Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского

Производство полупроводниковых материалов

Влияние света на проводимость полупроводников

Влияние деформации на проводимость полупроводников

От деформации (растяжения, сжатия) изменяются межатомные расстояния (увеличиваются, уменьшаются) в кристаллической решетке ПП, а, следовательно, меняется подвижность носителей заряда. Согласно формуле (3.1) произойдет изменение удельного электрического сопро­тивления.

Отношение относительного изменения удельного электрического со­противления к относительной деформации (удлинению, сжатию) в дан­ном направлении называется тензочувствительностью ПП:

d_P = (Δρ / ρ) / (Δℓ / ℓ) (3.6)

Сильная зависимость удельного сопротивления от механических де­формаций в кремнии, германии используется для изготовления из этих материалов тензодатчиков.

Под действием света в ПП может осуществляться переход электрона, в свободное состояние или образовываться дырка. Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводимости очень короткое время (10^-7 ÷ 10^-3 с). При отсутствии внешнего электрического поля они хаотически перемещаются в междуатомных промежутках (междоузлиях) кристаллической решетки. Когда к кристаллу ПП приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности. Таким образом, поглощение света приводит к появлению в ПП дополнительных нерав­новесных носителей заряда, и электропроводимость его возрастает:

σ = σ_ТЕМН + σ_С (3.7)

где σ_ТЕМН - проводимость ПП б темноте; δ_С - фотопроводимость, появляющаяся при освещении ПП.

Максимальную длину волны падающего света, поглощаемую ПП, назы­вают красной границей внутреннего фотоэффекта.

Энергия частиц света фотонов равна

E_Ф = hv = h(c/λ) (3.8)

где h - постоянная Планка; h = 4.14x10^-15 эВ∙с; с=3∙10⁸ м/с - скорость света; ν и λ - частота и длина волны падающего света.

Подставив значения h и с, получим

Е_Ф = 1,23/λ.

Если вместо Е_Ф ваять значение ширины запрещенной зоны, например, для Si ΔЕ = 1,12 эВ,.то получим λ =1,1 мкм.

Таким образом, Si будет поглощать свет только с длиной волны, меньше 1,1 мкм.

Зависимость проводимости ПП от освещения используют для созда­ния различных фоточувствительных приборов, работающих в инфракра­сной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра (фотодиоды, фото­транзисторы, солнечные батареи, и др.).

В ПП соединениях может наблюдаться эмиссия электронов из ПП в вакуум под действием квантов света (внешний фотоэффект), Это лежит в основе действия ПП фотокатодов в фотоэлектронных умножителях.

Около 75% всего производства монокристаллического Si ведет­ся по методу Чохральского, который обеспечивает должный уровень качества, необходимый при изготовлении БИС (интегральных микро­схем большой степени интеграции).

Метод Чохральского основан на направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава.

Современная установка для выращивания по Чохральскому (рисунок 3.1) представляет большой агрегат высотой более 5 м, включающий рабочую камеру, электронагреватель, прецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования и газораспределения, устройства контроля и управления через ЭВМ.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов следующая.

3.5.1.1 Подготовка и загрузка исходных материалов. В тигель помещают поликристаллический Si, полученный хлоридным методом, легирующую примесь, отходы монокристаллов, вакуумируют рабочую камеру, расплавляют материалы в тигле и выдерживают при Т > Т_плавл
чтобы испарились летучие примеси.

3.5.1.2 Прогрев затравки. Затравка - это монокристаллический
стержень из Si малого диаметра, служащий центром кристаллизации.
Поперечное сечение затравки определяет ориентацию монокристалла: Δ - (III), □ - (100), ▬ - (110).

Рисунок 3.10 – Схема установки для выращивания слитков Si по методу Чохральского.

Прогревают затравку при высоких температурах, чтобы предотвратить термоудар, появление структурных несовершенств при опускании ее в расплав.

3.5.1.3 Выращивание шейки. Затравку опускают в расплав и с вы­сокой скоростью поднимают, при этом из расплава "вытягивается"
тонкий кристалл малого диаметра - шейка.

3.5.1.4 Разращивание и "выход на диаметр". За счет снижения
скорости "подъема до (1,5-3) мм/мин осуществляется увеличение
диаметра до заданного номинала.

3.5.1.5 Выращивание цилиндрической части в автоматическом ре­жиме. ЭВМ обеспечивает управление системами поддержания температуры, скорости вытягивания, подъема и опускания штока с затравкой,
вращения тигля.

3.5.1.6 Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава.

3.5.1.7 Медленное охлаждение кристалла, чтобы свести до минимума дефекты его структуры. Диаметр монокристаллических слитков
(75-100) мм, длина 1,5 м. Возможно выращивание слитков диаметром 150 мм и более. В заданную марку по удельному сопротивлению попа­дает обычно не более 50% длины слитка, остальная часть распределяется на другие марки или направляется снова в тигель для расплавления.

Недостатки метода Чохральского:

- растворение кварцевого тигля в расплаве Si со скоростью 10^-6 г/(cм². с), что обусловливает высокое содержание кислорода в слитке и малое удельное электрическое сопротивление, не более 10⁴ Ом∙м;

- неравномерное распределение примесей, дефектов по длине слит­ка и по площади кристалла.

Для выращивания высокочистых монокристаллов Si г применяют ме­тод бестигельной зонной плавки.

Дата добавления: 2015-05-26