Выращивание кремния методом чохральского

Рубрики Дача

Содержание:

научная статья по теме ТИГЛИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗОТОПНООБОГАЩЕННОГО КРЕМНИЯ Химия

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ТИГЛИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗОТОПНООБОГАЩЕННОГО КРЕМНИЯ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 12, с. 1262-1265

ТИГЛИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗОТОПНООБОГАЩЕННОГО КРЕМНИЯ © 2013 г. А. В. Гусев*, В. А. Гавва*, Е. А. Козырев*, Х. Риман**, Н. В. Абросимов**

*Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук, Нижний Новгород

e-mail: [email protected] **Институтроста кристаллов им. Лейбница, Берлин, Германия Поступила в редакцию 22.04.2013 г.

Проведена оценка изотопного разбавления при выращивании монокристаллов стабильных изотопов кремния методом Чохральского с использованием тиглей из кварцевого стекла природного изотопного состава. Разработана методика нанесения на тигли защитных покрытий из изотопнообога-щенного диоксида кремния. Сопоставление изотопного состава исходного изотопнообогащенного поликристаллического кремния и выращенных из него монокристаллов 28Si, 29Si и 30Si свидетельствует, что применение защитных покрытий позволяет исключить изотопное разбавление на стадии выращивания монокристалла.

В последнее десятилетие активно проводятся исследования в области получения и исследования свойств изотопнообогащенных веществ. Особый интерес проявляется к моноизотопным полупроводниковым материалам [1, 2]. Изотопнообога-щенные полупроводники проявляют ряд свойств [3, 4], открывающих новые перспективы их применения. Одним из основных полупроводниковых материалов является кремний. Для выращивания монокристаллов кремния широко применяется метод вытягивания из расплава (метод Чохральского). Выращивание кремния по методу Чохральского обычно проводится из тиглей, изготовленных из высокочистого кварцевого стекла. При выращивании монокристаллов кремния, высокообогащенных одним из изотопов 2881, 2981 или 3081, возникает проблема изотопного разбавления в результате взаимодействия диоксида кремния природного изотопного состава с расплавом моноизотопного кремния: 8Ю2 + 81 ^ 28Ю.

Целью настоящей работы является оценка возможного изотопного разбавления в процессе выращивания монокристаллов стабильных изотопов кремния из тиглей, изготовленных из кварцевого стекла природного изотопного состава, и разработка методики нанесения защитных слоев из диоксида кремния, обогащенного соответствующим изотопом, на тигли для исключения изотопного разбавления.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Если принять коэффициент распределения кристалл—расплав для «примесного» изотопа равным единице, изменение концентрации изотопа в закристаллизовавшемся кремнии при кристаллизации участка кристалла массой dm описывается выражением

где С(т) — концентрация «примесного» изотопа в кристалле, 8(т) — площадь контакта расплава с поверхностью тигля, О — удельная скорость поступления «примесного» изотопа из материала тигля, У(т) — объем расплава кремния, Ж — скорость кристаллизации, т — масса расплава кремния в тигле.

Скорость поступления «примесных» изотопов с единицы поверхности тигля принимали постоянной. Содержание основного изотопа в исходной загрузке принималось равным 100%. Поскольку масса кремния, испарившегося из расплава в процессе выращивания в виде летучего БЮ много меньше массы расплава в тигле, влиянием испарения БЮ на изотопный состав выращиваемого кристалла пренебрегали.

Для тигля постоянного диаметра с плоским дном выражение, описывающее распределение концентрации изотопа по длине кристалла, имеет вид:

ТИГЛИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО МОНОКРИСТАЛЛОВ

Метод Чохральского. Технология выращивания монокристаллов кремния и германия

Этот процесс был назван в честь выдающегося польского ученого и подданного Российской империи Яна Чохральского, который изобрел его в далеком 1915 году. Открытие произошло случайно, хотя сам интерес Чохральского к кристаллам, разумеется, случайным не был, ведь он очень плотно изучал геологию.

