CS218950B1

CS218950B1 - A method of regenerating a crystal lattice of silicon irradiated by neutrons

Info

Publication number: CS218950B1
Application number: CS897880A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Kaslik; Bruno Sopko
Original assignee: Zdenek Kaslik; Bruno Sopko
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Vynález se týká způsobu regenerace krystalové mřížky monokrystalu křemíku, narušené při ozáření neutrony iv jaderném reaktoru. Tento způsob stabilizuje měrný odpor monokrystalu a současně regeneruje krystalovou mřížku natolik, že doba života minoritních nositelů proudu je podstatně vyšší než při kterémkoliv doposud používaném postupu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že neutronově legované monokrystaly jsou postupně, vždy s následujícím zchlazením na teplotu z teplotního intervalu —50 °C až +200° Celsia, žíhány na třech až dvanácti teplotách v rozmezí 300 až 850 °C. Doba žíhání na každé teplotě je 10 — 120 minut.The invention relates to a method for regenerating the crystal lattice of a silicon single crystal, disrupted by neutron irradiation in a nuclear reactor. This method stabilizes the resistivity of the single crystal and simultaneously regenerates the crystal lattice to such an extent that the lifetime of the minority current carriers is significantly longer than in any other method used so far. The essence of the invention lies in the fact that neutron-doped single crystals are successively annealed at three to twelve temperatures in the range of 300 to 850 °C, each time followed by cooling to a temperature from the temperature range of -50 °C to +200 °C. The annealing time at each temperature is 10 to 120 minutes.

Description

Vynález se týká způsobu regenerace krystalové mřížky monokrystalu křemíku, narušené při ozáření neutrony iv jaderném reaktoru.The present invention relates to a process for regenerating a crystal lattice of a silicon monocrystal disrupted by neutron irradiation in a nuclear reactor.

Tento způsob stabilizuje měrný odpor monokrystalu a současně regeneruje krystalovou mřížku natolik, že doba života minoritních nositelů proudu je podstatně vyšší než při kterémkoliv doposud používaném postupu.This method stabilizes the resistivity of the single crystal and at the same time regenerates the crystal lattice to such an extent that the lifetime of minor current carriers is considerably higher than in any prior art process.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že neutronově legované monokrystaly jsou postupně, vždy s následujícím zchlazením na teplotu z teplotního intervalu —50 °C až +200°The essence of the invention is that the neutron-alloyed single crystals are successively cooled down to a temperature in the temperature range from -50 ° C to + 200 °

Celsia, žíhány na třech až dvanácti teplotách v rozmezí 300 až 850 °C. Doba žíhání na každé teplotě je 10 — 120 minut.Celsius, annealed at three to twelve temperatures in the range of 300 to 850 ° C. The annealing time at each temperature is 10 - 120 minutes.

Vynález se týká způsobů regeneracrekrjB»·talové mřížky monokrystalů kůemíkaa^ nar rušené při ozáření neutrony v jaderném reaktoru.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to methods of regenerating a lattice of silicon single crystals disrupted by neutron irradiation in a nuclear reactor.

Pro výrobu polovodičových prvků; a» přes> ně definovanými elektrickými vlastnostmi se vyžaduje výchozí materiál s homogenním rozložením měrného odporu. Vysoce homogenního rozložení fosforu v křemíku lze dosáhnout pouze neutronovým legováním, jehož princip spočívá v transmutaci izotopu ³⁰Si na fosfor při ozařování tepelnými neutrony v jaderném reaktoru:For the manufacture of semiconductor devices; and > defined electrical properties require a starting material with a homogeneous distribution of resistivity. The highly homogeneous distribution of phosphorus in silicon can only be achieved by neutron alloying, the principle of which is the transmutation of the ³⁰ Si isotope to phosphorus by irradiation with thermal neutrons in a nuclear reactor:

