Определение оптимальных условий для выращивания монокристаллов с заданными свойствами требует в каждом отдельном случае долгих и кропотливых исследований, носящих в основном химический и физико-химический характер. Общие правила состоят из следующего: необходима тщательная подготовка подложки, на которую предполагается производить наращивание; температура на поверхности, а также состав и скорость протока паровой смеси должны быть неизменными в течение всего процесса.
Часто в результате синтеза полупроводниковое соединение получается в виде очень мелких и несовершенных кристаллов, чистота которых неудовлетворительна Перекристаллизация разлагающихся соединений методами плавления или возгонки оказывается по разным причинам или нецелесообразной или невозможной. В этих случаях интересные результаты можно получить методом реакций переноса или, как их еще называют, газотранспортными реакциями.
Сущность реакций переноса заключается в следующем. При взаимодействии газообразного реагента А с твердым, нелетучим веществом, подлежащим переработке (источник), при различных значениях температуры и парциальных давлении могут образоваться разные по составу и относительным концентрациям газообразные молекулы соединении типа АРХ7, "г. е. может осуществляться следующая реакция
:
Х(тв)+А(г)Þ АРХР + АРХР + АРХР .+ • • •
При данных условиях между разными соединениями АРХР, устанавливается некоторое состояние равновесия, характеризуемое определенными парциальными давлениями всех газообразных соединений. Если мгновенно изменить температуру системы, то состояние равновесия нарушится и состав компонентов смеси изменится. При некоторых изменениях температуры (или давлений) может произойти разложение одного из газообразных продуктов с выделением вещества X. Для того чтобы осуществить перекристаллизацию вещества X, его помещают в один конец откачанной кварцевой ампулы, в которую вводится определенное (обычно малое) количество газообразного реагента А, после чего ампула запаивается. Ампула помещается в двухзонную печь таким образом, чтобы источник находился при температуре Т1, а зона кристаллизации, расположенная на другом конце ампулы, находилась при температуре Т2. Температуры Т1 и Т2 определяют так, чтобы при Т\ преимущественно образовывалось газообразное соединение АРХР, которое, попадая в зону температур Т ч, разлагалось бы, выделяя вещество X и газообразный реагент А (или другое соединение АР`ХР` ). Реагент А (или АР`ХР` ), диффундируя по ампуле, снова попадает в зону источника, снова образует газообразное соединение АРХР, молекулы которого, попадая в зону кристаллизации, распадаются, и т. д. Следовательно, определенное количество газообразного вещества А может обеспечить перенос и перекристаллизацию произвольно большого количества вещества X.
Необходимым условием для осуществления переноса наряду с обратимостью гетерогенной реакции является изменение концентраций, которые возникают вследствие перепада температур или давлений. Процесс переноса перерабатываемого вещества состоит из трех этапов: 1) гетерогенной реакции газообразного переносчика с веществом источника, 2) перемещения газообразного соединения от источника к зоне роста, 3) гетерогенной реакции, в результате которой выделяется переносимое вещество. Следует отметить, что при переносе, например, бинарного соединения только один из его компонентов переносится за счет обратимой газотранспортной реакции, второй же компонент может переноситься в свободном состоянии (например, перенос GaAs).
Выбор гетерогенной реакции переноса осуществляют на основе следующих общих правил:
1. Перенос вещества посредством обратимой реакции может происходить лишь в том случае, если переносимый компонент конденсированной фазы фигурирует только в одной части уравнения.
2. Реакции, которые при равновесных условиях сильно смещены в одну или другую сторону, не приводят к заметному переносу вещества.
3. Эффективность и направление переноса определяются суммарным изменением свободной энергии DG = DH—ТDS. Если AS мало, то направление переноса определяется только знаком DH. При экзотермических реакциях перенос осуществляется в направлении от более низкой к более высокой температуре (T1®T2), а при эндотермических — от более высокой к более низкой температуре (Т2®Т1). Если при положительном значении ДЯ изменение энтропии AS имеет большое положительное значение, то перенос происходит в направлении Т2®Т1, если же Д5 имеет достаточно большое отрицательное значение, то перенос происходит в направлении T1®T2.