Применение

Пожалуй, самой главной областью применения этого метода является промышленность, особенно тяжелая. В промышленности его до сих пор используют для искусственной кристаллизации металлов и прочих веществ, чего нельзя добиться каким-либо другим способом. В этом отношении метод доказал свою почти абсолютную безальтернативность и универсальность.

Монокристаллический кремний — моно-Si. У него есть и другое название. Кремний, выращенный методом Чохральского — Cz-Si. То есть кремний Чохральского. Это основной материал в производстве интегральных схем, используемых в компьютерах, телевизорах, мобильных телефонах и всех типах электронного оборудования и полупроводниковых приборов. Кристаллы кремния также используются в больших количествах фотоэлектрической промышленностью для производства обычных моно-Si-солнечных элементов. Почти идеальная кристаллическая структура дает самую высокую эффективность преобразования света в электричество для кремния.

Высокочистый полупроводниковый кремний (всего несколько частей на миллион примесей) расплавляется в тигле при 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), обычно из кварца. Присадочные примесные атомы, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены к расплавленному кремнию в точном количестве для легирования, тем самым изменяя его на кремний типа p или n с различными электронными свойствами. Точно ориентированный стержень-семенной кристалл погружается в расплавленный кремний. Шток семенного кристалла медленно поднимается вверх и вращается одновременно. Благодаря точному регулированию градиентов температуры, скорости вытягивания и скорости вращения можно извлечь крупный монокристаллический цилиндрический слиток из расплава. Возникновения нежелательных неустойчивостей в расплаве можно избежать, исследуя и визуализируя поля температуры и скорости. Этот процесс обычно проводят в инертной атмосфере — такой, как аргон, в инертной камере — такой, как кварц.

Промышленные тонкости

Из-за эффективности общих характеристик кристаллов в полупроводниковой промышленности используются кристаллы со стандартизованными размерами. В первые дни их були были меньше, всего несколько дюймов в ширину. С передовыми технологиями производители высококачественных устройств используют пластины диаметром 200 мм и 300 мм. Ширина контролируется точным регулированием температуры, скоростью вращения и скоростью снятия семенного держателя. Кристаллические слитки, из которых нарезаются эти пластины, могут иметь длину до 2 метров, весом несколько сотен килограммов. Большие пластины позволяют улучшить эффективность производства, поскольку на каждой пластине можно изготовить больше чипов, поэтому устойчивый привод увеличил размеры кремниевых пластин. Следующий шаг вверх, 450 мм, в настоящее время планируется ввести в 2018 году. Кремниевые пластины обычно имеют толщину около 0,2-0,75 мм и могут быть отполированы до большой плоскостности для создания интегральных схем или текстурирования для создания солнечных элементов.

Нагревание

Процесс начинается, когда камера нагревается примерно до 1500 градусов Цельсия, плавя кремний. Когда кремний полностью расплавляется, маленький затравочный кристалл, установленный на конце вращающегося вала, медленно опускается до тех пор, пока не окажется ниже поверхности расплавленного кремния. Вал вращается против часовой стрелки, а тигель — по часовой стрелке. Вращающийся стержень затем тянется вверх очень медленно — около 25 мм в час при изготовлении кристалла рубина — с образованием примерно цилиндрической були. Буль может быть от одного до двух метров, в зависимости от количества кремния в тигле.

Электрическая проводимость

Электрические характеристики кремния регулируются путем добавления к нему материала, такого как фосфор или бор, перед его расплавлением. Добавленный материал называется допантом, а процесс — допированием. Этот метод также используется с полупроводниковыми материалами, отличными от кремния, такими как арсенид галлия.

