2_Voprosy_k_ekzamenu_1

47. Сегрегационные и технологические неоднородности легирования. Пассивные методы выравнивания состава.

Сегрегационные методы выравнивания состава получаемых кристаллов можно разделить на пассивные и активные. В первом случае монокристаллы с заданной однородностью распределения примеси получают без внесения каких-либо изменений в кристаллизационный процесс, т. е. используют приблизительно равномерную часть монокристалла, выращенного из расплава обычным методом направленной кристаллизации. Под активными методами подразумевают такие, которые позволяют активно влиять на ход процесса легирования во время роста и программировать процесс изменения состава. Требования сводятся к тому, что концентрация легирующей примеси в кристалле Ст должна отличаться от требуемого значения Ст (с чертой) не больше, чем на некоторую величину р, которая называется допустимым разбросом состава и выражается в относительных единицах. Пассивные методы выравнивания состава. Однородные кристаллы·полупроводников и диэлектриков проще всеrо получить, используя без всяких изменений обычные кристаллизационные процессы: нормальное направленное охлаждение (методы Бриджмена, Чохральского и т. д.) и зонную плавку. В этом случае используют приблизительно равномерную часть кристалла. Анализ кривых распределения примесей в этих процессах (см. рис. 5.5; 5.6) показывает, что наиболее равномерная часть кристалла примыкает к одному из его концов. Поэтому целесообразно использовать именно эти части.

При выращивании легированных кристаллов методом нормального направленного охлаждения состав исходного расплава обычно задается так, чтобы требуемая концентрация примеси получалась в начальной части слитка, т. е. в точке g=O. Тогда по отношению к этой точке и следует оценивать разброс состава в выращиваемом кристалле. Необходимо положить:

Часть кристалла между g=O и g=gP (рис. 5.9) и определит величину теоретического выхода R , которая будет просто равна gP.

Получим

211

верхний знак относится к случаю K<1, а нижний - для K>l. Находим

. Полученная формула позволяет оценить величины теоретического выхода с заданным разбросом р по длине слитка при различных значениях коэффициента распределения примеси.

212

48. Метод целевой загрузки. Зонное выравнивание.

Метод создания такого исходного распределения примеси получил название целевой загрузки. Для примесей с К<1 такое распределение проще всего создается легированием расплава после создания в начальной части образца расплавленной зоны. В этом случае жидкая зона при движении вдоль образца с самого начала имеет состав, равновесный с плавящейся частью, так как в нее через границу плавления входит ровно столько примеси, сколько уходит через границу кристаллизации. Вследствие этого и состав выращиваемого кристалла будет постоянным по всей его длине, за исключением его конца, где кристаллизация идет по закону нормального охлаждения. Величина теоретического выхода при целевой загрузке будет

равна

Помимо пассивных методов получения однородно легированных кристаллов методом зонной плавки, где осуществляется всего один проход расплавленной зоны, существуют методы, в которых проход расплавленной зоны производится многократно как в одном направлении по замкнутому кольцеобразному образцу, так и во встречных направлениях попеременно от одного конца слитка к другому и обратно. При этом достигается некое предельное распределение состава. Такие режимы получения материала называют зонным выравниванием, и они при любых К и любых сколь угодно малых значениях допустимого разброса р позволяют получать предельное значение К. равное (А—1)/А.

213

49. Прохождение легирующей зоны через чистый образец.

Одним из практически важных пассивных методов получения равномерно легированных кристаллов является метод прохождения легирующей зоны через чистый исходный образец. Так, если в расплавленную в начале такого кристалла зону ввести легирующую примесь, то начальное распределение состава для процесса зонной плавки будет иметь вид:

Изменение концентрации примеси в расплаве при сдвиге зоны на da будет:

Распределение концентрации примеси, получаемое при легировании чистого кристалла из начальной расплавленной зоны:

При достаточно малом коэффициенте распределения К <1 величина С с координатой a практически меняться не будет. Это обусловлено тем, что при К «1 при кристаллизации расплава из зоны уходит настолько мало примеси, что состав жидкой фазы почти не меняется. Расчет величины теоретического выхода для однократного прохождения легирующей зоны через чистый исходный образец производится стандартным методом. При этом в качестве С. из соображений, связанных с удобством практической работы, берется величина С.(0)=КС,„. Расчеты дают, что В › в рассматриваемом методе будет наименьшей из двух возможных значений:

Данный метод получения равномерно легированных кристаллов целесообразно применять для примесей с К<<1.

214

215

50. Активные методы выравнивания состава. Программирование процесса роста.

Эти методы служат для повышения выхода материала с равномерным распределением примеси по длине и отличаются от пассивных методов тем, что в течение всего кристаллизационного процесса в него по определенной программе вносятся изменения. Активные методы выравнивания состава можно разбить на две основные группы. Первая группа включает методы, в которых с целью поддержания концентрации примеси в расплаве в течение всего процесса выращивания монокристалла постоянной производят подпитку расплава либо чистой твердой, жидкой или паровой фазой (К <1), либо содержащей легирующую примесь (К>1). Ко второй группе относятся методы, в которых изменяются сами условия роста монокристаллов. При этом программа изменения кристаллизационного процесса обеспечивает постоянство скорости захвата примеси в течение всего процесса выращивания монокристалла. Помимо этих двух групп возможны и их комбинации, когда подпитка расплава может, а иногда и обязательно должна сопровождаться программированием процесса кристаллизации.

