CS196142B1

CS196142B1 - Method of producing doped monocrystalic silicon

Info

Publication number: CS196142B1
Application number: CS151378A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Stverak; Jan Kopejtko; Milos Janu
Original assignee: Bohumil Stverak; Jan Kopejtko; Milos Janu
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1980-03-31

Description

Předmětem vynálezu je způsob výroby dopovaného monokrystalického křemíku s vysoce homogenně rozmístěným generovaným fosforem ozářením tepelnými neutrony.The present invention provides a process for producing doped monocrystalline silicon with highly homogeneously distributed generated phosphorus by irradiation with thermal neutrons.

Stávající výroba dopovaného monokrystalic-^xkého křemíku vychází z dopovaného polykrystalu, který je dopován pouze na několik hodnot odporu. Pří získávání jiných odporových skupin je nutné vycházet z takto dopovaných skupin polykrystalů, které se pracně dolegovávají roztokem kyseliny fosforečné. Při tomto dolegovávání se zanáší celá řada chyb, mezi „ nimiž je možno uvést například následující:Existing production doped silicon monokrystalic- ^x Kehoe based on doped polycrystalline, which is doped to a few resistance values. In obtaining other resistance groups it is necessary to start from the doped groups of polycrystals which are laboriously doped with phosphoric acid solution. There are a number of errors that are reported in this misuse, including:

- nehomogenita nanášení roztoku kyseliny fosforečné po délce ingotu křemíku způsobuje axiální nehomogenity koncentrace dopan^tU*- inhomogeneity of the deposition of phosphoric acid solution along the length of the silicon ingot causes axial inhomogeneities of dopant ^tU concentration *

- může se stát zdrojem nečistot vnášených do ingotu křemíku;- it can become a source of impurities introduced into the silicon ingot;

- při tomto způsobu dopování nelze prakticky dosáhnout přesně požadovaného odporu;- in this way of doping it is practically impossible to achieve exactly the required resistance;

- uvedená metoda vykazuje vždy radiální gradient odporu v důsledku tvaru fázového rozhraní kapalné a pevné fáze a v důsledku segregačního koeficientu fosforu;said method always exhibits a radial gradient of resistance due to the shape of the liquid-solid phase interface and the phosphorus segregation coefficient;

- výtěžnost monokrystalíckých křemíkových ingotů není nikdy stoprocentní.- the yield of monocrystalline silicon ingots is never 100%.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby podle vynálezu. Vynález přitom spočívá na využití známé jaderné reakce 3&si /n , j**/³ S i¹*—► ³¹P. Při ozařování křemíku v jaderném reaktoru tepelnými neutrony dochází ke vzniku radioizotopu Si, který se s poločasem T1/2 = 2,62 hodiny přemění na stabilní izotop fosforu ³^,P při vyzáření částice o maximální energii max = 1,48 MeV a fotonů s energií ®*max » 1,26 MeV. Protože tok tepelných neutronů v jaderném reaktoru proniká prakticky homogenně ozařovaným materiálem, vzniká z atomů křemíku vysoce homogenně rozmístěný fosfor o požadované koncentraci.The above-mentioned drawbacks are overcome by the production method according to the invention. The invention is based on the use of known nuclear reaction 3 & a / n, j ** / ³ and S ¹ * -► ³¹ P. When silicon irradiation in the nuclear reactor thermal neutrons are formed by Si radioisotope that the t1 / 2 = 2; 62 hours transforms into a stable isotope of phosphorus ³ , P when emitting particles with maximum energy max = 1.48 MeV and photons with energy * * max »1.26 MeV. Since the flow of thermal neutrons in the nuclear reactor penetrates practically homogeneously irradiated material, silicon atoms produce highly homogeneously distributed phosphorus at the desired concentration.

Vynález řeší daný úkol tak, že křemíkové plochy se před ozářením povrchově adjustují, např. obalením hliníkovou fólií, potom se aktivují tokem tepelných neutronů od 1 x 10^ až 1 x 10¹ n cm”^ _sec1 s rozptylem homogenity toku v příčném i podélném směru kanálu do 15 % střední hodnoty, s následným vymřením krátkodobých izotopů např. ³^Si po dobu od 24 do 60 hodin a odstraněním adjustačního obalu, načež se křemíkové bloky očistí oplachem, např. destilovanou vodou, etylalkoholem a acetonem, popřípadě se po tomto oplachu provádí leptání v kyselině fluorovodíkové s opakovaným oplachem, např. destilovanou vodou, etylalkoholem a acetonem, a potom se křemíkové bloky tepelně žíhají při teplotě v rozmezí od 600 °C do 1 000 °C po dobu od 20 do 180 minut.The invention solves the task so that the silicon surface before the irradiation surface is adjusted, e.g. by wrapping with aluminum foil then activates flow of thermal neutrons of from 1 x 10 ^ to 1 x 10 ¹ N cm "^ _is C1-scattering homogeneity of the flow in both transverse and longitudinal direction of the channel up to 15% of the mean value, followed by extinction of short-lived isotopes of eg ³ µ Si for 24 to 60 hours and removal of the adjustment package, after which silicon blocks are cleaned by rinsing eg distilled water, ethanol and acetone; This rinsing is carried out by etching in hydrofluoric acid with repeated rinsing, e.g. distilled water, ethyl alcohol and acetone, and then the silicon blocks are annealed at a temperature ranging from 600 ° C to 1000 ° C for 20 to 180 minutes.

