2_Voprosy_k_ekzamenu_1

4.Создания условий для автоматизации и разработки непрерывных процессов производства как материалов, так и приборов на их основе. Этому способствуют заданная форма выращиваемых кристаллов, воспроизводимость размеров, сокращение числа операций, связанных с обработкой материала, возможность формирования областей, легированных различными примесями

впроцессе выращивания профилированных кристаллов.

5.Рассмотрения областей применения материала вследствие более рационального его расходования и в результате проявления новых свойств в профилированных кристаллах.

Выращивание профилированных кристаллов возможно при использовании различных физико-химических факторов, определяющих формирование кристаллизующегося вещества: механического ограничения при росте кристалла, анизотропии скорости кристаллизации, влияния капиллярных сил и тепловых полей на процесс кристаллизации. Профилированные кристаллы можно выращивать кристаллизацией при твердофазных превращениях, из расплавов, жидких растворов и из газовой фазы. Следует отметить, что кристаллизация полупроводников и диэлектриков в процессе твердофазных превращений осложняется низкой пластичностью материала и малой подвижностью атомов в решетке. Ввиду этого методы профилирования полупроводниковых и диэлектрических материалов, основанные на твердофазных превращениях, не находят широкого применения.

Выращивание профилированных кристаллов формообразованием мениска расплава было впервые предложено советским ученым А. В. Степановым в 1938 г. Данный способ формирования (способ Степанова) применяется для выращивания монокристаллов в форме лент, пластин и др. Этот метод наряду с эпитаксиальным наращиванием представляет наибольший технический интерес.

Принцип формирования профилированных кристаллов сформулирован следующим образом: форма или элемент формы, которую желательно получить, создается в жидкой фазе за счет различных эффектов, позволяющих жидкости сохранить форму; сформированный так, объем жидкости переводят в твердое состояние в результате подбора определенных условий кристаллизации. Степановым было предложено формировать мениск с помощью специальных формообразователей, размещаемых в расплаве таким образом, чтобы мениск расплава выступал над отверстием в поплавке,

131

находящемся на поверхности расплава и изготовленном из материала, не стачиваемого расплавом. Формообразование мениска может осуществляться также с помощью высокочастотного электромагнитного поля.

Формирующее устройство в общем случае позволяет управлять геометрией и тепловыми полями расплава, примыкающего к области кристаллизации вытягиваемого кристалла. Кроме того, формообразователь позволяет в некоторых пределах управлять распределением примесей в кристалле.

Формообразователь характеризуется физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (смачиваемость расплавом выращиваемого кристалла, плотность, теплопроводность, теплоемкость) и геометрическими размерами формообразующего отверстия.

Особенности технологии выращивания профилированных кристаллов способом Степанова.

Схематическое изображение простейшего устройства, используемого для выращивания кристаллов способом Степанова в форме тонких пластин, представлено на рис. 4.20. Конструкция формообразователя выполнена в виде поплавка, изготовленного из графита с прорезью в виде щели. Щель формообразователя располагается ниже уровня расплава в тигле на расстоянии от поверхности, равном 8—9 мм, что обеспечивает поступление расплава в щель под давлением. Форма щели и ее глубина оказывают сильное влияние на устойчивость процесса кристаллизации. Как отмечалось выше,

132

наиболее удобной для уменьшения кривизны поверхности столба расплава на краях ленты является форма щели в виде «гантели». При этом происходит рост ленты с утолщенными краями. Ширина и толщина ленты могут изменяться в широких пределах. Так, например, при выращивании кристаллов в форме лент толщиной 0,27 мм и шириной 22 мм диаметр утолщений по краям ленты составляет приблизительно 3 мм.

Скорость роста профилированных кристаллов по способу Степанова может составлять 1 —10 мм/мин. Важной особенностью выращивания кристаллов этим способом является то, что кристаллизация расплава происходит в условиях отсутствия контакта растущего кристалла с краями щели. На плоской части ленты зазор составляет 10—20 мкм и у утолщенных краев — 50—100 мкм. Выращивание кристаллов в форме лент возможно при других конструктивных оформлениях. На рис. 4.21 изображена схема выращивания ленточного монокристалла из фасонной лунки поплавка, изготовленного из кварца, в которую расплав поступает из тигля через капилляр. Это позволяет исключить процессы диффузионного переноса атомов из расплава, находящегося в поплавке, в тигель. На рис. 4.22 изображена схема выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов способом Степанова через узкое отверстие в дне

тигля. Капля расплава, из которого происходит кристаллизация, удерживается между растущим кристаллом и тиглем силами поверхностного

133

натяжения. Фронт кристаллизации в этом случае также находится вне фильеры, и при кристаллизации исключается взаимодействие растущего кристалла со стенками фильеры.

Способ Степанова может быть применен для выращивания не только тонких и длинных прутков и лент, но н монокристаллов различной другой формы, в частности с большой площадью поперечного сечения. Такие кристаллы ряда полупроводниковых и диэлектрических материалов представляют интерес для оптики и др.

Одним из главных факторов, определяющих качество выращиваемых способом Степанова кристаллов, являются тепловые поля в области кристаллизации. Тепловые поля оказывают определяющее влияние на устойчивость формообразования, геометрию, структурные и электрофизические свойства выращиваемого кристалла. Устойчивому формообразованию, хорошему качеству поверхности, однородности материала по ширине ленты способствует создание теплового поля с плоскопараллельным горизонтальным распределением изотерм в области щели. Устойчивость положения фронта кристаллизации при флуктуации температуры и скорости вытягивания и, следовательно, однородность легирования по длине ленты достигается заданием вертикального градиента температуры в области щели формообразователя. Для исключения возможности спонтанной кристаллизации в расплаве, особенно в зоне у верхнего края формообразователя, необходим надежный перегрев всего объема расплава. И наконец, для выращивания совершенных по структуре кристаллов тепловое поле вблизи фронта кристаллизации должно быть строго заданным — градиент температуры по ширине выращиваемой ленты должен отсутствовать, а вдоль ее длины — иметь заданное значение. Необходимо обеспечить точность поддержания тепловых условий в течение всего процесса выращивания кристалла с помощью системы автоматического регулирования температурного режима. Совершенство выращиваемых монокристаллов определяется также стабильностью скорости выращивания и исключением вибрации.

При выращивании способом Степанова монокристаллов германия в качестве материала для изготовления формообразователя наиболее часто применяется графит. Графит не смачивается расплавом германия и не загрязняет выращиваемые кристаллы примесями благодаря тому, что промышленность выпускает графит полупроводниковой степени чистоты.

134

Лучшие тепловые условия при выращивании германиевых лент достигаются, если формообразователь изготовляется из пироуглерода. Благодаря анизотропии теплопроводности пирографита формообразователь может иметь теплопроводность в направлении вытягивания кристалла, в несколько десятков раз меньшую, чем в перпендикулярном направлении. Это позволяет создавать в области кристаллизации тепловое поле с большим градиентом температуры в направлении роста кристалла (75 град/см) и отсутствием градиента температуры в перпендикулярной плоскости. В результате достигается равномерное распределение температуры в зоне кристаллизации и обеспечнвается перегрев объема расплава вблизи формообразователя. Формообразователи для выращивания профилированных монокристаллов германия могут быть изготовлены также из кварца, на поверхность которого наносится тонкая пленка сажи.

Более сложной проблемой является выбор материала формообразователя для выращивания профилированных монокристаллов кремния. Трудность выбора материала формообразователя связана с исключительно высокой химической реакционной способностью кремния при температуре плавления. Из большого количества опробованных материалов (карбид кремния, силицированный графит, алюмонитрид бора, нитриды бора, титана, циркония, тантала и др.) удовлетворительные результаты были получены при изготовлении формообразователей из плотного нитрида бора. Кремниевая лента шириной до 35 мм и толщиной не менее 2,5 мм выращивается со скоростью вытягивания 2 мм/мин в атмосфере аргона или вакуума. Вместе с тем использование формообразователей, изготовленных из нитрида бора, приводит к значительному снижению удельного сопротивления выращенных монокристаллов по сравнению с исходным кремнием, что свидетельствует о загрязнении расплава за счет бора из формообразователя. Задача подбора материала формообразователя для выращивания кремниевых лент, удовлетворяющего всем требованиям, до настоящего времени окончательно не решена.

Более перспективным при выращивании профилированных — монокристаллов кремния и некоторых соединений группы АШВV и ряда других материалов способом Степанова может оказаться применение формообразователей из материала, смачиваемого расплавом.

135

34. Управление технологическими процессами роста кристаллов. Метод взвешивания.

Рост кристаллов является сложным многофакторным процессом, параметры которого зависят как от материала выращиваемого монокристалла, так и от используемого метода выращивания. Качество выращиваемых кристаллов определяется совершенством его кристаллической структуры, наличием и плотностью дислокаций, термоупругими напряжениями, постоянством удельного сопротивления, равномерностью распределения примеси по сечению и длине кристалла. Для получения качественных монокристаллов необходимо точно поддерживать технологические режимы с помощью совершенных устройств контроля и управления. В настоящее время наибольшие успехи в области контроля и управления технологическими процессами с целью создания систем автоматического управления достигнуты для методов выращивания кристаллов из расплава. На примере этих методов коротко рассмотрим основные применяемые способы контроля и управления.

