Материалов. Технология получения монополупроводниковых

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

Из твердой фазы. Твердофазные процессы превращения, сопровождающие рост кристаллов из твердой фазы, могут протекать как без изменения симметрии кристаллической решетки (рекристаллизация), так и с образованием новых структур с решеткой другой симметрии (общее название – перекристаллизация).

Основные методы получения монокристаллов и эпитаксиальных слоев из твердой фазы: рекристаллизация посредством отжига деформации в твердой фазе и при спекании; перекристаллизация при полиморфных превращениях; перекристаллизация из аморфного состояния или из пересыщенного твердого раствора – этот метод находит широкое применение для получения тонких эпитаксиальных слоев в технологии п/п и микроэлектронных приборов.

Достоинства твердофазных методов: 1) t_выращ < t_пл; 2) кристаллы можно делать любой формы; 3) распределение примесей и в слое, и в подложке сохраняются такими же, как в исходном материале.

Из жидкой фазы. Существуют 2 группы методов: выращивание из собственных расплавов; выращивание из растворов.

Выращивание из расплавов – наиболее распространенный промышленный процесс (большая производительность для однокомпонентных систем – в 100 раз больше по сравнению с другими методами). В основе лежит направленная кристаллизация расплава, при которой зарождение и рост кристалла при наличии переохлаждения Δt в расплаве осуществляяются на одной фазовой границе и теплота от фронта рекристаллизации отводится преимущественно в одном направлении.

Рост кристаллов осуществляется в контакте со стенками контейнера (тигля), содержащего расплав. Переохлаждение создается за счет перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя: создается тепловое поле с градиентом тампературы либо перемещается нагреватель относительно тигля. Процесс проводится без специальной затравки.

Конструкции тиглей имеют различную форму для верикально направленной кристаллизации (метод Бриджмена, рис. Б2.1а) и для горизонтально направленной кристаллизации (метод Багдасарова, рис. Б2.1б). В обоих методах важно создать один центр кристаллизации.

а б

Рисунок Б2.1. Форма тиглей по методам Бриджмена (а) и Багдасарова (б)

Материал тигля не должен смачиваться расплавом, он должен быть термо- и механически стоек (кварцевое стекло, Al₂O₃, графит, Pt, BeO, MgO, ZrO₂, ThO₂ и др.). При изготовлении монокристаллов корунда (Al₂O₃) в Mo-тиглях при скорости 10 мм/ч, t = 2 037 ^оС и вакууме 10^-1 Па методом вертикальной кристаллизации можно получать монокристаллы диаметром до 200 мм и длиной до 300 мм; методом горизонтальной кристаллизации – пластины толщиной 30 мм и площадью 300×300 мм².

Метод вытягивания из расплава (предложен в 1916 г. Чохральским) наиболее распространен для больших монокристаллов. Суть метода: порошки или куски поликристаллов (очищенные) загружают в тигель и нагревают до расплава в герметичной камере, в инертной среде или вакууме, в окислительной или в восстановительной среде (в зависимости от материала); затравочный кристалл (размером несколько мм), установленный в охлаждаемый кристаллодержатель и ориентированный в нужном кристаллографическом направлении, погружают в расплав; вытягивают из расплава таким образом, чтобы кристаллизация происходила на затравочном кристалле, диаметр получаемого кристалла регулируют подбором скорости вытягивания или нагревом расплава или обоими факторами. Схема процесса приведена на рис. Б2.2.

Стадии технологического процесса:

- выдержка расплава при t > t_пл (для очистки от летучих примесей);

- прогрев затравки над расплавом (исключение термоудара – снижение дислокаций), сечение затравки имеет форму прямоугольника или треугольника;

- погружение затравки в расплав (частично оплавляют);

- вытягивание для формирования шейки монокристалла (тонкий и длинный монокристалл), площадь сечения шейки меньше площади сечения затравки, длина шейки равна нескольким диаметрам шейки;

- разращивание монокристалла до нужного (номинального) диаметра слитка – угол разращивания должен быть малым;

- вытягивание монокристалла с номинальным диаметром (важен температурный режим, градиенты температуры в кристалле и расплаве должны быть вполне определенными – они определяют форму фронта кристаллизации (вогнутый или плоский фронт – наилучшие, реально получается несколько выпуклый фронт);

- процесс вытягивания кристалла завершается отрывом его от расплава (перед отрывом диаметр постепенно уменьшают).

