СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/263 

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

Технология нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния основана на реакции радиационного захвата нейтронов ядрами кремния, 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 достигают указанную 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.

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 достоинство этого способа это почти полное использование объема зоны облучения в канале для легирования кремния. Однако такой способ легирования можно реализовать лишь в канале реактора, к которому возможен доступ с обоих торцов.

Известен также способ НТЛ кремния [2] выбранный в качестве прототипа, включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния по каналу реактора через зону облучения и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов. В этом способе контейнер перемещают как в прямом, так и в обратном направлениях до тех пор, пока слитки кремния полностью не выйдут за зону облучения. Поэтому при каждом пересечении зоны облучения все элементарные объемы слитков облучаются нейтронами с одним и тем же флюенсом

где F_i флюенс нейтронов, набранный при i-м пересечении зоны облучения со скоростью V₁; X₁, X₂-координаты начала и конца зоны облучения, которые выбирают так, что за их пределами облучение слитков нейтронов пренебрежимо мало.

В этом 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 слитками кремния в контейнере. Как только флюенс станет равен требуемому, облучение прекращают, 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 целесообразно осуществлять с помощью одного механизма перегрузки.

Однако в этом способе длина канала реактора должна быть достаточной, чтобы контейнер со слитками кремния мог полностью пересекать зону облучения, т. е. длина канала как за пределами зоны облучения, так и перед ней должна быть по крайней мере не меньше длины контейнера со слитками. А это условие не всегда выполняется.

Поэтому в способе НТЛ кремния, включающем, как и прототип, возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов, в отличие от прототипа, предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль (оси x) выбирают участок (-a≅x≅a), на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией (f(x)=f(-x)), в контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале (2a), а в процессе облучения контейнер со слитками перемещают из одного крайнего положения, в котором слитки в контейнере расположены за пределами зоны облучения, в другое, в котором середина длины слитков совмещена со серединой выбранного участка в канале (x=0), причем после облучения половинным флюенсом от требуемого процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показан канал реактора по отношению к зоне облучения (-в≅x≅в), участок зоны облучения -a≅x≅a, на котором плотность потока тепловых нейтронов является четной функцией (f(x)=f(-x)), а также крайние положения контейнера (условно показан не сам контейнер, а его полезный -под слитки-объем) при облучении первой половиной флюенса нейтронов (позиции "а" и "б") и дооблучении (позиции "в" и "г").

При осуществлении способа предварительно формируют нейтронное поле так, чтобы в зоне облучения был участок, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов f(x) вдоль оси канала (оси x) было бы четной функцией (f(x)= f(-x)), и определяют этот участок -a≅x≅a. Нейтронное поле формируют известными способами с помощью поглотителей и замедлителей тепловых нейтронов. Полезный объем контейнера, в котором размещают слитки кремния, задают длиной не большей, чем длина выбранного участка (2а). Затем контейнер однократно (из позиции "а" в "б" и обратно) или многократно возвратно-поступательно перемещают по каналу реактора. При облучении контейнера постоянно контролируют усредненный по длине слитков в контейнере флюенс нейтронов. Облучение прекращают после набора флюенса нейтронов, равного половине от требуемого. После этого контейнер разворачивают, чтобы его торцы в канале поменялись местами, и точно также дооблучают, однократно или многократно возвратно-поступательно перемещая его по каналу из позиции "в" в "г" и обратно. При этом в одном крайнем положении (позиции "а" и "в") полезный объем контейнера располагают за пределами зоны облучения, а в другом (позиции "б" и "г")-центр полезного объема совмещают со срединой участка (x=0), на котором f(x) является четной функцией.

Докажем, что при таком способе легирования слитки кремния будут облучены равномерно.

Введем еще одну систему координат y, которая неподвижна относительно контейнера. Поместим ее начало в середине полезного объема контейнера (позиции "а" и "б"). При движении контейнера из позиции "а" в "б" имеет место преобразование координат
x=y + V_i•t-a-b, (2)
поэтому в любой точке M(y) на длине полезного объема контейнера за i-ое перемещение будет набран флюенс

Этим выражением определяется флюенс в точке M(y) и за i-ое перемещение из "б" в "а". А за n перемещений

При этом пусть за n перемещений будет набран усредненный по длине слитков флюенс Ф₁, равный половинному флюенсу от требуемого

Так как

то

Поскольку при облучении второй половиной флюенса контейнер повернут на 180^o, то в позициях "в" и "г" ось у направлена в противоположную сторону, чем ось x. С учетом этого для второй половины облучения


где k-число перемещений при облучении второй половиной флюенса.

Левые части выражений (7а) и (7б) равны, поэтому их правые части должны быть равны при любых скоростях V_i, включая случай

Из этого следует, что



а выражение (8) справедливо при любых V_i, если только Ф₁=Ф₂.

Сравнивая при y= 0 выражения (4а) и (4б) соответственно с выражениями (10) и (11), видим, что усредненный флюенс можно контролировать и по значению флюенса в одной точке контейнера y=0.

Суммируя (10) и (11), получим полный средний флюенс нейтронов за все время облучения.

А суммируя (4а) и (4б), получим флюенс нейтронов в точке M(y) за все время облучения

С учетом того, что

так как у≅a и f(x)=f(-x)= на участке -a≅x≅a,

Из выражения (15) следует, что флюенс нейтронов в любой точке M(y) полезного объема контейнера имеет одно и тоже значение, а из (15) и (12) следует, что значение этого флюенса равно требуемому флюенсу.

Таким образом, равномерность легирования достигается как в предлагаемом способе, так и в способе по прототипу.

Однако способом по прототипу нельзя легировать кремний в каналах реактора, в которых невозможно полностью пересечь контейнером зону облучения.

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых материалов для приборов электронной и электротехнической промышленности. Сущность изобретения: для использования каналов реактора, в которых невозможно за зоной облучения разместить контейнер со слитками кремния, в способе нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающем возвратно-поступательное перемещение контейнера через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненными по длине слитков флюенсом нейтронов, предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль канала выбирают участок, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией. В контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале. В процессе облучения контейнер со слитками перемещают по каналу из одного крайнего положения, в котором середина длины слитков совмещена со срединой выбранного участка. После облучения половинным от требуемого флюенсом нейтронов процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно так же дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов. 1 ил.

Способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов, отличающийся тем, что предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль канала (оси х) выбирают участок -а ≅ х ≅ а, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией (f)х) f(-х)), в контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале (2а), а в процессе облучения контейнер со слитками перемещают по каналу из одного крайнего положения, в котором слитки в контейнере расположены за пределами зоны облучения, в другое, в котором средина длины слитков совмещена со срединой выбранного участка в канале (х=0), причем после облучения половинным флюенсом от требуемого процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно так же дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов.