II. Следствие фазовой диаграммы ( очистка кристалла ).

C_L– концентрация примеси в расплаве,

С_S - конц.примеси в закристаллизованном Si,

С_S= k_SC_L;

k_S– коэф. сегрегации (по опр. k_S=C_S/C_L),

Если состав расплава равен С_L, то при

охлаждении до Т=Т₁ (пересечение с кривой

ликвидус) происходит кристаллизация части

расплава с сод. примеси k_SC_L

Из рассмотренного выше следует:

1. Не вся примесь, содержащаяся в расплаве, будет захватываться растущим кристаллом. Следовательно, кристалл будет более чистым по сравнению с расплавом. В этом и состоит суть очистки кристаллов при их выращивании из расплава.

По мере выращивания кристалла( вытягивания слитка из расплава ), в расплаве увеличивается концентрация примеси ( относительно массы основного материала(Si). В связи с этим:

а) на фазовой диаграмме происходит сдвиг в сторону больших концентраций и, соответственно,

кристаллизация происходит при более низкой температуре.

б) в вытягиваемом кристалле увеличивается концентрация захваченной примеси. Т.е. на заключительных этапах вытягивания кристалла его качества ухудшаются!

3) качество кристалла (однородность примесей и дефектов) сильно зависит от стабильности (однородности) температуры на границе раздела кристалл-жидкость (как вдоль границы раздела так и в перпендикулярном направлении).

Метод Степанова : направленная кристаллизация. Подобна методу Ч., но – через фильеру. => Качество хуже, но дешевле. Не подходит для изготовления СБИС, но может быть использованы для датчиков, микромашин, солнечных эл-тов и т.д.

Метод зонной плавки (безтигельный метод).

(метод зонной чистки)

Недостатки метода Чохральского:

• высокая концентрация дислокаций и других дефектов

• выращивание из тигля => загрязнения расплава на С, О

• 

Преимущества метода зонной плавки:

- эффективное удаление примесей при многократном прохождении гидуктора

- возможность получения без дислокационного кремния

Недостатки метода зонной плавки:

- трудности контроля над температурами градиентами в зоне расплава

- сильный разброс по диаметру слитка.

1.1 Фазовые диаграммы и твердые растворы.

Фаза - однородная часть системы, отделённая от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачком изменяются структура вещества или химический состав.

Диаграммы состояния – графики, которые изображают фазовые состояния веществ в зависимости от давления, объёма и температуры.

Д войные фазовые диаграммы изображают состояния системы с двумя компонентами. Обычно представляет собой графики, изображающие состояние системы в зависимости от температуры и состава системы.

А, В – компоненты веществ А и В,

α - вещество А растворёнными атомами В,

β – вещество В с растворёнными атомами А,

L – жидкая фаза,

α+ β – смесь фаз,

Е – точка эвтетики (смесь имеющая самую низкую температуру плавления).

Анализируя фазовые диаграммы, можно предсказывать (определять) фазовый состав и количество материала в отдельных фазах для любого соотношения А и В.

Существует 3 типа фазовых диаграмм двойных систем:

1. Эвтектические диаграммы состояния.

2. Дистектические диаграммы сост. образуются в случае, когда в системе А-В образуются химические соединения (например АВ и др.).

3. Диаграмма состояния систем с неограниченной растворимостью компонент.

Дистектическая диаграмма состояния.

АВ – химическое соединение

Е₁Е₂ – точки эвтектики

D – точка дистектики

С неограниченной растворимостью

Системы с неограниченной растворимостью

образуются в случаях, когда:

1.Различие в атомных радиусах не менее 15%

2.Одинаковая валентность

3.Одинаковая кристаллическая решётка

4.Одинаковая электроотрицательность

Рассмотрим участок фазовой диаграммы, по которому можно определить предельную растворимость примеси в основном материале (эвтектическая фазовая диаграмма). Рассмотрим типичную фазовую диаграмму вблизи точки плавления кремния: Кривая солидус определяет растворимость примеси в кремнии при различных Т^о. Кривая растворимости с максимумом (сначала рост растворимости а затем убывание с ростом Т^о) называется ретроградной кривой растворимости.

Ретроградная кривая растворимости типична для таких полупроводников, как кремний и германий .

Следствия ретроградной кривой растворимости:

1. Имеется предел растворимости примеси в кристаллы. Выше этой концентрации

примесь переходит в другое фазовое состояние – образует преципитаты.

2. Кристаллы могут иметь концентрацию примеси, превышающую их

растворимость при заданной температуре. Такая примесь будет находиться в междоузельных положениях кристаллической решётки.