Выращивание монокристалла с заданными свойствами

курсовая работа

5. Описание метода Чохральского для выращивания фосфида галлия

Выращивают монокристаллы фосфида галлия диаметром от 15 до 50 мм, длиной больше 25мм. Потребитель имеет право заказать требуемый номинальный диаметр с интервалом в 5мм. Возможное отклонения диаметра от номинального значения обычно составляет ±2,5 мм по всей длине. На поверхности слитка допускаются следы разложения GaP глубиной менее 0,5 мм, а также единичные канавки размером до 1,5 мм. Допускается механическая обработка монокристаллов.

Важно отметить, что расплавленный фосфид галлия активно взаимодействует со всеми материалами, известными для изготовления контейнеров. Для выращивания кристаллов методом Чохральского используют кварц. Кремний из кварцевого тигля загрязняет монокристалл до значений 1019 ат/см3 в зависимости от условий контакта.

Одним из вариантов метода Чохральского является метод жидкостной герметизации, используемый для выращивания монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений, в частности фосфида галлия. Жидкостная герметизация заключается в покрытии расплава слоем герметизирующего флюса, над которым создают давление инертного газа, в 1,5-2,0 раза превышающее равновесное давление пара летучего компонента в точке плавления соединения AIIIBV. Давление инертного газа над фосфидом галлия составляет обычно 10 МПа.

В качестве покровного флюса используют расплав оксида бора (III) В2O3, обладающего стеклообразными свойствами. Плотность в расплавленном состоянии 1,8 г/см3, температура начала размягчения 723 К. В расплавленном состоянии В2O3 малоактивен и слабо реагирует с кварцем и с расплавами полупроводниковых соединений. Однако в твердом состоянии при комнатных температурах он очень гигроскопичен и жадно поглощает влагу из воздуха. Поэтому перед употреблением В2O3 подвергают длительному прокаливанию в глубоком вакууме.

Проведение процесса выращивания монокристалла в атмосфере компенсированного (сжатого) газа, обладающего большой теплопроводностью, а также наличие на поверхности расплава слоя флюса, обладающего теплоизолирующими свойствами, существенно изменяют тепловые условия роста монокристалла по сравнению с обычными. Это способствует возникновению в выращиваемых монокристаллах настолько значительных напряжений, что монокристаллы больших диаметров могут растрескиваться после охлаждения до комнатных температур.

Монокристалл под слоем флюса имеет тенденцию принимать волнистый профиль. Ухудшение теплоотвода ведет к накоплению отводимой теплоты в столбике расплава, высота которого увеличивается. Кристалл сужается. Однако после выхода этой области из-под флюса она охлаждается потоками инертного газа, что ведет к увеличению диаметра растущего кристалла. Чередование этих процессов ведет к появлению волнистого профиля.

Нормальная высота флюса при выращивании монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений 10-12 мм. При высоте слоя флюса менее 8 мм потери летучего компонента из расплава сильно возрастают; при очень большой высоте флюса управление диаметром растущего монокристалла сильно затрудняется.

Синтез фосфида галлия.

Высокая летучесть фосфора обуславливает невозможность получения поликристаллов GaP простым сплавлением исходных веществ. Для синтеза GaP следует использовать метод, основанный на взаимодействии паров летучего компонента и расплава нелетучего в квазигерметичном реакторе.

монокристаллический фосфид галлия полупроводниковый

Рис.5. Квазигерметичный реактор для синтеза разлагающихся полупроводниковых соединений путем взаимодействия пара летучего компонента с расплавом нелетучего, помещенного в тепловой узел установки высокого давления: 1 - термопара; 2 - летучий компонент (фосфор); 3 - электронагреватель сопротивления; 4,5 - кварцевая пластина и реактор, соответственно; 6 - графитовая подставка тигля; 7 - нагреватель тигля; 8 - кварцевый тигель; 9 - канал гидравлического затвора, заполненный флюсом; 10 - расплав нелетучего компонента (Ga)