Особенности и преимущества

Когда кремний выращивают по методу Чохральского, расплав содержится в тигле кремнезема. Во время роста стенки тигля растворяются в расплаве, а получаемое вещество содержит кислород при типичной концентрации 1018 см-3. Кислородные примеси могут оказывать полезные или вредные эффекты. Тщательно выбранные условия отжига могут приводить к образованию кислородных осадков. Они влияют на захват нежелательных примесей переходных металлов в процессе, известном как геттерирование, улучшая чистоту окружающего кремния. Однако образование осадка кислорода в непреднамеренных местах может также разрушать электрические структуры. Кроме того, примеси кислорода могут улучшить механическую прочность кремниевых пластин путем иммобилизации любых дислокаций, которые могут быть введены во время обработки устройства. В 1990-х годах было экспериментально показано, что высокая концентрация кислорода также полезна для радиационной твердости детекторов кремниевых частиц, используемых в суровых радиационных условиях (таких как проекты LHC/HL-LHC CERN). Поэтому радиационные детекторы из кремния, выращенного методом Чохральского, считаются перспективными кандидатами на участие во многих будущих экспериментах по физике высоких энергий. Было также показано, что присутствие кислорода в кремнии увеличивает захват примеси в процессе после имплантации отжига.

Проблемы реакции

Однако примеси кислорода могут вступать в реакцию с бором в освещенной среде. Это приводит к образованию электрически активного бор-кислородного комплекса, который снижает эффективность клеток. Выход модуля падает примерно на 3 % в течение первых нескольких часов освещения.

Концентрация примеси в твердом кристалле, являющаяся результатом замораживания объема, может быть получена из рассмотрения коэффициента сегрегации.

Другие публикации с нашего сайта:  Арбузы на алтае выращивание

Выращивание кристаллов

Выращивание кристаллов — это процесс, в котором уже существовавший кристалл становится больше по мере увеличения количества молекул или ионов в их положениях в кристаллической решетке, или раствор превращается в кристалл, и дальнейший рост обрабатывается. Метод Чохральского является одной из форм этого процесса. Кристалл определяется как атомы, молекулы или ионы, расположенные в упорядоченном повторяющемся образце, кристаллическая решетка, распространяющаяся во всех трех пространственных измерениях. Таким образом, рост кристаллов отличается от роста капли жидкости тем, что во время роста молекулы или ионы должны попадать в правильные положения решетки, чтобы упорядоченный кристалл мог расти. Это очень интересный процесс, подаривший науке множество любопытных открытий таких, как электронная формула германия.

Процесс выращивания кристаллов осуществляется благодаря специальным приспособлениям — колбам и решеткам, в которых и проходит основная часть процесса кристаллизации вещества. Эти приспособления в огромном количестве существуют практически на каждом предприятии, на котором идет работа с металлами, минералами и другими подобными веществами. В ходе процесса работы с кристаллами на производстве было совершено множество важных открытий (например, упомянутая выше электронная формула германия).

Заключение

Метод, которому посвящена эта статья, сыграл большую роль в истории современного промышленного производства. Благодаря нему люди наконец-то научились создавать полноценные кристаллы кремния и многих других веществ. Сначала в лабораторных условиях, а затем и в промышленных масштабах. Метод выращивания монокристаллов, открытый великим польским ученым, массово используется до сих пор.

Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского

Около 75% всего производства монокристаллического Si ведет­ся по методу Чохральского, который обеспечивает должный уровень качества, необходимый при изготовлении БИС (интегральных микро­схем большой степени интеграции).

Метод Чохральского основан на направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава.

Современная установка для выращивания по Чохральскому (рисунок 3.1) представляет большой агрегат высотой более 5 м, включающий рабочую камеру, электронагреватель, прецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования и газораспределения, устройства контроля и управления через ЭВМ.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов следующая.

3.5.1.1 Подготовка и загрузка исходных материалов. В тигель помещают поликристаллический Si, полученный хлоридным методом, легирующую примесь, отходы монокристаллов, вакуумируют рабочую камеру, расплавляют материалы в тигле и выдерживают при Т > Тплавл
чтобы испарились летучие примеси.

