Вирощування монокристалів кремнію (стр. 2 из 5)

Комплекс цих високоефективних процесів ліг в основу технологічного гіганта – виробництва мікропроцесорів. Переробка кремнію в мікропроцесор складається неменше ніж з 200 стадій.

Методи вирощування напівпровідникових кристалів

Для вирощування напівпровідникових монокристалів використовують дуже багато методів, що зумовлено з одної сторони різними фізико хімічними властивостями напівпровідникових матеріалів, а з другої - конкретною задачею отримання матеріалу з певними характеристиками.

Технічно добре розвинені методи отримання монокристалів із розчинів, які широко використовуються для кристалізації простих речовин ( германій, кремній ). Для вирощування нестійких хімічних з’єднань ( наприклад, A¹¹B6, A¹¹¹B5 та інші ) з розплаву потрібні додаткові умови, запобігаючи руйнуванню стехіометрії, які можуть суттєво ускладнювати технічне і апаратне виконання кристалізації. До переваг вирощування кристалів із розплаву відносять високу швидкість росту і можливість вирощувати великі монокристали. Недолік цього методу полягає в наступному: необхідні високі температури, які призводять до підвищення концентрації дефектів ( вакансій і дислокацій ) в кристалах.

В технології вирощування напівпровідникових монокристалів найбільше уваги привертається також до методів вирощування монокристалів із розчинів і парової фази. Основні переваги цих методів в тому, що в процесі вирощування кристалів при низькій температурі концентрацію вакансій, а також дислокацій можна звести до мінімуму ( концентрація вакансій залежить від температури експотенціально ). Крім того, метод низькотемпературної кристалізації є єдиним можливим для отримання кристалів речовин, плавлячись інконгруентно або маючи фазовий перехід поблизу температур плавлення. Недоліком методу кристалізації з розчину або з парової пари є повільний ріст кристалу, важкості підбору розчинників, які б не спричиняли забруднень кристалів.

Вирощування з розплавів. Вирощування монокристалів із розплаву виконують в системі кристал – розплав, при чому на границі розділу фаз має місце виділення граничної теплоти кристалізації L_s. Переважно теплоту кристалізації відводять через нарощений кристал.

Кількість тепла Q_т, виділяється на фронті кристалізації при скорості росту v_р, густини рідини j_ж і діаметра кристалу 2r, рівно Q_т =L_s J_ж π r² v_p , а тепловідвід q_т через кристал що росте рівний виробленню величини теплопровідності К_тв твердої фази на градієнт температури і поперечного перерізу виробу

Прирівнюючи ці величини, отримаємо

Звідки

В таблиці 1 показано приклад відношення між швидкістю росту і температури градієнтом, який ілюструє відношення (1) для Ge.

Табл. 1

Радіус граничної поверхні між кристалом і рідиною, см 0,1 0,25 0,5 1,0

Максимальна величина dT/dx, град/см 750 475 334 236

Максимальна швидкість dx/dt, см/сек 0,0566 0,0307 0,0217 0,0151

На практиці вирощування монокристалів незалежно від радіуса кристалу швидкість кристалізації 1-2 мм/хв., але найчастіше ці показники є нижчі.

При виборі швидкості вирощування і градієнта температури поблизу фронту кристалізації, а особливо при вирощуванні легованих монокристалів, можуть виникнути макродефекти у вигляді полі кристалічності або малокутової розорієнтації за рахунок концентраційного охолодження. Суть концентраційного охолодження полягає в тому, що при рості кристалу із розплаву, який містить в собі домішку, для якої коефіцієнт розподілу r* ≠1 ( розглянемо випадок коли r* <1 ), при русі виникає підвищена концентрація домішок С₁=С_s/r* , експотенціально спадаючи в глибину розплаву до С_l ( рис.1 б ); малий градієнт температури на фронті кристалізації проходить до виникнення області нестабільності розплаву ( заштрихована частина кривої розподілу температури ), яка обумовлює поглиблення рельєфу на фронті кристалізації – поява виступів висотою x. Підвищення температурного градієнта до значення, показаного у вигляді дотикаючої кривої розподілу температури, перешкоджають виникненню непотрібних ефектів концентраційного переохолодження.

2

С₁ концентрація 1 температура

відстань 3

С_{l відстань}

розплав С_s

тверда фаза

x

а) б)

Рис. 1 Схема зміни концентрації (а) і температури ( б ) поблизу фронту кристалізації.

1- Градієнт, при якому появляється нестабільна область (заштрихована ) глубиною х; 2- градієнт відповідає доторкаючою до профілю температурі; 3- профіль температури

Встановлення нормального температурного градієнта при вирощуванні монокристалів з розплаву має суттєве значення, бо завеликі градієнти температури можуть приводити до пластичної деформації, а це приводить до підвищеної концентрації дефектів. Існують модельні випробування по вивченні впливу градієнта температури і швидкості його переміщення на форму і характер викривлення фронту кристалізації. Дослідження показали, що речовини з різною теплопровідністю мають оптимальний температурний градієнт порядку 40 град/см, при якому положення і форма фронту кристалізації стабілізується.

Рис . 2 схема і назви основних методів вирощування монокристалу з розплаву

а) – отримання злитку при всесторонніх охолодженнях ; б) – метод Киропулоса ; в) – кристалізація при охолодженні дна тигля ; г) – те саме з затравкою ; д) – метод Обрегімова - Шубникова ; е)- метод Стронга ; ж)- спосіб Бриджмена ; з) – спосіб Стокбаргера ; и) – метод Чохральського ; к) – метод розплавленого шару ; л)- метод вирощування тигля; м) – спосіб Вернейля; н ) – зонна плавка; о)- безтигельна зонна плавка ; 1 –порошок (а – рихлий, б – спресований ); 2 – розплав ; 3 – кристал ; 4 – фронт росту ; 5- затравочний кристал ; 6 – полікристалічний матеріал ; 7 – електричні нагрівачі різної потужності ; 8 – газовий нагрівач ; 9 – керований нагрівач ; 10 – високочастотні нагрівачі ; 11 – нагрівач опору або ВЧ – нагрівач ; 12 – холодильник ; 13 – направлений рух.