КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИЗОТОПНООБОГАЩЕННОГО КРЕМНИЯ И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

Предполагаемая полезная модель относится к области металлургии, в частности к полупроводниковой металлургии, и касается разработки контейнера для выращивания кристаллов изотопнообогащенного кремния и твердых растворов на его основе, используемых в электронике, например в изготовлении интегральных схем, элементов силовой электроники, детекторов ионизирующих излучений, микро- и наноэлектронике. Изотопнообогащенный кремний имеет более высокую теплопроводность по сравнению с кремнием природного изотопного состава, который является основным полупроводниковым материалом, наиболее широко применяемым в данной области. Благодаря использованию изотопнообогащенного кремния становится возможным уменьшить габариты элементов интегральных схем, улучшить характеристики приборов силовой электроники. Учитывая, что изотопный состав изотопнообогащенного кремния является одной из его важнейших характеристик, возникла необходимость разработки контейнера исключающего изотопное разбавление кремния при выращивании кристалла.
Известен контейнер для выращивания кристаллов изотопнообогащенного кремния, выполненный в виде тигля из кварцевого стекла с природным изотопным составом кремния (см. Р.Becker at. All, The Silicon-28 Path to the Avogadro Constant - First
Experiments and Outlook. // IEEE Trans. Instr. Measurement, v.44, N 2, (1995) p.522) взятый в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что при выращивании кристаллов изотопнообогащенного кремния происходит изменение изотопного состава кристалла из-за химического взаимодействия расплава изотопнообогащенного кремния с кварцевым стеклом тигля. В результате этого кремний с природным изотопным составом, содержащийся в материале тигля, поступает в расплав изотопнообогащенного кремния, что приводит к изменению изотопного состава кристалла. Показано, что при выращивании кристаллов кремния-28 происходит изменение содержания основного изотопа кремния-28 с 99,8065% до 99,0176%, что ограничивает область применения изотопнообогащенного кремния, например в наноэлектронике.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является разработка контейнера для выращивания кристаллов изотопнообогащенного кремния и твердых растворов на его основе, исключающего изотопное разбавление выращиваемых кристаллов, что обеспечивает сохранение их изотопного состава.
Эта задача решается за счет того, что контейнер для выращивания кристаллов изотопнообогащенного кремния и твердых растворов на его основе, включающий корпус из кварцевого стекла с природным изотопным составом кремния, согласно заявляемому техническому решению, корпус выполнен с внутренним покрытием из диоксида кремния, обогащенного кремнием-28, или кремнием-29, или кремнием-30, при этом содержание основного изотопа, входящего в состав покрытия задают таким образом, чтобы оно было не менее
содержания упомянутого изотопа в выращиваемом кристалле, а толщину покрытия h определяют по формуле:  где,
V(t) - скорость растворения кварцевого стекла в расплаве кремния,
t - время выращивания кристалла.
Корпус контейнера может быть выполнен в виде лодочки, тигля и др.
Наличие внутреннего покрытия из диоксида кремния, обогащенного кремнием-28, или кремнием-29, или кремнием-30 исключает возможность изотопного разбавления выращиваемых кристаллов кремнием из материала контейнера.
Опытным путем было установлено, что толщина покрытия (h) зависит от времени выращивания кристаллов кремния и определяется по формуле:
где h - толщина покрытия,
V(t) - скорость растворения кварцевого стекла в расплаве кремния,
t - время выращивания кристалла.
В свою очередь время выращивания зависит от объема расплава и скорости выращивания.
Опытным путем также установлено, что при содержании основного изотопа, входящего в состав покрытия ниже, чем задано в кристалле, имеет место изотопное разбавление кремния.
На рис изображен контейнер для выращивания кристаллов изотопнообогащенного кремния. Контейнер содержит корпус 1 из кварцевого стекла с природным изотопным составом кремния и внутреннее покрытие 2 из диоксида кремния, обогащенного кремнием-28, или кремнием-29, или кремнием-30.
Пример
Внутреннее покрытие получают путем парофазного гидролиза изотопнообогащенного кремнийсодержащего компонента, в качестве которого может быть моносилан, трихлорсилан, тетрахлорид кремния, тетрафторид кремния в пламени кислородно-водородной горелки. Пламя горелки направляют на внутреннюю поверхность контейнера. При парофазном гидролизе изотопнообогащенного кремнийсодержащего реагента происходит образование частиц диоксида кремния, которые оседают на внутренней поверхности контейнера. Опытным путем установили, что время выращивания кристалла изотопа кремния-28 составляет 2 часа, а скорость растворения кварцевого стекла в расплаве кремния составляет ~25 мкм/час. Таким образом толщина покрытия должна составлять не менее 50 мкм.
По достижении необходимой толщины покрытия подачу кремнийсодержащего компонента прекращают, температуру пламени горелки увеличивают и остекловывают слой частиц диоксида кремния. Толщину покрытия контролируют из данных об изменении массы контейнера, площади покрываемой поверхности и плотности покрытия. В контейнере с внутренним покрытием из кварцевого стекла, обогащенного кремнием-28, выращивают кристаллы изотопнообогащенного кремния-28 методом Чохральского. Содержание основного изотопа кремний-28 в выращенном кристалле составило 99,983±0,005% при содержании кремния-28 в исходной загрузке 99,979±0,005%. т.е. содержание основного изотопа кремний-28 в исходной загрузке и в выращенном кристалле в пределах погрешности масс спектрометрического метода анализа
совпадает. Это свидетельствует об отсутствии изотопного разбавления при использовании покрытия.