3.5.1.2 Прогрев затравки. Затравка — это монокристаллический
стержень из Si малого диаметра, служащий центром кристаллизации.
Поперечное сечение затравки определяет ориентацию монокристалла: Δ — (III), □ — (100), ▬ — (110).

Рисунок 3.10 – Схема установки для выращивания слитков Si по методу Чохральского.

Прогревают затравку при высоких температурах, чтобы предотвратить термоудар, появление структурных несовершенств при опускании ее в расплав.

3.5.1.3 Выращивание шейки. Затравку опускают в расплав и с вы­сокой скоростью поднимают, при этом из расплава «вытягивается»
тонкий кристалл малого диаметра — шейка.

3.5.1.4 Разращивание и «выход на диаметр». За счет снижения
скорости «подъема до (1,5-3) мм/мин осуществляется увеличение
диаметра до заданного номинала.

3.5.1.5 Выращивание цилиндрической части в автоматическом ре­жиме. ЭВМ обеспечивает управление системами поддержания температуры, скорости вытягивания, подъема и опускания штока с затравкой,
вращения тигля.

3.5.1.6 Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава.

3.5.1.7 Медленное охлаждение кристалла, чтобы свести до минимума дефекты его структуры. Диаметр монокристаллических слитков
(75-100) мм, длина 1,5 м. Возможно выращивание слитков диаметром 150 мм и более. В заданную марку по удельному сопротивлению попа­дает обычно не более 50% длины слитка, остальная часть распределяется на другие марки или направляется снова в тигель для расплавления.

Недостатки метода Чохральского:

— растворение кварцевого тигля в расплаве Si со скоростью 10 -6 г/(cм 2 . с), что обусловливает высокое содержание кислорода в слитке и малое удельное электрическое сопротивление, не более 10 4 Ом∙м;

— неравномерное распределение примесей, дефектов по длине слит­ка и по площади кристалла.

Для выращивания высокочистых монокристаллов Si г применяют ме­тод бестигельной зонной плавки.

Выращивание монокристаллов методом Чохральского (монокристаллический кремень)

Основной объем монокристаллического кремния (80-90%) потребляемого электронной промышленно-

стью, выращиваеться по методу Чохральского.

Фактически весь кремний,используемый для произво-

дства интегральных схем,производиться этим методом.

Кристаллы выращенные этим методом обычно не содержат краевых дислокаций,но могут включать

небольшие дислокационные петли,образующиеся при

конденсации избыточных точечных дефектов.

Кристаллический рост заключаеться в фазовом переходе из жидкого состояния в твердую фазу.

Применительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость-твердое тело.

Рост кристаллов по методу Чохральского заключаеться

в затвердевании атомов жидкой фазы на границе раздела

Скорость роста определяеться числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения

атомов,поступающих из жидкой фазы,и особенностями

теплопереноса на границе раздела фаз.Скорость вытягивания оказывает влияние на форму границы раздела фаз между растущим кристаллом и расплавом,

которая являеться функцией радиального градиента

температуры и условий охлаждения боковой поверхности растущего кристалла.

Оборудование для роста кристаллов.

Установка для выращивания кристаллов представлена на

рисунке 2,и включает в себя 4 основных узла:

1.Печь в которую входят тигель,контейнер,

механизм вращения,нагреватель,источник пита-

2.Механизм вытягивания кристалла содержащий

стержень,или цепь с затравкой,механизм вращения

затравки и устройство для зажима затравки.

3.Устойство для управления составом атмосферы,

состоящее из газовых источников,расходомеров,

системы продувки и вакуумной системы.

4.Блок управления,в который входят микропроцессор,датчики и устройства вывода.

Тигель является наиболее важным элементом

ростовой системы.Так как тигель содержит расплав,его материал должен быть химически инертен по отношению к расплавленному кремнию.

Это основное требование при выборе материала

тигля,так как электрические свойства кремния чувствительны даже к таким уровням примеси,

как 10(-7)ат.%.Кроме того,материал тигля должен

иметь высокую температуру плавления,обладать

термической стабильностью и прочностью.

