СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C30B31/20 C30B29/06 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых материалов для приборов электронной и электротехнической промышленностей.

Технология нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния основана на ядерной реакции
³⁰Si(n, γ)³¹Si ³¹P (1) в результате которой в конечном итоге образуются ядра легирующей примеси - фосфора. Распределение этих ядер следует за распределением флюенса тепловых нейтронов по объему слитков кремния. Обычно в технологии НТЛ кремния предъявляют жесткие требования к неравномерности легирования - 3-5% или менее. Если контейнер с кремнием при облучении неподвижен относительно зоны облучения (статический режим), то его длина, на которой достигается указанная неравномерность легирования, в несколько раз (или даже в десятки раз) меньше соответствующего линейного размера активной зоны. Поэтому на промышленных реакторах, имеющих большие размеры активной зоны (несколько метров), можно в статическом режиме облучать контейнеры с кремнием длиной 0,5 м и более. В то же время на исследовательских реакторах, исключая тяжеловодные, столь протяженные контейнеры в статическом режиме облучать нельзя, так как линейные размеры их активной зоны меньше метра. В связи с этим на исследовательских реакторах в процессе облучения протяженные контейнеры так или иначе перемещают относительно зоны облучения для достижения приемлемой равномерности легирования.

Известен способ НТЛ кремния [1] , 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.

Известен таке способ НТЛ кремния [2] , выбранный в качестве прототипа, включающий возвратно-поступательное перемещение по каналу реактора через зону облучения контейнера со слитками кремния, контроль за усредненным по длине полезного объема контейнера флюенсом нейтронов, прерывание процесса облучения после набора требуемого флюенса нейтронов и замену контейнеров. В этом способе контейнер перемещают как в прямом, так и в обратном направлениидо тех пор, пока его полезный объем полностью не выйдет за зону облучения. Поэтому при каждом пересечении зоны облучения все элементарные объемы слитков облучаются нейтронами с одним и тем же флюенсом
Ф_i= (x)dx (2) где Ф_i - флюенс нейтронов, набранный при i-ом пересечении зоны облучения; Х₁, Х₂ - координаты начала и конца зоны облучения; ϕ(x) - распеделение плотности потока тепловых нейтронов; V_i - скорость контейнера при i-ом пересечении зоны облучения. Координаты зоны облучения Х₁ и Х₂ выбирают так, что за пределами этих координат облучение слитков нейтронами пренебрежимо мало. При таком способе при каждом пересечении зоны облучения скорость перемещения контейнера должна быть постоянной, но ее величину можно менять при смене направления движения. При возвратно-поступательном перемещении контейнера через зону облучения контролируют флюенс нейтронов, набираемый полезным объемом контейнера. Как только он станет равным требуемому, облучение прекращают. Для этого контейнер выводят из зоны облучения и перемещают к месту перегрузки контейнеров. В этом способе не требуется двустороннего доступа к каналу реактора. Более того, выгрузку контейнера из канала и загрузку нового контейнера технически рациональнее осуществлять с помощью одного механизма перегрузки.

Однако в этом способе коэффициент использования нейтронов зоны облучения значительно меньше, чем в способе по аналогу.

В способе НТЛ кремния, включающем возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния по каналу реактора через зону облучения и контроль за усредненным по длине слитков контейнера флюенсом нейтронов до набора требуемого флюенса, через зону облучения перемещают не менее двух контейнеров, при смене направления движения контейнеров в зону облучения присутствует хотя бы один из контейнеров, а после одного или нескольких циклов перемещения процесс облучения прерывают и проводят смену контейнеров местами или замену по крайней мере одного из них.

При многократном перемещении в момент смены направления движения в зоне облучения размещают только один крайний контейнер, после набора крайними контейнерами половинного флюенса от требуемого процесс облучения прерывают, меняют крайние контейнеры местами, сохраняя каждому из них переориентацию в канале, после чего процесс облучения продолжают.

При однократном перемещении в каждом цикле контейнеры сначала перемещают со скоростью v_р через зону облучения до выхода за ее пределы первого из них, затем возвращают контейнеры со скоростью v к месту их замены, изымают первый контейнер, за оставшимися контейнерами размещают новый, следующее перемещение контейнеров ведут со скоростью v до совмещения второго контейнера с его местоположением в предыдущем цикле облучения в момент изменения направления движения, после чего цикл облучения повторяют, причем
V/V_р≥ 2/δ, (3) где δ- предельно допустимый разброс концентрации трансмутационной примеси фосфора в относительных единицах.

На чертеже схематично показан канал реактора с зоной облучения, а также расположение контейнеров (условно показаны не сами контейнеры, а их полезные - под слитки - объемы) в крайних положениях при многократном (а - г) и однократном (д - з) возвратно-поступательных перемещениях.

При осуществлении способа облучают не менее двух контейнеров со слитками (на чертеже три контейнера), перемещая их возвратно-поступательно по зоне облучения. Причем амплитуду перемещения задают так, что в зоне облучения при смене направления движения (позиции а, б, в, г - при многократных перемещениях, позиция е или з - при однократном перемещении) присутствует хотя бы один контейнер. В этом способе процесс облучения дополнительно прерывают, прежде чем будет набран требуемый флюенс нейтронов на полезных объемах всех контейнеров.

