Расчет распределения примесей в бинарных системах полупроводник-примесь при кристаллизационой очистке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

кристаллизационная очистка полупроводник примесь

Особое и первостепенное место в технологии очистки полупроводниковых материалов и металлов занимают методы кристаллизационной очистки. Создание и развитие электронной техники во многом обязано именно этим методам. Все методы кристаллизационной очистки основаны на различной растворимости примесных компонент в растворе или расплаве и равновесной с ним твердой фазе основного вещества. Для глубокой очистки веществ кристаллизация из раствора применяется реже, чем кристаллизация из расплава, поскольку растворитель всегда загрязняет очищаемое вещество.

Методы выращивания монокристаллов из расплавов

Все методы выращивания кристаллов из расплавов основываются на выводах из кинетической теории роста кристаллов. Рост кристаллов возможен только тогда, когда вблизи поверхности кристалла поддерживается постоянный градиент температуры, что подразумевает наличие в кристаллизационной установке нагревателя и холодильника. Иначе говоря, после возникновения зародыша скорость роста кристалла определяется лишь скоростью отвода скрытой теплоты кристаллизации от поверхности раздела между твердой фазой и расплавом. Тепло отводится либо через зародыш к какому-нибудь источнику поглощения тепла, либо поглощается переохлажденным расплавом. В последнем случае рост происходит очень быстро. Методы выращивания кристаллов из расплавов используются для тех веществ, растворимость которых в практически применяемых растворителях мала или имеет нулевой т. к., а также для веществ, метастабильная область растворов которых узка. Однако метод выращивания из расплавов неприменим для веществ, обладающих высокотемпературными полиморфными модификациями, также для веществ, расплавы которых имеют узкую метастабильную область и не допускают значительных переохлаждений, и частично для веществ, плавящихся с разложением.

Следует иметь в виду, что однородность кристаллов, полученных из расплавов, вообще говоря, ниже, чем у кристаллов, выращенных из растворов. Наиболее распространенными дефектами в них являются напряжения. В то же время скорости роста кристаллов из расплава в десятки раз превышают скорости кристаллизации из растворов, что очень важно для промышленных условий.

Метод Чохральского

Чохральский предложил метод особенно пригодный для выращивания металлических монокристаллов. Расплав втягивается в капиллярную трубку, где обычно кристаллизуется в виде монокристалла, который и служит затравкой для последующего вытягивания (Рисунок 1). Для предотвращения разрыва образующегося кристалла, его вес должен находиться в соответствии с капиллярной силой.

Рисунок 1. Приготовление затравки с помощью капиллярной трубки

Скорость вытягивания монокристалла из расплава должна быть равна скорости кристаллизации. Отставание скорости подъема может привести к поликристаллическому росту, опережение - к уменьшению диаметра образца (в предельных случаях - к разрыву). Отсюда нетрудно понять необходимость равномерного вытягивания монокристалла из расплава. При изменении скорости вытягивания происходят изменения в диаметрах образца, что приводит к большим температурным напряжениям, особенно на границе раздела. Одновременно изменяется коэффициент распределения примеси, т. е. монокристалл становится «зональным» в отношении легирующей его примеси. К аналогичным результатам приводят колебания температур кристаллизации.

Равномерность вытягивания монокристалла и стабильность температуры кристаллизации - важнейшие условия выращивания совершенных монокристаллов методом Чохральского. Желательная стабильность скорости вытягивания должна составлять ± 1%, допустимые колебания температур - не больше ± 0, 5°.

Скорость роста (скорость вытягивания) зависит от величины температурного градиента у фронта кристаллизации. Чем больше градиент, тем больше допустимая скорость роста. Оптимальные условия процесса роста обычно устанавливаются экспериментально. Чаще всего скорость роста не выходит из пределов 0, 1 - 4 см/час. Однако необходимо заметить, что совершенство кристаллов тем выше, чем меньше их скорость роста. Колебания температуры устраняются точным регулированием степени нагрева, либо обеспечением хорошей тепловой изоляции. Температурный перепад и форму фронта кристаллизации можно регулировать посредством вспомогательных нагревателей или путем охлаждения либо самой затравки, либо ее держателя (холодильника). Последний охлаждают водой или холодным газом. В аппаратуре, используемой в местах вытягивания монокристалла, предусматривается устранение механических колебаний. При таких колебаниях кристалл растет неправильно, с дефектами.

