3. Обзор современного состояния технологии производства полупроводниковых соединений

Методы получения монокристаллов

Можно выделить три основные группы методов получения монокристаллов с совершенной структурой:

o метод бестигельной зонной плавки (БЗП)

o метод гарнисажной плавки (ГП)

o метод Чохральского (МЧ)

Метод бестигельной зонной плавки

Суть метода зонной плавки состоит в создании узкой расплавленной зоны, перемещаемой вдоль кристалла, и в перераспределении примеси между жидкой и твердой фазами вследствие того, что эффективный коэффициент распределения отличен от единицы.

Отказ от тигля в бестигельной разновидности метода зонной плавки достигается вертикальным расположением исходного поликристаллического материала. Неочищенный или нелегированный кристалл помещается между двумя вращающимися держателями в герметичной камере. В узкой области образца создается локальный нагрев с помощью высокочастотного индуктора. Таким образом, слиток разделяется расплавленной зоной. Нагреватель может перемещаться вверх и вниз вдоль кристалла, соответственно будет перемещаться и расплавленная зона. Жидкая область удерживается из-за сил поверхностного натяжения, что накладывает ограничение на длину расплавленной зоны и на материал слитка. Например, большая плотность и малое поверхностное натяжение германия не позволяют получать слитки диаметром более 15 мм.

Метод гарнисажной плавки.

Метод гарнисажной плавки состоит в вытягивании монокристалла из расплава, создаваемого в углублении исходного поликристалла. Плавление идет под действием электронного луча, разогревающего область около затравки. Этот способ похож на метод Чохральского и даже называется гарнисажным методом Чохральского. Отличие состоит в типе подпитывающей фазы: здесь она твердая.

Плюсы метода гарнисажной плавки:

· совершенство выращиваемых монокристаллов

· нет тигля, в его качестве выступает сам поликристалл

Минусы метода гарнисажной плавки:

· исходный поликристалл должен быть однороден по составу и по форме Метод Чохральского

Рис. 4. Схема установки для выращивания кристаллов методом Чохральского.

Установка состоит из:

· вращающегося тигля,

· нагревательного узла,

· магнитной системы,

· устройства для вытягивания затравки с данной скоростью.

Камера откачивается до высокого вакуума или заполняется инертным газом.

Этапы процесса выращивания

I. Закрепление затравки

Затравка представляет собой монокристалл выращиваемого вещества высокого структурного совершенства с минимальной плотностью дислокаций, вырезанный в определенном кристаллографическом направлении.

II. Загрузка и расплавление поликристалла

Загрузка исходного поликристаллического материала и необходимых примесей. Герметизация камеры и откачка. Расплавление содержимого тигля. Перед началом процесса расплав выдерживают при повышенной температуре для очистки от летучих примесей, а затравка прогревается для предупреждения теплового удара.

III. Выращивание шейки кристалла

Прогретая затравка опускается в расплав, и ее края оплавляются для устранения дефектов. Процесс вытягивания кристалла начинают с формирования шейки монокристалла. Диаметр шейки не должен превышать линейного размера поперечного сечения затравки, длина должна составлять несколько ее диаметров. Итак, при подъеме затравки за ней вытягивается за счет сил поверхностного натяжения столбик расплава. В верхней части столбика начинается кристаллизация, и растущие слои повторяют структуру совершенного образца. Скорость вытягивания высока - возможные дефекты не успевают распространиться до области основного кристалла.

IV. Выход на диаметр

После формирования шейки происходит выход на диаметр монокристалла: переход от размеров шейки до номинального диаметра слитка. Для этого можно или уменьшить скорость вытягивания, или понизить температуру. Для предотвращения увеличения плотности дислокаций угол разращивания делают довольно малым. После выхода на диаметр условия выращивания кристалла стабилизируют с целью получения слитка постоянного диаметра и высокого структурного совершенства.

V. Рост цилиндрической части монокристалла

Необходимо контролировать диаметр растущего монокристалла с точностью до 0,1 мм. Это позволяет нам, изменяя условия процесса (скорость вращения, скорость вытягивания, температуру), поддерживать диаметр постоянным. Например, фиксируя отражение лазерного луча от мениска столбика расплава, можно предотвращать нежелательное разращивание или сужение.

VI. Формирование обратного конуса

При резком отрыве монокристалла от расплава произойдет термоудар и резкое размножение дислокаций в нижней части образца. Что бы этого избежать, нужно сузить кристалл на нижнем конце. Например, увеличение относительной скорости вращения кристалла способствует перемешиванию расплава, вследствие чего осевые и радиальные градиенты в нем уменьшаются. Это приводит к уменьшению размеров переохлажденной области в расплаве, повышению ее температуры и высоты столбика расплава под кристаллом, в результате чего монокристалл «подрезается».

VII. Завершение процесса

После отрыва в тигле остается около 5 % расплава. Монокристалл медленно охлаждается во избежание термических напряжений. Уменьшаем температуру нагревателя.