Metod_Chokhralskogo

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/340004692

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ

Book · March 2020

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

PbX (x=S, Se, Te) photostructures View project

Continuous Flow Reactor for Nanoparticle Synthesis View project

All content following this page was uploaded by Evgenia Maraeva on 18 March 2020.

The user has requested enhancement of the downloaded file.

УДК 621.3.049.76.002.3(07) ББК З 844.1-03-06я7

А46

Александрова О. А., Мараева Е. В.

А46 Технология материалов микросистемной техники: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2020. 86 с.

ISBN 978-5-7629-2634-8

Рассмотрены основные вопросы и типичные задачи, необходимые для выполнения курсовой работы по дисциплине «Технология материалов микросистемной техники».

Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника» (профиль «Проектирование и технология микро- и наносистем»).

УДК 621.3.049.76.002.3(07) ББК З 844.1-03-06я7

Рецензент кафедра нано- и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

ЦЕЛИ, СОДЕРЖАНИЕ И ПРИМЕРНЫЕ ТЕМЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Реализация компетентностного подхода предусматривает широкое использование в учебном процессе как активных, так и интерактивных форм проведения занятий. В данной дисциплине при выполнении курсовой работы интерактивные формы обучения будут реализованы в виде семинаров в диалоговом режиме и групповых дискуссий в студенческой группе при обсуждении представляемых курсовых работ в сочетании с внеаудиторной самостоятельной работой студентов с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. Данный способ обучения предполагает применение инновационных технологий, развивающих навыки командной работы, работы в группе и межличностной коммуникации.

Задание на курсовую работу представляет собой углубленное рассмотрение и изучение вопросов по заданной теме. Задание выдается индивидуально. Тема задания может быть связана как c современным состоянием рассматриваемого вопроса и подразумевает его изучение с помощью интернетресурсов, так и с экспериментальной научно-исследовательской работой магистрантов и включает в себя результаты, полученные лично студентами. Процесс выполнения работы подразумевает активное взаимодействие преподавателя, научного руководителя НИР и студенческой группы.

Курсовая работа представляется в виде пояснительной записки. Защита проводится в интерактивной форме в виде доклада-презентации на семинаре учебной группы.

Трудоемкость выполнения курсовой работы 50 ч.

Лучшие студенческие работы могут быть рекомендованы для представления их на молодежные научные школы, молодежные конференции.

3

Обобщенная тема курсовой работы:

«Bыращивание полупроводникового монокристалла с заданными свой-

ствами (The growthing of semiconductor monocrystal with the predetermined properties)», «Расчет технологических параметров выращивания кристалла при вытягивании из расплава методом Чохральского (Calculation of technological parameters of crystal growth by the Czochralski method)».

Цель курсовой работы: разработать технологический процесс, рассчитать условия легирования и режимы роста монокристалла, например ГКДБ-10-40 длиной 800 мм с однородным распределением основной примеси и допустимым разбросом удельного сопротивления по длине кристалла не более Δρ/ρ = 10 %.

Определить массовую долю и массу легирующей примеси, перераспределение остаточных примесей, если их содержание в исходном материале составляет, например, [Al] – 7∙10–6 %, [Р] – 7∙10–7 %. Определить выход годного материала.

Используя сведения о типе кристаллической решетки основного материала, определить разрешенные индексы рентгеновской дифракции HKL. Рассчитать и привести значения углов 2θ, соответствующие этим индексам при использовании медной рентгеновской трубки. Оценить дифракционное размытие рентгеновских линий в зависимости от положения угла при заданном среднем значении размера кристаллитов.

Содержание пояснительной записки:

1.Описание свойств материала, технологического метода получения исходного материала высокой чистоты и метода выращивания монокристалла; аппаратурное исполнение выбранных методов.

2.Теоретическая часть: распределение легирующей примеси по длине монокристалла; эффективный и равновесный коэффициенты распределения.

