Методи вирівнювання концентрації домішок в монокристалах вирощених розплавів

Неоднорідності з причин їх виникнення можна розділити на дві групи: сегрегаційні і технологічні.

Сегрегаційні (або як їх часто називають фундаментальні) пов'язані з закономірними змінами складу зростаючого кристала, зумовленими основними законами фазових перетворень в багатокомпонентних системах. Ці закономірні неоднорідності охоплюють весь обсяг вирощеного кристала.

Технологічні неоднорідності мають Незакономірні характер. Вони пов'язані з порушеннями стабільності умов росту кристалів і охоплюють невеликі обсяги кристала. Ясно, що технологічні неоднорідності можуть бути усунені удосконаленнями технологічної апаратури для вирощування монокристалів напівпровідників і підбором оптимальних умов зростання. Подібні способи вже розглядалися в попередньому розділі. У теж час сегрегаційні неоднорідності таким шляхом усунені бути не можуть. Для боротьби з ними необхідно розробляти спеціальні методи.

Методи вирівнювання сегрегаційний неоднорідностей складу кристала діляться на дві групи: пасивні та активні методи. У першому випадку монокристали із заданою однорідністю розподілу домішки одержують без внесення будь-яких змін в кристалізаційний процес, тобто використовуються частини кристала з приблизно рівномірним розподілом домішки. Під активними методами маються на увазі такі, які дозволяють активно впливати на хід процесу легування під час росту, тобто по суті, дозволяють програмувати процес зміни складу.

Ефективність методу вирівнювання складу оцінюють величиною, званої виходом процесу або виходом придатного матеріалу. Виходом прийнято називати відношення частині кількості речовини з необхідними для подальшого використання властивостями до загального його кількості, підданому технологічній обробці. У літературі також часто використовується таке поняття, як теоретичний вихід придатного матеріалу. Маючи аналітичне вираження для розподілу складу в кристалі, вирощуваної будь-яким методом, можна розрахувати значення теоретичного виходу для цього процесу. Оскільки теоретичний розрахунок враховує тільки сегрегаційні неоднорідності складу, то значення теоретичного виходу буде характеризувати максимальна межа, вище якої не можна збільшити реальний вихід придатного матеріалу.

3.1 Пасивні методи вирівнювання складу

Однорідні кристали напівпровідників найпростіше отримати, використовуючи без будь-яких змін звичайні кристалізаційні процеси: нормальну спрямовану кристалізацію і зонну плавку. У цьому випадку використовують приблизно однорідно леговану частина кристала. Аналіз кривих розподілу домішок у цих процесах показує, що найбільш рівномірно легована частина кристала примикає до одного з його кінців, тому доцільно для подальшої роботи використовувати саме ці частини.

При вирощуванні легованих кристалів методом нормальної спрямованої кристалізації склад вихідного розплаву зазвичай задають так, щоб необхідна концентрація домішки опинилася на початку злитка.

Оцінка значення розрахункового виходу з прийнятним (± 10%) розкидом складу по довжині злитку при вирощуванні легованих кристалів методом нормальної спрямованої кристалізації показала низьку ефективність цього методу для отримання однорідного матеріалу (при K = 0.1 теоретичний вихід дорівнює 10.5%). Однак, завдяки своїй простоті цей метод іноді застосовується для отримання легованих монокристалів методом Чохральського.

Розглянемо тепер можливості використання приблизно рівномірно легованої частини кристалів, вирощуваних методом зонної плавки. Теоретичний вихід процесу в цьому випадку, як показують оцінки, залежить від розподілу домішки у вихідному матеріалі. Найбільш поширеним у даній технології є в середньому рівномірний вихідне розподіл домішки.

Аналіз теоретичного виходу процесу зонної плавки при цих умовах показав, що вихід тим більше, ніж коефіцієнт розподілу ближче до 1; він зростає із збільшенням приведеної довжини кристала A = L / l, де L - довжина кристала, l - довжина зони, і в межі прагнути до (A - 1) / A. Вихід у цьому випадку може бути зроблений досить близьким до 100% для разового проходу розплавленої зони через рівномірний в середньому по складу зразок. Таким чином, метод зонної плавки може задовольнити більшості практичних вимог при отриманні однорідних кристалів, якщо тільки наведена довжина злитку досить велика.

Ефективним способом підвищення теоретичного виходу при вирощуванні кристалів методом зонної плавки є вирівнювання істотно неоднорідного розподілу домішок в початковій частині злитка. Для цього в початковій частині кристала довжиною в одну зону створюється середня концентрація домішки в K разів менша, ніж в іншій частині кристала. Такий метод створення вихідного розподілу домішки отримав назву цільової завантаження. Для домішок з K <1 і з рівномірним в середньому початковим розподілом за обсягом кристала необхідний розподіл найпростіше створюється легуванням зони в початковій частині зразка. Після розплавлення зони в неї вводиться домішка в такій кількості, що при русі зони уздовж зразка вона з самого початку має постійний склад: у неї через кордон плавлення входить рівно стільки домішки, скільки йде через кордон кристалізації. Внаслідок цього склад вирощуваного кристала постійний по всій довжині за винятком його кінця, де процес йде за законом нормальної спрямованої кристалізації.

Також на практиці часто використовується метод проходження легуючої зони через чистий вихідний зразок для отримання рівномірно легованих кристалів. Суть методу зводиться до наступного. У розплавлену на початку чистого кристалу зону вводять легувальну домішка. Для домішки з K <<1 при кристалізації розплаву із зони йде настільки мало домішки, що склад рідкої фази практично не змінюється і, таким чином, виходить однорідний легований матеріал.

Тому цей метод найбільш ефективний для домішок з K <<1.

3.2 Активні методи вирівнювання складу кристалів

Ці методи служать для підвищення виходу матеріалу з рівномірним розподілом домішки. Їх відмітною особливістю є те, що протягом всього кристалізаційного процесу в нього вводяться певні зміни. Активні методи вирівнювання складу поділяються на дві основні групи.

Перша - включає методи, в яких з метою підтримки концентрації домішки в розплаві протягом всього процесу вирощування монокристалу постійно проводять підживлення розплаву або нелегованої твердої, рідкої або паровою фазою (якщо K <1), або фазою, яка містить легувальну домішка (якщо K> 1). У цих методах в процесі кристалізації мають дотримуватися такі умови: C _L = Const, K = Const, V = Const, C _S = KC _L = Const. Система процесу вирощування однорідного кристала в найбільш загальному вигляді включає в себе наступні елементи: зростаючий кристал, розплав і надходить у нього підживлюють масу.

Друга - методи, в яких змінюються самі умови росту монокристалів. Процеси вирощування однорідних кристалів цими методами протікають при наступних умовах: C _L ≠ const; K ≠ const; f ≠ const; C _S = K _н C ^н _L = K _до C ^до _L = Const, де н - початок, а до - кінець. При цьому програма зміни кристалізаційного процесу забезпечує сталість швидкості захоплення домішки протягом всього процесу вирощування монокристала.

Дата добавления: 2015-05-26