Критерий выхода годного материала

При изготовлении полупроводниковых кристаллов важно соблюдать однородность свойств материала по всей протяженности слитка. Степень неоднородности распределения концентрации носителей заряда по длине нормирована и задается величиной разброса в. Она есть мера относительного изменения концентрации носителей заряда. В случае распределения примеси согласно уравнению Галливера (что имеет место в методе Чохрльского) можно выразить предел образца, в котором концентрация примеси остается в заданных требуемых пределах. В простом приближении, кроме того, считаем, что концентрация примеси полностью определяет концентрацию носителей (то есть вся примесь однократно ионизирована, есть примесь лишь одного сорта)

Если требуемое значение (от которого измеряется разброс) берется равным начальному значению концентрации, то тогда выход годного:

Если же занизить концентрацию в начале кристалла, или же завысить требуемую концентрацию, то разброс будет в обе стороны и выход годного повышается:

Рис. 6. Выход годного материала при требуемом значении концентрации, совпадающем с концентрацией в начальной части

Рис. 7. Выход годного материала при увеличенном требуемом значении концентрации, при "отрицательном допуске по концентрации"

Видно, что при применении отрицательного допуска по концентрации существенно увеличивается выход годного, поскольку используется допустимый диапазон разброса конецентрации как выше, так и ниже требуемого значения.

При легировании прохождением расплавленной зоны в методе зонной плавки распределение примеси (даже без потерь на испарение примеси):

Вывод формулы распределения примеси

Допущения Пфанна и Боомгардта

Допущения Пфанна состоят в следующем:

· Пренебрегаем диффузионным перераспределением примеси в твердой фазе, коэффициент диффузии в твердой фазе принимается нулевым, DТ = 0

· Перераспределение примеси в жидкой фазе происходит мгновенно, DЖ =

· Эффективный коэффициент распределения k считаем постоянным и не зависящим от концентрации примеси. Коэффициент постоянен в течение всего процесса

· Объем материала неизменен, то есть плотности твердой и жидкой фаз равны dт = dж

· Нет обмена с газообразной фазой, нет разлагающихся, диссоциирующих и летучих компонентов

Видно, что для летучих примесей нельзя применять эти допущения. Учет перераспределения летучей примеси между газовой фазой и расплавом произведен в допущениях Боомгардта. Они включают в себя положения допущений Пфанна, кроме последнего. Вместо него три новых допущения:

o Нет обмена примесью между газообразной фазой и твердой фазой. Процесс обмена примесью происходит только между расплавом и газовой фазой

o . Коэффициент диффузии в газовой фазе бесконечно велик, фаза однородна

o Скорость обмена примесью между расплавом и газовой фазой ограничивается скоростью поверхностного взаимодействия, т. е. кинетикой присоединения или отсоединения частиц, и пропорциональна разности между текущей С и равновесной Ср концентрациями летучей примеси в расплаве. Уравнения Бартона-Прима-Слихтера и Слихтера

Коэффициентом распределения называется отношение концентрации примеси в твердой фазе к ее концентрации в жидкой фазе.

Различают эффективный коэффициент распределения k и равновесный коэффициент распределения k0 в условиях термодинамического равновесия. Равновесный коэффициент является справочной величиной. Связь между равновесным и неравновесным коэффициентом распределения примеси установлена уравнением Бартона-Прима-Слихтера:

где f - скорость кристаллизации, D - коэффициент диффузии примеси в жидкой фазе, д - толщина диффузионного слоя. Толщина диффузионного слоя определена Слихтером как точка, в которой конвективная и диффузионная составляющие потоков массопереноса равны:

здесь н - кинематическая вязкость расплава, щ - угловая скорость вращения кристалла относительно тигля (рад/с).

Уравнения баланса объема и примеси.

Введем обозначения V, C, Q - текущие значения объема расплава, концентрации примеси в расплаве, количества примеси в расплаве. Аналогично для твердой фазы VТ, CТ, QТ. Начальные значения величин в расплаве соответственно обозначим V0, C0, Q0.

Запишем уравнения постоянства количества примеси в системе и условие неизменности объема (по допущению Пфанна):

Количество примеси Q = C·V. По определению, k = CT/C

CTdVT + CdV + VdC = 0

Доля закристаллизовавшегося расплава g = VT/V0, dg = dVT/dV0, -dg = dV/dV0. Итак, из второго

В конце получаем уравнение Галливера, описывающее распределение примеси вдоль слитка

Делись добром ;)