такое оптимальное сочетание имеет место при минимальных колебаниях значения удельного электрического сопротивления. В этом случае допускается наименьшая толщина п базы и соответственно самое низкое напряжение в открытом состоянии при заданном пробивном напряжении.

Поэтому применение в середине 70-х годов при изготовлении промышленного кремния метода легирования за счет нейтронной ядерной реакции, обеспечивающего в узком диапазоне колебание значений удельного электрического сопротивления и малые страты, позволило оптимизировать конструкцию и существенно улучшить характеристики тиристоров [Chu, Jonson, Karlstadt, 1977], [Platzoder and Loch, 1976].

Данный способ легирования основан на частичном превращении кремния в фосфор в соответствии с ядерной реакцией

р Стержни кремния, полученные методом зонной плавки и подвергнутые очистке при нескольких проходах, в результате чего их сопротивление становится очень высоким (выше 1000 Ом-см), подвергаются воздействию тепловых нейтронов в ядерном ре-

акторе.

i Изотоп °Si, содержание которого в кремнии составляет около 3%, под действием испускаемых тепловыми нейтронами гамма-квантов превращается в изотоп Si. Нестойкий изотоп Si, в свою очередь, переходит в изотоп фосфора Р с испусканием бета-лучей и периодом полураспада 2,6 ч.

jt Высокоэнергетичные нейтроны проникают в кремний на большую глубину, что обусловливает превращение кремния в фосфор равномерно по всему стержню. В результате такого равномерного распределения фосфора обеспечиваются очень незначительные (±5%) отклонения значений радиального удельного электрического сопротивления по всему стержню [Janus, Malmros, 1976], что показано на рис. 5.3. Среднее знйчение удельного сопротивления или уровень легирования определяется полученной нейтронной дозой, и ее можно контролировать с высокой точностью.

Отрицательным побочным эффектом облучения нейтронами является введение в кремний радиационных дефектов, обусловленных смещением атомов кремния высокоэнергетичными нейтронами с образованием вакансий. При этом уменьшается время жизни неосновных носителей заряда и их подвижность в кремнии. Данные радиационные дефекты необходимо удалять путем .отжига.

\ При отжиге не только ликвидируются вакансии, но и обеспечивается переход атомов фосфора в электрически активное состояние замещения вместо их расположения по междоузлиям. I 143-

Отжигу обычно подвергается готовый стержень или слиток. Требуемая стабилизация значения удельного электрического сопротивления кремния достигается за счет отжига при температуре 750° С продолжительностью менее 2 мин [Janus, Malrn-ros, 1976[.

Поскольку температуры при проведении диффузии, последующего технологического процесса изготовления мощных тиристоров, значительно выще 750° С, высказывается [убиение, что данный отжиг кремния не является необходимым и фактически может обусловливать пониженный выход приборов из-за высоких токов утечки [Selim, Chu, Jonson, 1983]. Даже отожженный кремний отличается по своим свойствам, если он подвергался термообработке при различных температурах. В [Aim, Fiedler, Mikes, 1984] показано, что у кремния, отжиг которого осуществляется цри температуре 1200° С, имелись дефекты кристаллической решетки, а при последующей обработке концентрировались примесные атомы. Это приводило к появлению больших токов утечки в готовых приборах. Поэтому необходима специальная очистка кремниевых пластин.

В то же время у кремния, подвергнутого отжигу при температуре §00° С, указанные дефекты отсутствовали. Тем не менее в целом изготовление кремния, легированного за счет нейтронной ядерной реакции, и его использование для производства мощных приборов находят все более широкое применение [Guid-berg, 1981], [Larrabee, 1984], [Meese, 1979].

5.1.4. Изготовление кремниевых пластин

Из слитков кремния получают пластины соответствующей толщины и диаметра. Первой стадией этого процесса является бесцентровое шлифование слитка до достижения требуемого диаметра. В некоторых случаях на слитке делается срез, который необходим для определения главного направления в кристаллической решетке кремния или для удовлетворения некоторых требований при его последующей механической обработке.

После шлифования слиток разрезают на пластины, как правило, дисковой пилой с внутренней алмазной режущей кромкой. В поверхностных слоях кремниевой пластины, конечно, имеются дефекты. Их можно удалить, например, путем химического травления, однако при производстве мощных приборов этот метод применяется не во всех случаях.

Поскольку контроль за толщиной кремниевых пластин особенно важен при изготовлении мощных тиристоров, после резки обычно производят механическую шлифовку. В результате получают пластину требуемой толщины с плоскопараллельными поверхностями. В процессе шлифовки в поверхностных слоях кремния на глубине до 30 мкм образуются дефекты. 144

Другой проблемой, связанной с данной обработкой, является введение загрязнений в поверхностный слой. Снятие загрязненного поверхностного слоя, несомненно, желательно. В то же время удаление всех поврежденных слоев не всегда целесообразно, так как определенное количество дефектов может способствовать предотвращению загрязнения кремния из-за их геттерирующего действия [Ravi 1981].

Кроме того, для удаления поврежденного при шлифовке кремния необходимо полировать пластину или подвергать ее трав-.лению. Причем оба эти процесса могут отрицательно сказаться ина плоскостности и параллельности поверхностей пластины. Для устранения загрязнений после шлифовки пластин тре-сбуется их комбинированная обработка: во-первых, травление ,кремния с целью исключения захваченных примесей и, во-вто-рых, ликвидация загрязнений на их поверхности. Большинство правителей и очищающих средств, используемых изготовителями тиристоров, запатентованы, но все же целесообразно дать некоторые общие рекомендации.

Для травления кремния можно применять как щелочные, так и кислые травители. В первом случае скорость удаления кремния очень низкая (как правило, менее 2 мкм/мин для КОН), а во втором случае процесс протекает гораздо быстрее.

Кислые травители представляют собой смесь фтористоводородной и азотной кислот, в которую часто добавляется некоторое количество уксусной кислоты. Например, при использовании смеси данных кислот в соотношении 3:5:3 обеспечивается скорость травления 34,8 мкм/мин [Beadle, Tsai, Plummer, 1985].

После травления кремния перед очисткой слоя целесообразно удалить все имеющиеся на его поверхности оксиды с помощью фтористоводородной кислоты, иначе очищающее средство может

fbiTb неэффективным при устранении примесей, захваченных ок-идом. Выбор химикалиев для очистки обычно определяется типом загрязняющего вещества. Реагенты, содержащие перекись водорода, используются для удаления атомных и ионных загрязнений. Они представляют собой смеси серной или соляной кислот с перекисью водорода и позволяют исключить тяжелые металлы без образования вторичного покрытия путем формирования растворимых комплексов. Другим эффективным средством является смесь гидроокиси аммония с перекисью водорода. Она особенно полезна при очистке кремния от органических веществ. [Burk-man, 1981], [Kern, Puotinen, 1970].

5.2. Эпитаксия

Эпитаксия - это процесс осаждения тонких слоев полупро-одниковых материалов на подложку с сохранением ее кристал-