3.Расчетная часть:

–выбрать экспериментальные условия роста монокристалла и геометрические размеры тигля для выращивания;

–определить максимально возможный теоретический выход годного материала с допустимым разбросом удельного сопротивления по длине кристалла не более заданного значения (определяется для основной легирующей примеси);

–рассчитать необходимые значения параметров технологического процесса (эффективный, приведенный, обобщенный коэффициенты распределения, толщина диффузионного слоя);

4

–составить уравнение электронейтральности, учитывая испарение компенсирующей примеси из расплава, предварительное время подготовки расплава 60 мин; определить начальную концентрацию примесей в расплаве;

–рассчитать распределение концентрации примесей и удельное сопротивление по длине кристалла;

–рассчитать массу основной легирующей и компенсирующей примесей или массу их лигатуры;

–рассчитать скорость вытягивания кристалла;

–определить экспериментальный выход годного материала.

Для выполнения этой части курсовой работы и более углубленного изучения материала рекомендуются учебные пособия [1]–[5];

–определить разрешенные индексы рентгеновской дифракции для основного материла и по уравнению Вульфа–Брэгга рассчитать значения углов, соответствующие этим индексам при использовании медной рентгеновской трубки;

–оценить вклад размерного эффекта и изменение ширины рентгеновской линии при заданных размерах кристаллитов;

–оценить смещение рентгеновских линий при образовании твердого раствора замещения заданного состава и изменение периода решетки;

–сделать выводы о возможности получения и применения материала с указанными свойствами.

Для выполнения второй части курсовой работы рекомендуются учебные пособия [6]–[11].

В заключение работы следует привести список использованной литературы.

Примерные темы курсовой работы

1. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКДБ-6,0, на 25 % компенсированного фосфором, длиной 500 мм, диаметром 100 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [As] – 10–6 %.

2. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ГЭС-1,0, на 20 % компенсированного галлием, длиной 600 мм и диаметром 60 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Al] – 10–7 %.

3. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭM – 0,1, на 25 % компенсированного бором, диаметром 80 мм и длиной 600 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Al] – 5∙10–5 %.

4. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ГДГ-0,05, на 20 % компенсированного сурьмой, длиной 600 мм и диаметром 40 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Р] – 2·10–6 %.

5

5. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКДГ-0,5, на 25 % компенсированного фосфором, длиной 500 мм и диаметром 80 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [В] – 10–6 %.

6. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭС-1,0, на 20 % компенсированного галлием, диаметром 60 мм, длиной 500 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [В] – 5·10–8 %.

7. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ГДГ-5,6, на 20 % компенсированного сурьмой, длиной 400 мм и диаметром 50 мм Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [As] – 2·10–6 %.

8. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКДБ-10, на 20 % компенсированного фосфором, диаметром 80 мм, длиной 500 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Al] – 3·10–5 %.

9. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭФ-10, на 20 % компенсированного бором, диаметром 100 мм и длиной 600 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Al] – 8·10–6 %.

10. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ГЭМ-10, на 20 % компенсированного галлием, диаметром 40 мм, длиной 500 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Al] – 5·10–8 %.

11. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ГЭС-0,8, на 25 % компенсированного галлием, массой 10 кг и диаметром 50 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [In] – 10–6 %.

12. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭM – 0,01, на 25 % компенсированного бором, диаметром 60 мм, длиной 800 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Sb] – 5∙10–4 %.

13. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭС-0,5, на 20 % компенсированного бором, диаметром 150 мм, длиной 500 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Р] – 2∙10–6 %.

14. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ЭКЭФ-2,0, на 25 % компенсированного галлием, длиной 700 мм, диаметром 100 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Sb] – 5∙10–4 %.

15. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: АГНТ-3-9-17, на 20 % компенсированного цинком, диаметром 80 мм, массой 5 кг. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Si] – 5·10–4 %.

16. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: АГНК-3-2-17, на 20 % компенсированного цинком, массой 6 кг, диаметром 100 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [S] – 5∙10–5 %.

