1. Метод сублимации - конденсации

В первом случае процесс может реализоваться как в вакуумированной камере (статический режим) (рис. 34, а), так и в проточной системе (динамический режим) (рис. 34, б).

Рис. 34. Схема выращивания монокристаллов из газовой фазы в изолированной (а) и проточной (б) системах: 1 – затравка, 2 – монокристалл, 3 – испаряемый полупроводник.

Температура сублимации Т_суб. определяет интенсивность потока испаряемого вещества. Температура конденсации Т_кр. – долю атомов, занявших позицию в решетке, по отношению ко всем атомам, достигших поверхности кристаллизации: =n₁/n₀.

Чем больше температурный интервал, тем больше скорость кристаллизации, однако при этом снижается степень структурного совершенства материала.

В случае выращивания соединений с широкой областью гомогенности, например, CdTe, в реакторе создается дополнительный отдельно подогреваемый отросток, куда помещается навеска легколетучего компонента (Te) для обеспечения требуемого давления насыщенных паров.

Для увеличения производительности процесс реализуется в проточных системах (динамический режим). В качестве носителя паров обычно выступает инертный газ. Для выращивания игольчатых кристаллов соединений А^IVВ^VI и А^IIВ^VI используют охлаждаемый водой затравкодержатель.

2. Метод газового транспорта

Метод основан на использовании газотранспортных реакций (рис. 35):

А_тв. + В_г. АВ_г.

А – элементарный полупроводник или полупроводниковое соединение (в случае полупроводникового соединения образуются несколько газообразных веществ);

В – переносчик. В качестве переносчика используются галогены, хлористый водород, пары воды.

При температуре Т₁ образуется газообразное соединение АВ_г., которое переносится в холодный конец аппарата, где при Т₂ идет обратная реакция. Высвобождающийся газ В_г. вновь может принимать участие в реакции.

Рис. 35. Метод газового транспорта.

Примеры:

Основным преимуществом этого метода является отсутствие побочных продуктов, требующих вывода из аппарата, поэтому процессы можно проводить в замкнутых и герметичных системах.

2. Метод кристаллизации вещества, синтезированного в газовой фазе

Разновидностью метода являются технические решения, основанные на диссоциации или водородном восстановлении на затравке вводимого в процесс газообразного вещества.

Однако для выращивания монокристаллов этот метод распространения не получил, а в основном используется для выращивания эпитаксиальных слоев с помощью газофазной эпитаксии. Подробнее мы поговорим об этом ниже.

3.4. Методы получения профилированных кристаллов

Известно, что при использовании цилиндрического монокристалла для производства полупроводниковых приборов значительная его часть попадает в отходы. Это начальная и конечная части слитка, а также обрезки по краям. Уменьшить долю отходов можно или увеличивая диаметр кристалла, или придав ему удобную для дальнейших технологических операций форму. Для придания нужной формы кристалла используют четыре группы методов:

1. Профилирование. Метод основан на механическом ограничении формы растущего кристалла;

2. Методы, основанные на термическом ограничении растущего кристалла;

3. Методы, основанные на эффекте капиллярности;

4. Методы, основанные на анизотропии скоростей роста кристалла.

В первой группе методов, во-первых, можно использовать лодочки нецилиндрической формы.

Во-вторых, при Т  2/3 Т_пл. большинство полупроводниковых материалов становятся пластичными, и их можно прокатывать.

Однако, несмотря на простоту реализации, основным недостатком механического профилирования является высокая дефектность получаемых кристаллов.

Вторая группа методов требует создания теплового поля заданной конфигурации и тогда кристалл, растущий в свободных условиях, будет принимать соответствующую форму. Такие процессы достаточно сложно реализовать практически. Нашло применение одновременное выращивание нескольких стержней или лент кремния с одного пьедестала (см. рис 27, б) для установок водородного восстановления трихлорсилана. Роль формообразователя выполняет электромагнитное поле высокочастотного индуктора соответствующей формы.

Рис.36. Выращивание профилированных кристаллов через формообразующее устройство: 1 – кристалл; 2 - формообразующее устройство; 3 – расплав; 4 – тигель.

Третья группа методов основана на капиллярном проникновении расплава в узкую щель (метод Степанова). Суть метода – использование формообразующего устройства, изготовленного из материала, не взаимодействующего с расплавом (рис. 36.). Вытягивание кристалла ведут без вращения. Так можно получать кристаллы в виде лент и другой формы (используют в качестве формообразующего средства щель материале). Поскольку материал формообразующего устройства не смачивается расплавом узкие ленты получают вытягиванием вниз (формообразующее устройство является дном тигля).

Ограничения:

Не для всех полупроводников можно найти материал для формообразующего устройства. Для кремния используют нитрид бора; графит, покрытый слоем карбида кремния.

Четвертая группа методов основана на том, что для каждой кристаллической структуры есть направление, где скорость роста максимальна. Ориентируя затравку в этом направлении, а боковые грани ее в плотноупакованных направлениях при высоких скоростях вытягивания достигают естественной огранки боковых поверхностей растущего кристалла. Таким образом, получают дендритные ленты. Затравку приводят в контакт с переохлажденным расплавом и при быстром ее подъеме обеспечивают рост дендритной ленты. Скорость роста достигает 300 мм/мин.

Для быстрого образования зародыша используют затравки, содержащие двойниковые ламели, поскольку наличие входящих углов повышает вероятность быстрого образования зародышей (рис. 37, а).

Рис. 37. Выращивание дендритных лент: а – затравка; б – поперечное сечение фронта кристаллизации; в – выращивание «междендритных» лент, 1 - «междендритная» лента, 2 – затравки, 3 – расплав. (Стрелками указано направление выращивания).

По сечению ленты монослой кристалла формируется анизотропно. В результате этого возникают напряжения, изгибающие плотноупакованную боковую поверхность (рис. 37, б).

От этого недостатка свободны «междендритные» ленты, которые формируются между двумя затравками и не так от них зависят (рис. 37, в).