Многократное возвратно-поступательное перемещение осуществляют из одного крайнего положения контейнеров (позиция а) в другое (позиция б) и обратно. После того как на крайних контейнерах I и III будет набран половинный флюенс от требуемого, облучение дополнительно прерывают, т. е. все контейнеры возвращают к месту их перегрузки. В месте перегрузки крайние контейнеры I и III меняют местами, сохраняя каждому из них ориентацию в канале. Затем контейнеры возвращают в крайнее (при их возвратно-поступательном перемещении) положение (позиция в) и продолжают облучение, перемещая контейнеры между крайними положениями (позиции в и г). После того как крайние контейнеры наберут оставшуюся половину флюенса, их заменяют на новые и продолжают облучение.

При каждом облучении между контейнерами задают такой зазор, чтобы расстояние от центра полезного объема каждого крайнего контейнера I и III до полезного объема соседнего контейнера II было не меньше половины длины зоны облучения. Если длина крайнего контейнера не меньше длины зоны облучения, то зазор между ним и соседним контейнером может отсутствовать.

Контейнеры возвратно-поступательно перемещают из одного крайнего положения в другое и обратно до совмещения центра полезного объема соответствующего крайнего контейнера с центром зоны облучения, т. е. в позициях а и г с центром зоны облучения совмещен центр полезного объема контейнера I, а в позициях б и в - контейнера III. При таком возвратно-поступательном перемещении контейнеров крайние из них в итоге равномерно по длине будут облучены требуемым флюенсом нейтронов.

Крайние контейнеры могут иметь одинаковые или разные длины полезных объемов, которые больше или меньше длины зоны облучения. Например, длина полезного объема контейнера I меньше длины зоны облучения, а контейнера III больше длины зоны облучения. Выделим в контейнере I точку М_I такую, что она отстоит от центра полезного объема контейнера на расстоянии Х. Тогда в позиции a точка M_I имеет координату Х такую, что Х₁ ≅Х ≅Х₂, где Х₁ и Х₂ - координаты границ зоны облучения. При перемещении из а и б или обратно точка M_I проходит по зоне облучения путь от Х до Х₂. При перемещении из позиции в в г или обратно точка M_Iпроходит по зоне облучения путь от Х₁ до Х. Если контейнеры возвратно-поступательно перемещать с одной и той же скоростью n раз при наборе первой половины флюенса и n раз при наборе второй половины, то точка M_I 2n раз полностью пересечет всю зону облучения. Поскольку все остальные точки в позиции а расположены между Х₁ и Х₂, то они также 2n раз полностью пересекут всю зону облучения и будут облучены нейтронами с одним и тем же флюенсом. Точно таким же флюенсом, как и контейнер I, будут облучены все точки контейнера III, если в позиции б (или в) их координаты находятся между Х₁ и Х₂.

Рассмотрим теперь любую точку М₂, координата которой в позиции б меньше Х₁. За первые n циклов возвратно-поступательного движения она вообще не попадет в зону облучения. Зато за следующие n циклов (из позиции в в г и обратно) она 2n раз полностью пересечет зону облучения, т. е. будет облучена нейтронами с тем же флюенсом. Точно такой же флюенс в итоге имеет и любая точка М₃, координата которой в позиции б больше, чем Х₂: за первые n циклов она 2n раз полностью пересечет зону облучения, а за следующие n циклов она не войдет в зону облучения.

Что касается среднего контейнера II, то при каждом перемещении в прямом или обратном направлении все его точки полностью проходят зону облучения. За одно такое перемещение он набирает равномерный по его длине флюенс, определяемый выражением (2). При этом его длина может быть любой. Более того, таких (средних) контейнеров может быть несколько и все они будут за i-е перемещение равномерно облучены нейтронами с флюенсом по выражению (2). После того как на средних контейнерах наберут требуемый флюенс нейтронов, контейнеры перемещают к месту перегрузки, заменяют средние контейнеры на новые и продолжают облучение. Причем перерывы в облучении средних контейнеров могут и не совпадать с перерывами в облучении крайних контейнеров.

При однократном возвратно-поступательном движении контейнеров их перемещают через зону облучения (из позиции д в позицию е) до тех пор, пока один из них (контейнер I) полностью не выйдет за зону облучения. При этом контейнеры перемещают из положения д в е с такой расчетной скоростью v_р, чтобы каждый контейнер после полного пересечения зоны облучения был облучен нейтронами с требуемым флюенсом Ф_треб. Поэтому после первого перемещения полезный объем контейнера I будет равномерно облучен нейтронами с требуемым флюенсом
Ф_треб= (x)dx. (4) Затем контейнеры со скоростью v, значительно большей, чем v_р, возвращают к месту перегрузки. При этом контейнеры I и II набирают дополнителный флюенс нейтронов. Контейнер I полностью пересекает со скоростью v зону облучения. Поэтому он равномерно по длине набирает дополнительный флюенс
Ф_д= (x)dx, (5) который учитывают при попадании в номинал легирования. Контейнер II не полностью пересекает зону облучения, поэтому дополнительный флюенс по его длине распределен неравномерно. Максимально возможная неравномерность возникает тогда, когда один торец контейнера II полностью пересекает зону облучения и набирает дополнительный флюенс (5), а второй торец дополнительно не облучается нейтронами. Следовательно, разность дополнительных флюенсов будет не больше, чем правая часть выражения (5).