Одним из наиболее распространенных способов контроля диаметра растущего кристалла является способ взвешивания, который, как и рентгеновский способ, не требует создания условий для наблюдения межфазной границ. Вытяжной шток с кристаллом подвешивается к весовой ячейке 1 (рис. 4.27), показания которой представляют собой сумму массы штока и образовавшейся до момента измерения части кристалла, приращения массы кристалла за время Δτ, массы мениска и сил поверхностного натяжения. Наряду с указанными силами на показания весов от ячейки влияют электромагнитные силы индуктора, плавучесть кристалла и т. п.

136

Для расчета эталонной скорости убывания массы расплава, с которой сравнивается реальная скорость, определяемая способом взвешивания тигля, составлена след-ая модель скорости изменения массы растущего кристалла dт/dх на основании требования постоянства массопереноса через фронт кристаллизации:

Модель разработана при следующих ограничениях: потерями расплава на испарение пренебрегают; тигель — прямой круговой

цилиндр; поверхность раздела кристалл — расплав плоская; скорость вытягивания постоянная; плотность кристалла и расплава рае Точность контроля диаметра весовым методом составляет 2%.

Для контроля высоты мениска используют фотопирометр 1, визирующийся на нижнюю границу фронта кристаллизации (рис. 4.28). При этом измеряются лучевой поток, состоящий из собственного излучения расплава и кристалла, и поток излучения нагревателя, отраженный поверхностью мениска. Точность контроля высоты мениска составляет 1%.

137

Контроль формы мениска осуществляют способом лазерной локации (рис. 4.29). Лазер 1 располагают таким образом, что его луч идет почти параллельно оси роста монокристалла. При этом получается, что направление отраженного луча не зависит от уровня расплава в тигле, а целиком определяется формой мениска. Изменение высоты мениска или диаметра кристалла обязательно изменит кривизну поверхности мениска, что и фиксирует лазерный локатор. Однако этот способ очень чувствителен к шумам поверхности расплава, возникающим вследствие конвективных течений и промышленной вибрации.

Рассмотренные способы контроля применимы и при других методах выращивания кристаллов из расплава. Однако есть способы, разработанные для определенного метода получения монокристалла или с учетом материала, из которого растет кристалл. К. ним относятся контроль диаметра расплавленной зоны по моменту вязкого трения, контроль диаметра кристалла с использованием эффекта Пельте, создание заданного профиля температур с помощью матрицы термопар.

Схема измерения момента вязкого трения приведена на рис. 4.30 и используется при выращивании монокристаллов металлов, когда скорость вращения штоков составляет несколько сотен оборотов в минуту. Вращающий момент передается от нижнего стержня 2 через зону расплава 3 к верхнему стержню 4. Вращающий момент является функцией динамической вязкости расплава, радиуса и высоты расплавленной зоны, относительной скорости вращения стержней. При постоянстве скорости вращения нижнего стержня двигателем / контролируемым параметром является скорость вращения верхнего стержня 4, измеряемая с помощью тахогенератора 5.

Эффект Пельтье заключается в выделении теплоты на фронте кристаллизации при пропускании постоянного тока через систему кристалл— расплав. Количество теплоты определяется свойствами кристаллизующего материала и площадью границы раздела, которая зависит от диаметра растущего кристалла. При неизменных тепловых условиях на фронте кристаллизации колебания диаметра растущего кристалла будут вызывать изменение силы тока, которое и регистрируется соответствующей аппаратурой.

В методе получения кристаллов направленной кристаллизацией для задания и контроля профиля температурной зоны используется матрица термопар, выходное напряжение которых подается на дисплей. Этот способ

138

контроля дает наглядную картину тепловых процессов, которую оператор может менять по своему усмотрению. Наиболее перспективными для создания АСУ ТП являются те способы контроля диаметра кристалла, при которых регистрируются параметры мениска, так как их изменения предшествуют изменению диаметра кристалла.

139

35. Технология получения полупроводникового кремния.

Технология получения монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов:

1)получение технического кремния;

2)превращение кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;

3)очистка и восстановление соединения, получение кремния в виде поликристаллических стержней;

4)конечная очистка кремния методом кристаллизации (бестигельной зонной плавки);

5)выращивание легированных монокристаллов.

Основные переделы производства кремния представлены на рис. 4.31. Получение технического кремния осуществляется путем восстановления диоксида кремния углеродом. Этот процесс проводится в дуговой электрической печи с графитовыми электродами, которую загружают смесью, состоящей из чистых сортов кварцевого песка и углерода в виде угля, кокса и древесных опилок. Пропусканием тока смесь нагревают до температуры свыше 2000 °С, в результате чего в ней протекает ряд превращений, которые представим в виде общей реакции, связывающей исходные компоненты и продукты процесса:

140