β³⁰Si (η,χ) 3l_Si----- 3lpβ ³⁰ Si (η, χ) 3l _S i ----- 3lp

14 2,6 h 1514 2.6 h 15

Při tomto ozařování však dochází k celé řadě interakcí částic a záření s hmotou, a proto je krystalová mřížka ozářeného monokrystalu narušena a monokrystalický křemík nemá bezprostředně po ozáření požadované elektrické a strukturní vlastnosti. Křemík se proto tepelně zpraeovávážíbáním při dostatečně vysoké teplotě nad 650° Celsia. I když při tomto žíhání dojde ke stabilizaci měrného odporu, zotavení krystalové mřížky je pouze částečné, což se projevuje výrazně nižší dobou života minoritních nositelů proudu oprosti monokrystalům před ozařováním.. Protože doba života miř noritníeh nositelů’ proudu je' klíčový’ parametr monokrystalu, zejména při výrobě součástek s vyšším závěrným napětím, kde např. limituje velikost proudu v propustném směru a strmost V — A charakteristiky v závěrném směru, dosažení vysoké doby. života při stabilizaci měrného odporu je závažným problémem neutronového legování.However, there are a number of interactions of particles and radiation with matter in this irradiation, and therefore the crystal lattice of the irradiated single crystal is disrupted and the monocrystalline silicon does not have the desired electrical and structural properties immediately after irradiation. Silicon is therefore thermally processed by annealing at a sufficiently high temperature above 650 ° C. Although this annealing stabilizes the resistivity, the recovery of the crystal lattice is only partial, which translates into a significantly lower lifetime of the minor carriers of the opacity of the monocrystals before irradiation. in the manufacture of components with a higher reverse voltage, where, for example, the magnitude of the forward current and the slope of the V-A characteristics in the reverse direction limit the achievement of a high time. Life in stabilizing resistivity is a serious problem of neutron alloying.

Výše uvedený problém řeší způsob regenerace krystalové mřížky křemíku ozářeného neutrony podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že neutronově legované monokrystaly jsou postupně, vždy s následujícím zchlazením na teplotu z teplotního intervalu —50 °C až +200 °C, žíhány na třech až dvanácti teplotách z teplotního Intervalu 300 — 850 °C, mezi nimiž jsou teploty Ti, Ta a Ts takové, že teplota T3 je nejvyšší ze všech teplot a leží v rozmezí 750 až 850 °C, teplota Ta leží v rozmezí 600 až 750 °C a je alespoň o 50 °C nižší než T3, teplota Ti leží v rozmezí 300 — 700 °C a je alespoň o 50 °C nižší než teplota T2 a doba žíhání na každé teplotě je 10 — 120 minut. Výhodné je použití dalších teplot ležících v rozmezí 300 °C až T3 tak, aby došlo k rovnoměrnějšímu pokrytí tohoto teplotního intervalu.The above problem is solved by the method of regenerating the neutron-irradiated crystal lattice of the present invention, which is characterized in that the neutron-alloyed single crystals are annealed to a temperature of from -50 ° C to + 200 ° C twelve temperatures from the temperature range 300 - 850 ° C, among which the temperatures Ti, Ta and Ts are such that the temperature T3 is the highest of all temperatures and lies in the range 750 to 850 ° C, the temperature Ta lies in the range 600 to 750 ° C and is at least 50 ° C lower than T3, the temperature T 1 is in the range of 300 - 700 ° C and is at least 50 ° C lower than the temperature T 2, and the annealing time at each temperature is 10 - 120 minutes. It is preferable to use other temperatures in the range of 300 ° C to T3 so as to more uniformly cover this temperature range.