В положении перегрузки контейнер I убирают, а новый контейнер IV размещают за оставшимися. При втором возвратно-поступательном цикле облучения контейнеры перемещают со скоростью v до совмещения первого из них (контейнер II) с его местоположением в предыдущем цикле облучения в момент изменения направления движения (позиция ж). При этом разность дополнительных флюенсов на торцах контейнера II удваивается
ΔФ_д≅ (x)dx. (6) Из позиции ж контейнеры перемещают со скоростью v_p до тех пор, пока полезный объем первого из них (контейнера II) полностью не выйдет за зону облучения (позиция з). Затем контейнеры возвращают со скоростью v к месту перегрузки, а набираемый при этом дополнительный флюенс на контейнере II так же учитывают, как и при облучении контейнера I для попадания в номинал легирования. Таким образом, контейнер II с расчетной скоростью vр лишь один раз полностью пересекает зону облучения. Разброс концентрации трансмутационной примеси фосфора определяется разбросом дополнительного флюенса нейтронов δ= (7) с учетом (2) и (6)
δ≅ 2 . (8)
Все остальные циклы облучения ничем не отличаются от второго.

При облучении как по предлагаемому способу, так и по прототипу число полностью облученных контейнеров равно полному числу перерывов в облучении. В то же время в предлагаемом способе коэффициент использования нейтронов значительно выше, чем по прототипу, так как в зоне облучения постоянно присутствует в процессе облучения хотя бы один контейнер со слитками кремния. (56) 1. Смирнов Л. С. , Соловьев С. П. , Стась В. Д. и др. Легирование полупроводников методом ядерных реакций. Нововибирск: Наука, 1981, с. 138.

2. Нейтронно-трансмутационное легирование полупроводников. Под ред. Дж. Миза. М. : Мир, 1982, с. 104-122.

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых материалов для приборов электронной и электротехнической промышленности. Сущность изобретения: для повышения коэффициента использования нейтронов в способе нейтронно - трансмутационного легирования кремния, включающем возвратно-поступательное перемещение контейнеров со слитками кремния через зону облучения по каналу реактора и контроль усредненного по длине слитков флюенса нейтронов до набора требуемого флюенса, одновременно перемещают не менее двух контейнеров. При смене направления движения в зоне облучения должен присутствовать хотя бы один контейнер. При многократном перемещении в зоне облучения в момент смены направления присутствует только один крайний контейнер, причем процесс облучения прерывают при наборе крайним контейнером половинного флюенса от требуемого и меняют контейнеры местами, сохраняя каждому из них прежнюю ориентацию в канале. При однократном перемещении желаемого результата достигают благодаря тому, что контейнер подвергаемый облучению в данном цикле, перемещают с различными скоростями V_р - это скорость, с которой при перемещении через всю зону облучения контейнер облучается нейтронами с требуемым флюенсом; V - скорость, с которой контейнеры перемещают между зоной перегрузки и зоной облучения, причем V/V_р≥ 2/δ, , где δ - предельно допустимый разброс концентрации трансмутационной примеси фосфора в относительных единицах. 2 з. п. ф - лы, 1 ил.

1. СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ, включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния по каналу реактора через зону облучения и контроль за усреднением по длине слитков контейнера флюенсом нейтронов до набора требуемого флюенса, отличающийся тем, что через зону облучения перемещают не менее двух контейнеров, при смене направления движения контейнеров в зоне облучения присутствует хотя бы один из контейнеров, а после одного или нескольких циклов перемещения процесс облучения прерывают и проводят смену контейнеров местами или замену по крайней мере одного из них. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в момент смены направления движения в зоне облучения размещают только один, крайний контейнер, после набора крайними контейнерами половинного флюенса от требуемого процесс облучения прерывают, меняют крайние контейнеры местами, сохраняя каждому из них прежнюю ориентацию, после чего облучение продолжают. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в каждом цикле облучения контейнеры сначала перемещают со скоростью v_р через зону облучения до выхода за ее пределы первого из них, затем возвращают контейнеры со скоростью v к месту их замены, изымают первый контейнер, за оставшимися контейнерами размещают новый и следующее перемещение контейнеров ведут со скростью v до совмещения второго контейнера с его местоположением в предыдущем цикле облучения в момент изменения направления движения, после чего цикл облучения повторяют, причем v/v_р≥ , где v_р - скорость, с которой при перемещении контейнера через всю зону облучения контейнер облучается нейтронами с требуемым флюенсом, > δ - предельно допустимый разброс концентрации трансмутационной примеси фосфора, отн. ед.