Механические колебания, т. е. неравномерность скорости вращения и вытягивания, можно устранить, тщательно регулируя механическую систему. Особенно важно, чтобы приводные механизмы для вытягивания и вращения были достаточно мощными и смогли преодолевать трение в кольцевом уплотнении. При нагревании держателя, а также при конденсации пара на нем трение возрастает. Установке необходимо придать такое положение, которое бы исключало возможность ее вибрации.

В методе Чохральского поддерживают плоский фронт кристаллизации. Это ослабляет механические напряжения при охлаждении и позволяет избежать деформации монокристаллов в пластическом состоянии. Кроме того, плоский фронт кристаллизации обеспечивает равномерное распределение легирующей примеси в объеме кристалла.

Особое внимание уделяется качеству затравки. Чем оно выше, тем совершеннее выращиваемый на ней монокристалл. Примером того, как выращиваемые кристаллы наследуют дефекты затравки, может служить кристаллизация двойниковых дендритных лент и нитей германия. Затравкой такой кристаллизации из метастабильного расплава служит полисинтетический двойник; по меньшей мере, тройник. Входящие углы тройника становятся предпочтительными местами приложения частиц, благодаря чему дендриты растут с большой скоростью (10 см/мин) при переохлаждении на 5-10° С. Хрупкий германий в форме ленты шириной 3-5 мм и толщиной 100- 300 мк становится гибким. Поверхность ленты, совпадающая с гранью (111), совершеннее по сравнению с обработанной. Лучшая механическая полировка дает величину обработанного слоя в 1 мк.

Германиевая дендритная нить диаметром 25 мк представляет собой тот же тройник округлой формы. В условиях быстрого вытягивания из менее переохлажденного расплава германия образец не успевает приобрести огранку. За последние годы разработка и конструирование установок для выращивания монокристаллов из расплава методом Чохральского достигли большой степени совершенства. Используются печи либо с непосредственным, либо с индукционным нагревом. Это малоинерционные печи, позволяющие вести гибкое управление температурой. Материалом рабочей камеры служит нержавеющая сталь. Внутренняя поверхность сосуда, содержащего расплав, по чистоте не должна уступать выращиваемому кристаллу. Так, для монокристаллов кремния материалом тигля служит кварц, как единственно чистый материал (10-8% чистоты). Разработан вариант бестигельного процесса кристаллизации кремния, где источником нагрева является электронный луч. При выращивании кристаллов методом Чохральского желательны либо вакуум, либо инертная атмосфера. В случае, когда расплав обладает особенно высокой упругостью пара, используется инертный газ, давление которого должно превышать 1 атм. Однако для нестабильных систем этот прием малоприменим. Многие окислы, сульфиды и особенно селениды начинают возгоняться уже задолго до расплавления. Растущий спрос на совершенные монокристаллы, особенно полупроводниковые, делает необходимой полную автоматизацию аппаратуры для их выращивания. На рисунке 2 показана схема одной современной установки. Весь процесс, включая отбор при разращивании затравки и последующий рост, можно запрограммировать.

Рисунок 2. Нагреватель вместе с вытянутым кристаллом

Метод Вернейля

Техническое оформление и сущность метода Вернейля состоит в следующем. Латунная трубка (Рисунок 3) соединена с воронкой, снабженной боковым отверстием для впуска кислорода. Эта трубка вставлена в более широкую латунную трубку также с боковым отростком для поступления водорода. Нижние концы концентрических трубок помещены в муфель из огнеупорной глины, внутри которого имеется «свеча» из огнеупорного материала. Эта «свеча» может перемещаться вертикально при помощи механизма. Внутри воронки помещен сосуд С с сетчатым дном. Небольшой молоточек периодически отклоняется зубчаткой и, слегка ударяя о воронку, заставляет порошок окиси алюминия небольшими порциями просыпаться через сетчатое дно сосуда С и падать на свечу, конец которой омывается пламенем гремучего газа. Падающий порошок расплавляется пламенем газа и на конце свечи опекается в коническую затравку. Когда затравка достигает определенной величины и формы, изменяют условия горения газа, чтобы расплавить вершину конуса затравки, и далее так регулируют температуру пламени в вершине конуса, чтобы расплавленные пылинки, попадая на затравку, могли прирастать. Эти условия обеспечивают выживание одного кристалла, ориентированного по градиенту температур. Ориентация нарастающей «бульки» будет соответствовать ориентации зерна шейки.