Princip vynálezu lze vysvětlit takto: Částice a záření v jaderných reaktorech reagují s křemíkem a jeho příměsmi různým způsobem — pružný rozptyl, vybuzení atomů a jejich ionizace, jaderné transmutace. Při všech těchto procesech dochází ze strukturního hlediska: ke vzniku základních bodových poruch⁸— dvojic, intessíiciála; — wakance s různým stupněm vzájemné; vazby: Protože základní bodové* poruchy mají velkou pohyblivost, reagující mezi sebou i s různými příměsmi’ a tím vytvářejí komplexní bodové poruchy. Celá řada těchto komplexních poruch, zejména poruchy svázané. s kyslíkem,, působí jako rekombinační centra a. tím snižují: dobu; života^mriiararitních nositelů proudu. K rozpadu každá arkomplexních poruch dochází pijh zahřátí na určitou charakteristickou; teplotu^ napy. dvojice intersticiála — kyslík ses rozpadá při 75&°G_f. Intersticiály a vakance,, které* se při tomto rozpadů uvolní, však difúzními procesy vytvářejí další komplexní poruchy, jejich, forma závisí, na- teplotní minulosti monokrystalu. Mohou to být např, . tepelně sta.bilní shluky vakancí a interstlGíálů nebo poruchy kombinované s příměsmi křemíku, např. s kyslíkem. Při uplatnění postupu podle vynálezu se jednodušší poruchy, neobsahující kyslík a rozpadající se při nižších teplotách,, žíhají samostatně a, pči. následujícím zchlazení tváří, shluky vakancí a intersticiálů bez vlivu na dobu života. Tyto shluky jsou pak stabilní a při dalším žíhání na-vyšší teploty, při kterých se rozpada.jí komplexní poruchy s kyslíkem a stabilizuje se měrný odpor.The principle of the invention can be explained as follows: Particles and radiation in nuclear reactors react with silicon and its admixtures in various ways - elastic scattering, atom excitation and ionization, nuclear transmutation. In all these processes the structural point of view is: the origin of basic point defects of ⁸ - pairs, intessional; - wakances with varying degrees of reciprocity; Binding: Because the basic point defects have high mobility, they react with each other and with various impurities and thus create complex point defects. Many of these complex disorders, in particular linked disorders. with oxygen, act as recombination centers and thereby reduce: time; the life of the barierar carriers of the current. The breakdown of each arc-complex disorder occurs by heating up to a certain characteristic; temperature. the interstitial-oxygen pair decays at 75 & ° G _f . However, the interstitials and vacancies that are released in this disintegration create other complex disturbances, their form depending on the temperature history of the single crystal. They may be eg. thermally stable clumps of vacancies and interstices or disorders combined with silicon admixtures, eg oxygen. In the process according to the invention, the simpler, oxygen-free and lower-temperature decomposing disturbances are annealed separately. followed by facial cooling, clumps of vacancies and interstitials without affecting lifetime. These agglomerates are then stable and at further annealing at higher temperatures at which complex oxygen breakdowns and specific resistivity stabilize.

Bez újmy na obecnosti jsou uvedeny^něktseré z^r příkladů výifedhéí volby teplot, ověřených prakticky:Without loss of generality are given from ^y ^ něktseré examples výifedhéí choice of temperatures, practically verified:

1. 9 teplot 400 — 450 — 500 — 550 — 600 — — 650 — 700 — 750 — 800 °C1. 9 temperatures 400 - 450 - 500 - 550 - 600 - - 650 - 700 - 750 - 800 ° C

2.. 7. teplot.400. — 47.Q —540,— 610 — 680,— — 75Ω· — 8fl0 °G.2 .. 7. temperature.400. - 47Q —540, - 610 - 680, - - 75Ω · - 8f10 ° G.

3.. 4, teploty 4Z0 — 560. — 68Ώ — 800 ^CC 4. 3 teploty 550 — 750 — 800 °C3 .. 4, temperatures 4Z0 - 560. - 68Ώ - 800 ^° C 4. 3 temperatures 550 - 750 - 800 ° C

Duba. prodlevy, monokrystalu na zvolených. teplotách, jp 10.· — 120. minut,, rychlosfc zahřívání, a chladnutí monokrystalu musí. být menší než. .10 K·.. a^-1, časový, sled teplot může být libovolný, avšak nejlepších výsledků bylo. dosaženo, při postupu, od nejnižškdo. nejvyšší. teploty..Duba. delay, single crystal on selected. temperature, jp 10 · -120 minutes, rapid heating, and cooling of the single crystal must. be less than. .10 K ^-1 and ^-1 , the time sequence of temperatures may be arbitrary, but the best results were. achieved, in advance, from the lowest. the highest. temperature ..

Erotože rozsáhlé, regenerační cykly,, např, se. 7 nebo 9. teplotami,, jsou spájeny s vyššími. nároky,, zejména, na. spotřebu elektrické, energie· a. na. celkovou· dobu zpracování,, byl jakoa optimální pro praktické využití’ zvolen postup podle příkladů č. 3.Because of extensive, regeneration cycles, e.g. 7 or 9 temperatures, are soldered to higher temperatures. claims, in particular, to. power consumption · energy consumption. overall processing time, the procedure of Examples 3 was chosen as optimal for practical use.

