Метод зонной плавки

Получение однородно легированных кристаллов методом зонной плавки основано на особенности распределения примеси по длине кристалла после одного прохода зоны (рис. 44, 45). Из этих рисунков видно, что очистка кристалла происходит лишь до тех пор пока концентрация примеси в расплавленной зоне не достигнет значения k·C₀, а далее наступает стационарный режим кристаллизации при котором концентрации примеси до и после прохода зоны равны.

Таким образом, для достижения требуемого уровня легирования C_i по всему кристаллу за исключением последнего участка, соответствующего ширине расплавленной зоны l, достаточно в начальной расплавленной зоне создать концентрацию примеси, равную C₁=k·C_i. Распределение примеси по длине кристалла за исключением последнего участка описывается выражением:

C_i(х)=k·C₁·ехр(–kx/l). (68)

Как видно из выражения (68), независимо от величины коэффициента распределения по мере движения расплавленной зоны, в последней будет уменьшаться содержание легирующей примеси, что приведет к некоторому снижению концентрации примеси по длине кристалла.

Чтобы этого избежать можно, например, программированно уменьшать ширину расплавленной зоны по закону l(х)=l₀–kx.

Насыщение первой зоны легирующей примесью производят либо загрузкой в нее рассчитанного количества легирующей примеси (целевая загрузка), либо насыщением расплава примесью из паровой фазы (рис.55.). Последним методом можно также компенсировать обеднение примесью расплавленной зоны в процессе выращивания. Параметры подпитки для достижения нужной концентрации примеси в расплавленной зоне (время подпитки первой зоны, температура источника) достаточно легко поддаются аналитическим расчетам (подробнее, например, [о.л. 3]) и автоматическому управлению.

Рис. 55. Схема подпитки расплавленной зоны примесью из паровой фазы.1 – растущий кристалл; 2 – исходный кристалл; 3 – расплавленная зона; 4 – 4,6 – нагреватели; 5 – эффузионная ячейка, 7 – легирующая примесь; 8 – термопара.

Второй разновидностью получения равномерно легированных кристаллов является так называемое зонное выравнивание. Заключается она в том что изначально введенная в в исходный кристалл примесь разгоняется по его длине расплавленной зоной, перемещающейся последовательно во встречных направлениях. В результате в центральной части кристалла устанавливается постоянная концентрация примеси. Этот способ применим для нелетучих примесей.

Причины возникновения неоднородного распределения примеси в поперечном сечении

До этого момента мы рассматривали идеальный случай выращивания, при котором кристаллизация происходит строго послойно и фронт кристаллизации перпендикулярен направлению выращивания. Очевидно, что такие условия на практике не реализуемы.

Рассмотрим некоторые причины неоднородного распределения легирующей примеси по сечению кристалла.

1. Искривление фронта кристаллизации.

Поясним влияние этого фактора на рис. 56 на примере выращивания по методу Чохральского.

Рис. 56. Нарушение планарности фронта кристаллизации. Стрелкой показано направление движения фронта кристаллизации, а цифрами – положение фронта кристаллизации в последовательные моменты времени ₁ и ₂ (₁ < ₂).

Допустим, что фронт кристаллизации вогнут в сторону расплава. Изоконцентрата в кристалле будет повторять форму фронта кристаллизации, а следовательно после завершения кристаллизации по поперечному сечению (1-2-1) при концентрация примеси в центре будет выше, чем на периферии (поскольку g₂  g₁).

Вводят величину, характеризующую искривление фронта кристаллизации h = m/m₀, где m – масса расплава, закристаллизованного в интервале времени между ₁ и ₂, а m₀ – начальная масса расплава. Тогда неоднородность концентрации по сечению определяется как:

(69)

Чем сильнее искривлен фронт кристаллизации, тем сильнее неоднородность.

Неоднородность устраняется спрямлением фронта кристаллизации за счёт изменения тепловых условий вводом дополнительного нагревателя и (или) более интенсивного перемешивания расплава.

Действительно, при отсутствии вращения тигля (рис. 57,а) и кристалла в расплаве возникают конвективные потоки жидкости от горячих стенок тигля к более холодной центральной области, приводящие к образованию неравномерного по толщине диффузионного слоя (показан пуктиром), а значит к различным в разных точках фронта кристаллизации. В результате при в центре кристалла содержание примеси оказывается выше, чем на периферии.

При вращении только тигля возникают центробежные потоки, которые только усиливают неравномерность распределения примеси (рис. 57,б).

При вращении только кристалла возникают потоки жидкости от дна тигля к кристаллу, которые сглаживают форму диффузионного слоя (рис. 57,в) и неравномерность распределения примеси по сечению кристалла уменьшается.

Рис. 57. Распределение потоков жидкости в расплаве при различных условиях выращивания кристалла.

Варьируя скорости вращения тигля и кристалла ит стимулируя тем самым более сложные потоки в расплаве, можно добиться спрямления фронта кристаллизации, плоскостности диффузионного слоя, уменьшения его толщины и приближения эффективного коэффициента распределения к равновесному. Следует отметить, что тигель желательно вращать с минимально возможной скоростью, а кристалл с максимально возможной.