрольных кремниевых шайб, облучение периодически прерывают, контейнер извлекают, производят отжиг контрольных шайб и измерения электрофизических параметров одной из них, причем, операции облучения и измерения повторяют до получения требуемых электрофизических параметров у кремния, а время каждого последующего облучения определяют по формуле:
t_факт= (t₁+t_i),
где t_i= 0,7t - первый цикл облучения;
t_i= (ф_о-ф_i)/ϕ_т(o)- последующие циклы облучения;
t_факт - фактическое время облучения слитков кремния при циклическом облучении, с;
t₁ - время облучения слитков кремния за 1-й цикл облучения, с;
t_i - время облучения слитков кремния за i-й цикл облучения, с;
t₀ - теоретически расчетное время облучения слитков кремния для набора расчетного флюенса, с;
ф_о - расчетный флюенс облучения для достижения заданных электрофизических параметров кремния, см^-2;
ф_i - флюенс, набираемый слитками кремния при i-м цикле облучения, см^-2;
ϕ_т(o) - плотность потока тепловых нейтронов, измеренная перед началом нейтронного облучения кремния, на основании которого рассчитывается t_o(n/см² с^-1).

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4