Рисунок 3. Установка Вернейля

Шихтой для выращивания бесцветного монокристалла корунда служит окись алюминия, к которой при выращивании красного рубина добавляют небольшие количества окиси хрома, а для получения сапфира - окись ванадия и т. д. Порошок А12O3 (у-А12O3 в отличие от выращиваемых кристаллов а- Al2O3) изготовляется обычно путем прокаливания в определенных условиях алюмоаммиачных квасцов. Кристаллы, получаемые этим методом, имеют вид опрокинутого конуса. Громадные внутренние напряжения делают их непрочными и легко рассыпающимися на мелкие осколки. Непрочными оказываются и детали, вырезанные из кристалла корунда, уже анизотропного в отношении механических свойств. В практике применения кристаллов корунда не безразлично, как ориентирован кристалл. Предварительно установить расположение главных кристаллографических осей удается только с большим трудом. В результате распиловки и обработки деталей из кристалла корунда 75-80% его идет в отходы. Проблема получения ориентированных монокристаллов корунда была решена С. К. Поповым. В результате изменения метода монокристаллы корунда получались в виде цилиндрических стержней.

В новой конструкции аппарата разработана точно регулируемая подача шихты. Резервуар, в котором находится шихта, подвешен на тонкой мембране, благодаря чему он может продолжительное время вибрировать от слабых ударов молоточка и просыпать через сито необходимое количество шихты. Для получения корундовых стержней вершину монокристалла необходимо держать в строго ограниченной зоне пламени, причем можно задавать диаметр стержня, регулируя подачу кислорода. Расширение кристалла производят за счет увеличения подачи кислорода.

Выращиванию высококачественных кристаллов корунда способствовало успешное решение и третьей задачи: определение положения растущего кристалла в зоне пламени гремучего газа. Автоматический суппорт позволяет просто и точно регулировать скорость опускания кристалла по мере его роста.

Аппарат системы С. К. Попова дает возможность получать стержневые кристаллы диаметром от 2 до 3 мм со скоростью роста в 10-15 раз больше скорости роста обыкновенной бульки. Наблюдаемая средняя скорость роста кристаллов корунда при 2050°С равна 13-18 мм/час. Выращивание осуществляется на затравке с определенной ориентацией и хорошего качества. Соотношение подаваемых водорода и кислорода на заданном режиме роста равно три к одному (Н2 - 2700л/час, O2 - 700л/час). При таком режиме размеры выращенного кристалла зависят от времени. Корундовые стержни, диаметр которых по длине не строго постоянен, обладают значительными внутренними напряжениями. После роста кристаллы отжигают в течение нескольких часов до температуры 1900°С в графитовых тиглях. Методом Вернейля-Попова выращивают также некоторые ферриты, гранаты и сегнетоэлектрические кристаллы.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены процессы кристаллизационной очистки, а также её расчет в бинарных системах полупроводник-примесь.

Произведены расчеты для четырёх очищаемых примесей: алюминия, тантала, талия и сурьмы, при выбранном расплаве кремния.

Результаты расчета представлены в разделах проекта.

Качество очистки, главным образом определяется скоростью перемещения расплавленной зоны. Чем ниже скорость перемещения зоны, тем качественнее происходит очистка слитка.

Физические методы анализа чистых веществ гораздо менее трудоемки и длительны, чем обычные аналитические методы определения содержания примесей. Однако результаты, полученные такими методами, дают представление только о суммарном содержании примесей. Тем не менее, они позволяют надежно судить о возможности использования проанализированных чистых веществ в технологии полупроводниковых материалов. Понятие химической чистоты материалов, а также способы ее выражения различны и зависят от области применения материала.

Список использованных источников

Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. - М. : Радио и связь, 1991. -528 с.

Шишлянников Б. М. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. Методические указания к курсовому проектированию для студентов направления 550700. Новгород, 1998. - 41с.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Приложения

Универсальная газовая постоянная R=8, 31

Число Авогадро

Таблица значений

Размещено на Allbest.ru