3.5.2. Зонная плавка кремния и германия

Метод бестигельной зонной плавки кремния основан на плавлении небольшой зоны поликремниевой цилиндрической заготовки, находящей­ся в вертикальном положении (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 – Зонная очистка Si.

Узкая расплавленная зона создается с помощью ВЧ-индуктора (5,28 МГц). Тепло за счет вихревых токов выделяется непосредст­венно в Si, что приводит к быстрому расплавлению конца заготов­ки и образованию капли, которая из-за высокого поверхностного на­тяжения удерживается на слитке. Снизу к этой капле подводят затравку и далее, как в методике Чохральского, вытягивается шейка, а затем цилиндр монокристалла. Таким методом можно получить Si с предельно высоким удельным сопротивлением 10⁷ Ом∙м, но после нес­кольких проходов зоны, т.е. за счет бестигельной зонной очистки. Зонная очистка представляет собой кристаллизационный метод очист­ки, основанный на различии растворимости примеси в жидкой и твер­дой фазах, т.е. на явлении сегрегации. Отношение концентраций примеси в контактирующих твердой и жидкой фазах называют коэффи­циентом распределения Кр. Этот коэффициент меньше единицы, если введение примесного компонента понижает температуру плавления чи­стого вещества. В Si подавляющее большинство примесей имеет коэффициенты распределения намного меньше единицы (таблица 3.3), и в процессе направленной кристаллизации такие примеси оттесняются в объем расплава.

Таблица 3.3

примесь	Cu	Ln	B	Al	Ge	P	Sn	As
Кр	0,0045	10ˉ5	0,8	0,002	0,33	0,35	0,016	0,3

Процесс зонной плавки Ge аналогичен процессу зонной плавки Si (рисунок 3.12), только при этом Ge - слиток 3 находится в тигле-графитовой лодочке 4, заключенной в кварцевой трубке I, по которой проходит водород или инертный газ. С помощью индуктора 2, пи­таемого от ВЧ-генератора, получают узкую расплавленную зону 5 ши­риной 40-50 мм, медленно перемещающуюся вдоль образца со скоростью 50-100 мкм/с с помощью подвижной каретки 6.

В ходе зонной плавки все примеси, имеющие коэффициент распределения меньше единицы, собираются в хвостовой части слитка, которая обрезается по окончании процесса. Контроль качества слитков после данной плавки осуществляется измерением удельного сопротивления материала.

Рисунок 3.12 – Зонная очистка Ge.

Приведенные методы зонной плавки для Si и Ge являются наи­более эффективными. Вертикальная бестигельная зонная плавка для Ge невозможна, так как коэффициент поверхностного натяжения жид­кого Ge в отличие от Si очень мал. Узкая расплавленная зона Si удерживается между твердыми частями слитка за счет больших сил поверхно­стного натяжения (рисунок 3.11).

Процесс горизонтальной зонной плавки ПП слитка по схеме рисунка 3.12 для Si не используется. Графитовая лодочка может стать ис­точником реакции расплава Si с углеродом, что не позволит полу­чить слитки Si высокой степени чистоты.