Dosažené koncentrace fosforu v ingotech křemíkového monokrystalického materiálu je dána vztahem:The achieved phosphorus concentration in ingots of silicon monocrystalline material is given by:

Cp = 2,05 . 10^-4 $ . t kde Cp je koncentrace fosforu v monokrysta'lickém bloku křemíku /atomy P/cm³ Si/, $ je tok tepelných neutronů /n . cm2 . sec'/ a t je doba ozařování v sekundách. Po ozáření v jaderném reaktoru je sice ozářený materiál radioaktivní, jeho radioaktivita však exponenciálně klesá s poločasem 2,62 hodiny.Cp = 2.05. 10 ^-4 $. where Cp is the concentration of phosphorus in the monocrystalline silicon block (atoms P / cm ³ Si), $ is the thermal neutron flux / n. cm2. sec '/ at is the irradiation time in seconds. Although irradiated material is radioactive after irradiation in a nuclear reactor, its radioactivity decreases exponentially with a half-life of 2.62 hours.

To znamená, že například po deseti poločasech /26,2 hodiny/ poklesne původní radioaktivita 1O24krát a materiál přestane být ve smyslu ČSN 34 1730 a vyhlášky MZd č. 59/72 Sb. radioaktivní. Veškerý radioizotop Si se přemění na stabilní izotop 31p a s tímto materiálem lze pak zacházet jako s neradioaktivním materiálem.This means that, for example, after ten half-lives (26.2 hours), the original radioactivity decreases 1024 times and the material ceases to be within the meaning of ČSN 34 1730 and Ministry of Health Decree No. 59/72 Coll. radioactive. All of the radioisotope Si is converted to a stable 31p isotope and can then be treated as a non-radioactive material.

Protože při ozařování v reaktoru dochází v křemíku ke vzniku radiačních poruch, je nutné tyto poruchy akcep torového typu odstranit žíháním při teplotě vyšší než 600 °C po dobu delší než 20 minut. V takto zpracovaném křemíkovém materiálu jsou tyto poruchy eliminovány.Since radiation irradiation in the reactor causes radiation disturbances in the silicon, these disturbances of the acceptor type must be eliminated by annealing at a temperature higher than 600 ° C for more than 20 minutes. In such treated silicon material, these disturbances are eliminated.

V následujícím textu je uveden výhodný konkrétní příklad způsobu výroby dopovaného monokrystalického křemíku s vysoce homogenně rozmístěným generovaným fosforem ozářením tepelnými neutrony podle vynálezu. Křemíkové bloky se povrchově adjustují zabalením do hliníkové fólie. Adjustáž zamezuje kontaminaci monokrystalického křemíku produkty vznikajícími v jaderném reaktoru a pohybujícími se v místech, kde dochází k ozařování bloků. Typ adjustáže je velmi jednoduchý, rychlý, levný a dostupný. Zároveň se přibalí i monitorovací vzorek kobaltu nebo zlata, který slouží ke zjištění přesné integrální dávky tepelných neutronů. Takto připravené vzorky se aktivují v kanálu jaderného reaktoru v roku tepelných neutronů % = 10^3 _{n t} cm~^ ♦ sec “1, při době aktivace 14,5 hodiny se vytvoří v materiálu 1,07 . 10^4 atomů fosforu/cm^. Po provedené aktivaci následuje vymření krátkodobých izotopů, např. po dobu 48 hodin, odstraní se adjustační obaly, načež následuje oplach destilovanou vodou, leptání kyselinou fluorovodíkovou, znovu opakovaný oplach destilovanou vodou a dehydratace etylalkoholem a acetonem. Po přeměření zbytkové radioaktivity se monobloky křemíku žíhají při teplotě 800 °C po dobu 70 minut za účelem odstranění poruch vznikajících v monokrystalu křemíku působením tepelných neutronů.In the following, a preferred specific example of a process for producing doped monocrystalline silicon with a highly homogeneously distributed generated phosphorus by irradiation with thermal neutrons according to the invention is given. The silicon blocks are surface-adjusted by wrapping in aluminum foil. The alignment avoids contamination of monocrystalline silicon by the products produced in the nuclear reactor and moving where the blocks are irradiated. The type of adjustment is very simple, fast, cheap and available. At the same time, a cobalt or gold monitoring sample is included to determine the exact integral dose of thermal neutrons. The samples prepared in this way are activated in the nuclear reactor channel in the year of thermal neutrons% = 10 n 3 _nt cm ^ “sec, 1, with an activation time of 14.5 hours in the material 1.07. 10 -4 phosphorus atoms / cm 2. Activation is followed by extinction of short-lived isotopes, e.g., for 48 hours, the adjustment packages are removed, followed by rinsing with distilled water, etching with hydrofluoric acid, re-rinsing with distilled water, and dehydration with ethyl alcohol and acetone. After the residual radioactivity has been measured, the silicon monoblocks are annealed at 800 ° C for 70 minutes in order to remove thermal neutron disturbances occurring in the silicon single crystal.

Claims

SUBJECT

OF THE INVENTION

Process for the production of doped monocrystalline silicon with a highly homogeneously distributed generated phosphorus by irradiation with thermal neutrons according to the nuclear reaction (n, j ^)

P, characterized in that the silicon blocks are surface-adjusted prior to irradiation, e.g. by wrapping with aluminum foil, then activated by a thermal neutron flux from 1. 10 ⁹ to 1. 1θ15 n cm “2 _sec 1 _with flow homogeneity dispersion in the transverse and longitudinal direction of the channel up to 15 Z of the mean value, followed by extinction of short-lived isotopes, eg 31 _S even from 24 to 60 hours, and removal of the adjustment package the blocks are rinsed with, for example, distilled water, ethyl alcohol. and acetone optionally after this rinsing is carried out by etching in hydrofluoric acid with repeated rinsing, e.g. distilled water, ethyl alcohol and acetone, and then the silicon blocks are annealed at a temperature ranging from 600 to 1000 ° C for 20 to 180 minutes .