Regenerace byla prováděna v difúzní peci s křemennou trubicí. Neutronově legované monokrystaly byly před vlastní regenerací očištěny leptáním ve směsi kyseliny fluorovodíkové HF, kyseliny dusičné HNO3 a kyseliny octové CH3COOH. Pracovní oblast křemenné trubice byla zahřáta na teplotu 42Ό °C a monokrystaly uložené na křemenné lodičce byly zasunuty do pece. Po uplynutí 30 minut byly z pece zvolna vytaženy a teplota pece zvýšena na 560 °C. PoThe regeneration was carried out in a diffusion furnace with a quartz tube. Neutron alloyed single crystals were cleaned by etching in a mixture of hydrofluoric acid HF, nitric acid HNO3 and acetic acid CH3COOH before regeneration. The working area of the quartz tube was heated to 42 ° C and the single crystals deposited on the quartz boat were inserted into the furnace. After 30 minutes, they were slowly removed from the oven and the oven temperature raised to 560 ° C. After

218 zchladnutí monokrystalů a stabilizaci teploty v peci byly monokrystaly opět 30 minut žíhány a zvolna vytaženy. Teplota pece byla zvýšena na 680 °C. Monokrystaly byly po vychladnutí a stabilizaci teploty žíhány po třetí po dobu 30 minut, pak byly zvolna vytaženy a teplota pece zvýšena na 800 °C. Po vychladnutí a stabilizaci teploty pece byly žíhány naposledy, opět po dobu 30 minut, a vytaženy. Po tomto regeneračním postupu byl na monokrystalech měřen měrný odpor čtyřbodovou metodou a doba života minoritních nositelů metodou fázové kompenzace. Tímto způsobem bylo zpracováno více než 100 monokrystalů. U všech byl měr950 ný odpor plně stabilizován a typická doba života byla v rozmezí 1000 — 3000 μ3. Podobné výsledky byly zjištěny i při jiných volbách teplot podle vynálezu.After cooling the single crystals and stabilizing the temperature in the furnace, the single crystals were annealed again and slowly removed for 30 minutes. The oven temperature was raised to 680 ° C. The monocrystals were annealed for a third time for 30 minutes after cooling and stabilizing the temperature, then were slowly withdrawn and the oven temperature raised to 800 ° C. After cooling and stabilizing the furnace temperature, they were annealed for the last time, again for 30 minutes, and withdrawn. After this regeneration procedure, the resistivity was measured on single crystals by the four-point method and the life time of minor carriers by the phase compensation method. More than 100 single crystals were processed in this way. In all of them the resistivity was fully stabilized and the typical lifetime was in the range 1000 - 3000 μ3. Similar results were found with other temperature choices according to the invention.

Protože u všech dosud známých regeneračních postupů je typická doba života v rozmezí 50 — 500 μ$, tak praktické ověření ukázalo, že způsob regenerace krystalové mřížky křemíku ozářeného- neutrony podle vynálezu stabilizuje měrný odpor monokrystalu a současně regeneruje krystalovou mřížku natolik, že doba života minoritních nositelů proudu je podstatně vyšší než při kterémkoliv dosud používaném postupu.Since in all known regeneration processes the typical lifetime is in the range of 50-500 μ $, practical verification has shown that the method of regenerating the crystal lattice of silicon-irradiated neutrons according to the invention stabilizes the resistivity of the single crystal and at the same time regenerates the crystal lattice The current carriers are substantially higher than in any prior art method.

Claims

SUBJECT

A method of regenerating a crystal lattice of neutron-irradiated, characterized in that the irradiated single crystals are annealed at three to twelve temperatures from a temperature range of 300-850, successively cooling to a temperature from -50 ° C to -1-200 ° C. ° C, among which the temperatures Τι, Ts and Ts are such that the heat of the Lota T3 is the highest of all temperatures and lies between 750 - 850 ^° C, the Ts temperature lies between 600 - 750 ° C and is at least 50 ° Q lower than Ts, the temperature Ti lies in the range 300 - 700 ° C and is at least 50 ° C lower than the Ts temperature, and the annealing time at each temperature is 10 - 120 minutes.