Рассмотрим первую группу методов, связанную с подпиткой кристаллизуемого расплава легирующей примесью. В этих методах в процессе кристаллизации должны соблюдаться следующие условия:

Сж=const; К=const; v=const, С=КСж=const.

Система процесса выращивания однородного кристалла с помощью подпитки в наиболее общем виде включает в себя следующие элементы: растущий кристалл, расплав и поступающую в него подлитывающую массу. Как мы уже отмечали, подпитывающая масса может находиться в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком и газообразном. Процесс введения подпитывающей массы в расплав может быть построен по двум схемам. В первой из них подпитка вводится в расплав механически, т. е. принудительным путем, например сбрасыванием, сливанием материала. Во второй схеме поступление в расплав подпитывающего материала регулируется самими отклонениями состава расплава от некоторого заданного значения, определяемого составом подпитывающей массы. Движущей силой процесса подпитки в данном случае является отклонение соотношения составов расплава и подпитки от равновесного. В этом случае процесс подпитки будет протекать до установления этого равновесия. В

216

соответствии с этим такие процессы называют процессами равновесной подпитки.

217

51. Выравнивание состава кристаллов подпиткой из твердой фазы. Метод Петрова.

Возможны два способа осуществления подпитки расплава твердой фазой (рис. 5.10). Идея первого способа принадлежит Д. А. Петрову и состоит в опускании в расплав подпитывающего стержня. Второй способ подпитки называют методом расплавленного слоя, и он имеет ряд разновидностей.

Процессом подпитки в первом способе (рис. 5.10, а) можно управлять, меняя площадь подпитывающего стержня Sп, его состав Сп и механическую скорость его подачи. При необходимости в расплав может одновременно вводиться несколько стержней. Подпитывающий стержень может быть как спрессован из порошков (и его плотность п тогда будет отличаться от плотности вытягиваемого кристалла), так и представлять собой чистый поликристалл с плотностью, близкой к плотности выращиваемого кристалла:п= и. Чтобы получить основное уравнение для процесса выравнивания в данном методе, необходимо стандартным методом в пфанновском приближении составить уравнение баланса примеси в расплаве и приравнять изменение концентрации примеси нулю dCж=0. Полученное уравнение в общем случае имеет вид

218

где S — площадь тигля; Sт: — площадь поперечного сечения вытягиваемого кристалла; = т= ж — плотность кристалла и расплава; fт, fп

— скорости вытягивания кристалла и подачи подпитывающей массы, причем они считаются положительными в нормальном режиме работы, когда кристалл вытягивается, а подпитка подается вниз. Действительные скорости роста fт и подпитки fп отличаются от задаваемых и синхронизируемых механическим путем fт и fп на скорость опускания расплава , которую считают положительной при опускании уровня расплава. Рассматривая баланс массы расплава и тигля, легко получить

С помощью основного уравнения (5.57) для любого варианта механической подпитки расплава опускающимся стержнем легко найти условия, обеспечивающие получение однородного кристалла. Так, например, для наиболее интересного с практической точки зрния режима получения легированных кристаллов, когда

решение уравнения (5.57) сводится к отысканию нужной концентрации

Сп при заданных либо, наоборот, к отысканию Sп при известных остальных параметрах процесса. Так, для режима (5.59) из (5.57) можно получить, что

219

В том случае, если сечения вытягиваемого кристалла и стержня

подпитки равны, (5.60) упрощается до

а если и плотности их равны, то

т. е. состав подпитывающего стержня должен быть равен составу растущего кристалла.

Рассмотренный способ позволяет получать однородные монокрсталлы с высоким выходом и большим диапазоном уровней легирования. Этот способ также перспективен и для выращивания монокристаллов твердых растворов, например, в таких системах, как Ge-Si; Bi-Sb, InAs—GaAs и т. п.

Выражение для теоретического выхода в данном процессе легко может быть получено из формальной аналогии между процессом подпитки и зонной плавки. Действительно, при строгом выполнении всех необходимых требований состав кристалла будет постоянным, пока не закончится подпитывающий стержень. После этого начнется обычный процесс нормального охлаждения. Таким образом:

где V0 и Vп, — начальные объемы расплава и подпитки; Vр — объем

расплава в момент окончания подпитки;

В другом способе механической подпитки твердой фазой — методе расплавленного слоя — слиток подпитывающего материала помещают в нижней части кристалла, выращивание которого ведут с вершины подпитывающего слитка, подплавляемой специальным нагревателем (рис. 5.10, 6). Рост кристалла в этом случае сопровождается синхронным перемещением подпитывающего слитка вверх. Несмотря на некоторые принципиальные отличия этого способа подпитки от способа Петрова,

220