Также он должен быть недорогим или обладать способностью к многократному использованию.

К сожалению,расплавленный кремний растворяет

почти все используемые материалы (например

карбиды тугоплавких металлов TiC или TaC,тем

самым способствуя слишком высокому уровню

металлических примесей в растущем монокристалле.Тигли из карбида кремния также

неприемлимы.Несмотря на то что углерод

являеться электрически нейтральной примесью в

кремнии,вырастить высококачественные монокристаллы кремния из расплавов,насыщенных

Отношение диаметра тигля к его высоте в больших

установках =1 или немного превышает это значение

Обычно диаметр тигля равен 25,30 или 35 см.для

объема загрузки 12,20 и 30 кг. соответственно.

Толщина стенок тигля равна 0.25см,однако кварц

недостаточно тверд,чтобы использовать его в качестве контейнера для механической поддержки расплава.После охлаждения несоответствие термических коэффициентов линейного расширения

между оставшимися в тигле кремнием и кварцом

приводит к растрескиванию тигля.

Возможность использования нитрида кремния в ка-

честве материала для тиглей была продемонстрирована при осаждении нитрида из

парогазовых смесей на стенки обычного тигля.

Контейнер используеться для поддержки кварце-

вого тигля .В качестве материала для контейнера

служит графит,поскольку он обладает хорошими

высокотемпературными свойствами.Обычно используют сверхчистый графит.Высокая степень чистоты необходима для предотвращения загрязнения кристалла,примесями,которые выделяються из графита при высоких температурах процесса .Контейнер устанавливают

на пьедестал,вал которого соединен с двигателем,

обеспечивающим вращение.Все устройство можно

поднимать или опускать для поддержания уровня

расплава в одной фиксированной точке,что необходимо для автоматического контроля диаметра растущего слитка.

должна соответствовать определенным требованиям.Прежде всего она должна обеспечивать

легкий доступ к деталям узла для облегчения

загрузки и очистки.Высокотемпературный узел

должен быть тщательно герметизирован,дабы

предотвратить загрязнение системы из атмосферы

Кроме того,должны быть предусмотрены специальные устройства,предотвращяющие нагрев

любого узла камеры до температуры,при которой

давление паров ее материала может привести к загрязнению кристалла.Как правило,наиболее сильно

нагреваемые детали камеры имеют водяное охлаждение,а между нагревателем и стенками камеры устанавливают тепловые экраны.

Для расплавления материала загрузки используют главным образом высокочастотный индукционный или резистивный нагрев.Индукционный нагрев применяют при малом объеме загрузки,а резистивный-исключительно в больших ростовых

установках.Резистивные нагреватели при уровне мощности порядка нескольких десятков киловатт

обычно меньше по размеру,дешевле,легче в изготовлении и более эффективны.Они представляют собой графитовый нагреватель

,соединенный с источником постоянного напряжения.

Механизм вытягивания кристалла.

Механизм вытягивания кристалла должен с минима-

льной вибрацией и высокой точностью обеспечить

реализацию двух параметров процесса роста:

  • -скорости вытягивания;
  • -скорости вращения кристалла.

Затравочный кристалл изготавливаеться с точной

(в пределах установленного допуска)ориентацией,

поэтому держатель затравки и механизм вытягивания должны постоянно удерживать его

перпендикулярно поверхности расплава.

Направляющие винты часто используються для

подъема и вращения слитка. Этот метод позво-

ляет безошибочно центрировать кристалл отно-

сительно тигля , однако при выращивании слитков

большой длины может оказаться необходимой

слишком большая высота установки.Поэтому,

когда поддержание необходимой точности при вы-

ращивании длинных слитков не обеспечиваеться

винтовым устройством,приходиться применять многожильные тросы.В этом случае центровка

положения монокристалла и тигля затруднена.