4. Выход реакции тем больше, чем больше суммарное изменение свободной энергии; если значение константы равновесия (log Кр) сильно изменяется при изменении температуры, то выход реакции должен сильно изменяться с изменением температуры.
По закону действия масс константа равновесия гетерогенной реакции определяется парциальными давлениями газообразных компонентов реакции. Перенос осуществляется только при наличии отклонений от равновесия, как у источника, так и у поверхности роста. Степень же отклонений от равновесия определяется температурой и значениями парциальных давлений компонентов в обеих зонах.
Скорость массопереноса может быть ограничена либо диффузионными и конвекционными процессами, либо скоростью гетерогенных реакций, протекающих в зоне источника и в зоне кристаллизации. В большинстве исследованных газотранспортных реакций скорость массопереноса лимитируется процессами перемещения газа между зонами реакции.
Если суммарное давление паров в системе не превышает 2— 3 ат, для расчетов скорости массопереноса можно ограничиться учетом только диффузионных процессов.
Для повышения эффективности диффузионного переноса компонентов было предложено располагать источник и подложку (в виде пластин) па очень близком расстоянии друг от друга. Зазор между пластинами не должен превышать 0,1 диаметра источника. Необходимый для процесса градиент температуры можно регулировать в широких пределах, используя радиационный нагрев. При малых зазорах эффективность переноса близка к 100%, причем состав растущего кристалла довольно точно соответствует составу источника, а его конфигурация подобна форме источника. Этот метод, получивший название «сэндвич метода», весьма удобен для изучения кинетики процессов переноса в зависимости от температуры и давления паров переносчика. С технологической точки зрения его главным недостатком является трудность очистки поверхности кристалла-подложки и источника непосредственно перед проведением процесса. «Сэндвич метод» применяют главным образом для выращивания эпитаксиальных пленок.
Метод переноса может быть использован для выращивания
крупных монокристаллов. При проведении таких процессов не
обходимо локализовать зону выделения вещества на поверхности растущего кристалла. Хорошие результаты достигают при
использовании установки, представленной на рис. 6.35. Для создания резкого и строго локализованного перепада температур I
печь сопротивления (греющая спираль, намотанная на трубку '
из прозрачного кварца) располагают в водоохлаждаемой вакуумной камере. При вакууме 10~3-10~4 мм рт. ст. теплоизоляция
может быть обеспечена несколькими отражающими экранами,
расположенными вокруг печи Если высота одного или двух
внутренних экранов будет меньше высоты греющего элемента,
то на границе верхнего края этого укороченного экрана внутри
печи появится перепад температур (Т2®Т1).
Предварительно откачанная и запаянная ампула, которая содержит материал, подлежащий перекристаллизации, и вешество-переносчик (йод хлор, хлороводород, вода), крепится к кварцевому штоку, который выводится из камеры через вакуумное уплотнение и может приводиться г, поступательное движение Во время разогрева печи вся ампула находится в области более высокой температуры Т2. После достижения стабильного температурного режима включается механизм вытягивания штока, и оттянутый на конус верхний конец ампулы проходит через зону перепада температур. Если скорость перемещения ампулы несколько меньше или равна линейной скорости роста кристалла (которая определяется скоростью поставки молекул, содержащих кристаллизуемый материал), то реакция будет происходить на поверхности растущею кристалла При росте в результате реакций переноса линейная скорость роста обычно не превышает одного — нескольких микрон в минуту, а потому длительность процесса выращивания достаточно большою кристалла составляет несколько недель.
Нередко метод реакции переноса применяют не только для выращивания монокристаллов или пленок, но и для очистки материала от примесей.
Во многих случаях, например, для выращивания эпитаксиальных пленок элементарных полупроводников или соединений с незначительными отклонениями от стехиометрии процессы переноса намного удобнее проводить в проточных системах. В проточных системах реакция у источника контролируется независимо, т. е. значения Т и Р в зоне источника не связаны со значениями Т и Р в зоне кристаллизации Скорость переноса молекул летучего соединения может регулировался скоростью потока газа-носителя, что позволяет увеличить скорость переноса Наконец, в проточном методе легко вводить легирующие примеси или избыток одного из компонентов соединения Расчет скорости переноса в проточных системах значительно проще, а потому легче установить условия проведения процессов. Перенос осуществляется простои гетерогенной обратимой реакцией