Факторы, влияющие на дефекты в процессе роста

Влияние скорости роста на возникновение дефектов

При охлаждении кристалла от температуры кристаллизации происходит конденсация точечных дефектов. Плотность дефектов зависит от скорости охлаждения кристалла, которая является  функцией скорости вытягивания кристалла и его диаметра. При скорости вытягивания 2мм/мин формирования дефектов не происходит. Это обусловлено закалкой точечных дефектов и предотвращением их агломерации. Такая скорость вытягивания не может быть достигнута для кристаллов диаметром более 75 мм без ухудшения степени их монокристалличности.

Влияние примесей на дефектность кристаллов

Примесь обладает определенной растворимостью в кристалле. Для разбавленных растворов равновесный коэффициент сегрегации k₀ может быть записан как:

k₀=C_s/C_l,

где C_s,C_l -равновесная концентрация примесей в твердой и жидкой фазах.

Распределение примеси в растущем кристалле может быть описано соотношением:

C_s=k₀C₀(1-X)^k0-1,

где X  - доля затвердевшего расплава, C₀ - первоначальная концентрация примеси в расплаве, C_S - концентрация примеси в твердой фазе, k₀ - равновесный коэффициент сегрегации.

Экспериментальным путем было установлено, что в реальных условиях необходимо пользоваться эффективным коэффициентом сегрегации k_e:

 ,

где  V - скорость роста (вытягивания), D - коэффициент диффузии примеси в расплаве, B - толщина граничного слоя.

Примеси и дефекты, возникающие в кремнии в процессе его роста.

Кислород попадает в кремний при частичном растворении тигля. Концентрация кислорода в кремнии составляет обычно 5·10¹⁷ см^-3. Для ее уменьшения используют индукционный способ нагрева или уменьшают количество расплава в тигле. Присутствие кислорода в узлах кремниевой кристаллической решетки приводит к появлению донорных центров, а междоузельный кислород увеличивает предел текучести кремния. Кроме того, наличие кислорода вызывает образование дефектов за счет преципитации (появляется фаза SiO₂). Наличие этой фазы вызывает появление сжимающих напряжений в кристалле и дислокационных петель. Дефекты данного типа захватывают как легирующие примеси, что является отрицательным фактором, так и нежелательные примеси, присутствующие в кремнии. Последнее используется в технологических операциях геттерирования.

Углерод попадает в кремний из графитовых узлов установки. Его концентрация в Si составляет обычно 10¹⁶ см-3. Углерод является примесью замещения. Он не выделяется в преципитаты и не становится электрически активным. Однако примесь углерода в кремнии влияет на процессы преципитации кислорода и дефектообразования. Концентрацию кислорода и углерода в кремнии определяют по спектрам ИК поглощения.

Влияние вращения кристалла на возникновение дефектов

Толщина граничного слоя зависит от условий конвекции в расплаве. Вращение кристалла в расплаве (принудительная конвекция) уменьшает толщину граничного слоя согласно следующей зависимости:

B=1,8·D^1/3·V^1/6·W^-1/2,

где W - скорость вращения. Реально В уменьшается более резко, чем описано в уранении.

Основной результат тепловой конвекции - неоднородное распределение примесей на микроуровне. Обычно концентрация примесей уменьшается с увеличением диаметра (радиальная неоднородность).

Влияние химического переохлаждения на возникновение дефектов

Один из эффектов, возникающих в сильнолегированных расплавах - химическое переохлаждение. В этом случае кристалл растет нерегулярно и происходит образование дислокаций. Химическое переохлаждение ограничивает величину предельной концентрации для некоторых примесей.