Более того,в процессе наматывания троса возможно

возникновение маятникого эффекта.Тем не менее

применение тросов обеспечивает плавное вытя-

гивание слитка из расплавава , а при условии их

наматывания на барабан высота установок значительно уменьшаеться. Кристалл выходит из

высокотемпературной зоны через систему продувки

,где газовый поток-в случае если выращивание про-

изводиться в газовой атмосфере-движеться вдоль

поверхности слитка,приводя к его охлаждению.

Другие публикации с нашего сайта:  Стол цвет слива

Из системы продувки слиток попадает в верхнюю

камеру,которая обычно отделена от высокотемпературной зоны изолирующим клапаном.

Устройство для управления составом атмосферы.

Рост монокристалла по методу Чохральского должен

проводиться в инертной среде или вакууме,что вызвано следующими причинами:

1) Нагретые графитовые узлы должны быть

защищены от воздействия кислорода для

2) Газовая атмосфера не должна вступать в

химическую реакцию с расплавом кремния.

Выращивание кристаллов в вакууме удовлетворяет указанным требованиям и , кроме того, имеет ряд

преимуществ,в частности ,способствует удалению

из системы моноокиси кремния, тем самым предо-

твращаяет ее осаждение на стенках камеры.При

выращивании в газовой атмосфере чаще всего используют инертные газы :аргон и гелий.

Инертные газы могот находиться при атмосферном или пониженном давлении.В промышленных производстве для этих целей используются аргон

что объясняеться его низкой стоимостью.

Оптимальный расход газа составляет 1500л на 1кг

выращенного кремния.Аргон поступает в камеру при

испарении из жидкого источника и должен соответствовать требованиям высокой чистоты

в отношении содержания влаги,углеводородов,

и других примесей.

Блок управления может включать в себя разные

приборы.Он предназначен для контроля и

управления такими параметрами процесса,как

температура,диаметр кристалла,скорость вытягивания и скорость вращения.Контроль

может проводиться по замкнутому или разомкнутому контуру.Параметры,включающие

скорости вытягивания и вращения,имеют большую

скорость отклика и чаще всего контролируються

по принципу замкнутого контура с обратной связью.

Большая тепловая масса обычно не требует

кратковременного контроля температуры.Например

для контроля диаметра растущего кристалла ин-

фракрасный датчик температуры может быть сфокусирован на границе раздела фаз расплав-

монокристалл и использован для определения температуры мениска.Выход датчика связан с

механизмом вытягивающего устройства и контро-

лирует диаметр слитка путем изменения скорости вытягивания.Наиболее перспективными управляющими являються цифровые микропроцессорные системы.Они позволяют уменьшить непосредственное участие оператора в

процессе выращивания и дают возможность

организовать програмное управление многими этапами технологического процесса.

Схема установки для выращивания кристаллов.

  • 1.затравочный шток 2.верхний кожух 3.изолирующий клапан
  • 4.газовый вход 5.держатель затравки и затравка 6.камера

высокотемпературной зоны 7.расплав 8.тигель 9.выхлоп

  • 10.вакуумный насос 11.устройство вращения и подъема тигля
  • 12.система контроля и источник энергии 13.датчик температуры
  • 14.пьедестал 15.нагреватель 16.изоляция 17.труба для продувки
  • 18.смотровое окно 19.датчик для контроля диаметра растущего

под редакцией С.ЗИ.,МОСКВА”МИР”1986

2.Оборудование полупроводникового производства

Учебно-исследовательская работа на тему :

“Выращивание монокристаллов методом

Метод Чохральского в технологии выращивания монокристаллов кремния

Физические и химические свойства кремния. Методы выращивания монокристаллов из расплава, из раствора, из газообразного вещества. Параметры, влияющие на рост монокристаллического кремния. Оборудование, применяемое для роста кристаллов методом Чохральского.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Основные стадии технологического процесса выращивания монокристалла методом вытягивания из расплава. Устройство теплового узла, классификация источников нагрева. Применение графитового тигля для выращивания монокристаллов германия методом Чохральского.