6

17. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ФГДЦ-4-18, на 20 % компенсированного серой, длиной 400 мм и диаметром 60 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Те] – 5∙10–5 %.

18. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ФГЭТ-3-17, на 25 % компенсированного цинком, длиной 400 мм и диаметром 50 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [S] – 5∙10–4 %.

19. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: АГЧТ-3-7-17, на 25 % компенсированного цинком, диаметром 60 мм, массой 10 кг. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Be] – 5∙10–4 %.

20. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: АГЧО-3-3-18, на 20 % компенсированного цинком, длиной 500 мм и массой 8 кг. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [Те] – 4∙10–4 %.

21. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ФИЭТ-5-17, на 20 % компенсированного цинком, массой 8 кг, диаметром 40 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [S] – 5∙10–4 %.

22. Выращивание монокристалла с заданными свойствами: ФИДЦ-3-17, на 20 % компенсированного теллуром, массой 10 кг, диаметром 40 мм. Массовая доля остаточных примесей в исходном материале составляет [S] – 5∙10–4 %.

7

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ (КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ)

1.1. Метод нормальной направленной кристаллизации

Для выращивания монокристаллов из расплавов используются различные группы методов. В основе всех методов лежит направленная кристаллизация расплава, при которой зарождение и рост кристалла в условиях переохлаждения T в расплаве осуществляется на одной фазовой границе и теплота от фронта кристаллизации отводится преимущественно в одном направ-

лении (рис. 1.1) через твердую фазу. Это позволяет кристаллизовать расплав в виде одного монокристалла.

Методы направленной кристаллизации подразделяются на 3 груп-

пы. В первой группе методов рас-

плавляют всю заготовку, а затем кристаллизуют ее с одного конца (метод нормальной направленной кристаллизации). Во второй группе кристаллизацию расплавленной за-

готовки осуществляют вытягиванием из нее монокристалла (методы вытягивания кристаллов из расплава). В третьей группе последовательно в каждый момент времени расплавляют, а затем кристаллизуют небольшую зону заготовки (методы зонной плавки). Общим для большинства из этих методов является рост кристалла в контакте со стенками тигля, содержащего расплав.

Оборудование для проведения процесса нормальной направленной кристаллизации включает в себя печь, обеспечивающую создание теплового поля; тигель заданной формы; устройство контроля и регулирования температуры и устройство механического перемещения тигля или нагревателя. Возможно проведение процесса и без механического перемещения тигля за счет охлаждения расплава в тепловом поле с заданным температурным градиентом.

Материал тигля должен обладать достаточной механической и термической стойкостью и не должен смачиваться расплавом. Наиболее распростра-

8

ненные материалы для изготовления тиглей – оксид алюминия, кварцевое стекло, графит, платина, а также оксиды магния, бериллия, диоксид циркония.

Процесс нормальной направленной кристаллизации, как правило, проводят без применения затравки. Часто это связано с невозможностью визуального наблюдения затравки из-за непрозрачности стенок рабочей камеры и материала тигля. В этом случае в начальный период технологического процесса может происходить либо полное расплавление затравки, либо неполное расплавление исходной заготовки.

Для уменьшения объема первоначально кристаллизуемого вещества одному концу тигля обычно придают форму конуса (рис. 1.2, а). Таким способом увеличивают вероятность образования одного центра кристаллизации в этой части тигля при охлаждении расплава.

Рис. 1.2. Наиболее распространенные формы тиглей, применяемых при выращивании кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации

Аналогичный результат достигается приданием одному концу формы капилляра (рис. 1.2, б, в).

1.2. Метод Чохральского

Методы вытягивания кристаллов из расплава наиболее распространены в промышленном производстве крупных монокристаллов полупроводниковых и диэлектрических материалов. Принцип вытягивания кристаллов из расплава впервые был предложен немецким ученым Дж. Чохральским в 1916 г. В настоящее время существует значительное количество модификаций этого метода, которые объединяются под общим названием метод Чохральского.

9