Монокристаллы Si могут достигать диаметров 150 – 300 мм, длина – 1,5 – 2 м, масса до 150 кг, температура расплава – 1500±0,1 ^оС, разброс диаметра ±0,1 мм. При диаметре кристалла 200 мм скорость вытяжки 2 – 10 мм/ч (для разных материалов).

Методы зонной плавки. Применяются горизонтальная (с тиглем) и вертикальная (бестигельная) зонные плавки, их схемы показаны на рисунках Б2.3а и Б2.3б, соответственно. При вертикальном методе зонной плавки расплав не вытекает из-за действия сил поверхностного натяжения.

Метод Вернейля (для выращивания монокристаллов сапфира) – это метод пламенного плавления, схема которого показана на рис. Б2.4.

На поверхность расплавленного слоя на затравке подается поток очень мелких частиц исходного компонента, который успевает расплавиться при прохождении пламени горелки. Может применяться не порошок, а газообразная или жидкая смесь исходных компонентов, например SiCl₄ для получения монокристаллов кварца.

Рисунок Б2.2. Схема выращивания кристалла методом вытягивания из расплава:

1 – затравка, 2 – шейка кристалла, 3 – фронт кристаллизации, 4 – переохлажденная область расплава, 5 – тигель, 6 – нагреватель

Рисунок Б2.3. Схемы горизонтальной (а) и вертикальной (б) плавок:

1 – затравка, 2 – кристалл, 3 – расплавленная зона, 4 – исходный материал, 5 – стенки герметичной камеры, 6 – индуктор, 7 – кристаллодержатель, 8 – тигель.

Рисунок Б2.4. Схема метода пламенного плавления:

1 – выращиваемый кристалл, 2 – расплав, 3 – пламя, 4 – трубка для подачи порошка исходного материала и кислорода, 5 – трубка для подачи водорода

Выращивание монокристаллов из растворов. Процесс включает следующие стадии: растворение исходных компонентов; диффузия их через жидкую фазу раствора к фронту кристаллизации; осаждение на фронте кристаллизации; рассеяние теплоты кристаллизации. Скорость выращивания из растворов составляет 10^-3 – 10^-2 см/ч, т.е. на 2 – 3 порядка меньше, чем при вытягивании из расплава.

Получение кристаллов из газовой фазы. Применяются 2 группы методов: методы, основанные на чисто физической конденсации; методы с участием химической реакции, продуктом которой является кристаллизуемое вещество. Получаемые материалы: соединения A^IIB^VI, A^IVB^VI и SiC. Температура газофазных реакций намного меньше t_пл.

Выращивание методом сублимации-конденсации проводят в замкнутых и проточных системах (схемы представлены на рис. Б2.5). На рис. Б2.5а показана замкнутая система в отпаянной кварцевой ампуле, при этом температура исходного вещества больше температуры затравки. На рис. Б2.5б показаны замкнутая (вверху) и проточная (внизу) системы. Скорость роста кристалла составляет сотые, десятые доли миллиметров в час.

Рисунок Б2.5. Замкнутые и проточная системы выращиания кристаллов методом сублимации-конденсации:

1 – контейнер, 2 – исходное вещество – шихта, 3 – зона масссовой кристаллизации, 4 – монокристаллическая затравка

Задания для самостоятельной работы

1. Получение монокристаллов из твердой фазы.

2. Методы выращивания и вытягивания монокристаллов из расплава.

3. Методы зонной плавки для получения монокристаллов.

4.Выращивание монокристаллов методом сублимации-конденсации.

Дата добавления: 2014-11-25