презентация [711,0 K], добавлен 19.02.2016

Строение атома кремния, его основные химические и физические свойства. Распространение силикатов и кремнезема в природе, использование кристаллов кварца в промышленности. Методы получения чистого и особо чистого кремния для полупроводниковой техники.

реферат [243,5 K], добавлен 25.12.2014

Основные способы выращивания монокристаллов. Способ их выращивания из паровой фазы. Применение методов Врейнеля, Бриджмена, Чохральского и зонной плавки. Структура, дефектность и нестехиометрия ферритов. Изучение сущности метода совместного осаждения.

курсовая работа [1,1 M], добавлен 22.06.2015

Основные виды кристаллов. Естественный и искусственный рост кристаллов. Выращивание кристаллов как физико-химический процесс, требуемое оборудование. Способы образования кристаллов. Выращивание монокристаллов из расплава, растворов и паровой фазы.

реферат [57,3 K], добавлен 07.06.2013

Прямое азотирование кремния. Процессы осаждения из газовой фазы. Плазмохимическое осаждение и реактивное распыление. Структура тонких пленок нитрида кремния. Влияние поверхности подложки на состав, структуру и морфологию осаждаемых слоев нитрида кремния.

курсовая работа [985,1 K], добавлен 03.12.2014

Химические свойства простых веществ. Общие сведения об углероде и кремнии. Химические соединения углерода, его кислородные и азотсодержащие производные. Карбиды, растворимые и нерастворимые в воде и разбавленных кислотах. Кислородные соединения кремния.

реферат [801,5 K], добавлен 07.10.2010

Расчёт константы равновесия процесса выращивания монокристаллов. Процесс сублимации компонентов Cd и Te. Расчёт парциальных давлений паров компонентов. Принципиальная схема реактора и распределение температуры. Оценка возможности окисления компонентов.

дипломная работа [1,2 M], добавлен 11.12.2016

Обзор руднотермических печей, применяемых при производстве кремния. Пересчет химического состава сырья и углеродистых восстановителей, применяемых при производстве кремния в мольные количества химических элементов с учетом загрузочных коэффициентов.

курсовая работа [516,0 K], добавлен 12.04.2015

Эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Исследование форм кристаллов NaCl, образуемых при сублимации из водного раствора; структурное соответствие эпитаксиальных пар по срастающимся граням и отдельным рядам.

курсовая работа [11,4 M], добавлен 04.04.2011

Физические свойства элементов главной подгруппы III группы. Общая характеристика алюминия, бора. Природные неорганические соединения углерода. Химические свойства кремния. Взаимодействие углерода с металлами, неметаллами и водой. Свойства оксидов.

презентация [9,4 M], добавлен 09.04.2017

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского;

Производство полупроводниковых материалов

Влияние света на проводимость полупроводников

Влияние деформации на проводимость полупроводников

От деформации (растяжения, сжатия) изменяются межатомные расстояния (увеличиваются, уменьшаются) в кристаллической решетке ПП, а, следовательно, меняется подвижность носителей заряда. Согласно формуле (3.1) произойдет изменение удельного электрического сопро­тивления.

Отношение относительного изменения удельного электрического со­противления к относительной деформации (удлинению, сжатию) в дан­ном направлении называется тензочувствительностью ПП:

Сильная зависимость удельного сопротивления от механических де­формаций в кремнии, германии используется для изготовления из этих материалов тензодатчиков.

Под действием света в ПП может осуществляться переход электрона, в свободное состояние или образовываться дырка. Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводимости очень короткое время (10 -7 ÷ 10 -3 с). При отсутствии внешнего электрического поля они хаотически перемещаются в междуатомных промежутках (междоузлиях) кристаллической решетки. Когда к кристаллу ПП приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности. Таким образом, поглощение света приводит к появлению в ПП дополнительных нерав­новесных носителей заряда, и электропроводимость его возрастает:

где σТЕМН — проводимость ПП б темноте; δС — фотопроводимость, появляющаяся при освещении ПП.

Максимальную длину волны падающего света, поглощаемую ПП, назы­вают красной границей внутреннего фотоэффекта.

Энергия частиц света фотонов равна

где h — постоянная Планка; h = 4.14×10 -15 эВ∙с; с=3∙10 8 м/с — скорость света; ν и λ — частота и длина волны падающего света.

Подставив значения h и с, получим

Если вместо ЕФ ваять значение ширины запрещенной зоны, например, для Si ΔЕ = 1,12 эВ, .то получим λ =1,1 мкм.

Таким образом, Si будет поглощать свет только с длиной волны, меньше 1,1 мкм.

Зависимость проводимости ПП от освещения используют для созда­ния различных фоточувствительных приборов, работающих в инфракра­сной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра (фотодиоды, фото­транзисторы, солнечные батареи, и др.).

В ПП соединениях может наблюдаться эмиссия электронов из ПП в вакуум под действием квантов света (внешний фотоэффект), Это лежит в основе действия ПП фотокатодов в фотоэлектронных умножителях.

Около 75% всего производства монокристаллического Si ведет­ся по методу Чохральского, который обеспечивает должный уровень качества, необходимый при изготовлении БИС (интегральных микро­схем большой степени интеграции).

Метод Чохральского основан на направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава.

Современная установка для выращивания по Чохральскому (рисунок 3.1) представляет большой агрегат высотой более 5 м, включающий рабочую камеру, электронагреватель, прецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования и газораспределения, устройства контроля и управления через ЭВМ.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов следующая.

3.5.1.1 Подготовка и загрузка исходных материалов. В тигель помещают поликристаллический Si, полученный хлоридным методом, легирующую примесь, отходы монокристаллов, вакуумируют рабочую камеру, расплавляют материалы в тигле и выдерживают при Т > Тплавл
чтобы испарились летучие примеси.

3.5.1.2 Прогрев затравки. Затравка — это монокристаллический
стержень из Si малого диаметра, служащий центром кристаллизации.
Поперечное сечение затравки определяет ориентацию монокристалла: Δ — (III), □ — (100), ▬ — (110).

Рисунок 3.10 – Схема установки для выращивания слитков Si по методу Чохральского.

Прогревают затравку при высоких температурах, чтобы предотвратить термоудар, появление структурных несовершенств при опускании ее в расплав.

3.5.1.3 Выращивание шейки. Затравку опускают в расплав и с вы­сокой скоростью поднимают, при этом из расплава «вытягивается»
тонкий кристалл малого диаметра — шейка.

3.5.1.4 Разращивание и «выход на диаметр». За счет снижения
скорости «подъема до (1,5-3) мм/мин осуществляется увеличение
диаметра до заданного номинала.

3.5.1.5 Выращивание цилиндрической части в автоматическом ре­жиме. ЭВМ обеспечивает управление системами поддержания температуры, скорости вытягивания, подъема и опускания штока с затравкой,
вращения тигля.

3.5.1.6 Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава.

Другие публикации с нашего сайта:  Выращивание обриеты из семян

3.5.1.7 Медленное охлаждение кристалла, чтобы свести до минимума дефекты его структуры. Диаметр монокристаллических слитков
(75-100) мм, длина 1,5 м. Возможно выращивание слитков диаметром 150 мм и более. В заданную марку по удельному сопротивлению попа­дает обычно не более 50% длины слитка, остальная часть распределяется на другие марки или направляется снова в тигель для расплавления.

Недостатки метода Чохральского:

— растворение кварцевого тигля в расплаве Si со скоростью 10 -6 г/(cм 2 . с), что обусловливает высокое содержание кислорода в слитке и малое удельное электрическое сопротивление, не более 10 4 Ом∙м;

— неравномерное распределение примесей, дефектов по длине слит­ка и по площади кристалла.

Для выращивания высокочистых монокристаллов Si г применяют ме­тод бестигельной зонной плавки.

Выращивание кремния методом чохральского

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

  1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
  2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Метод Чохральского

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Может использоваться для выращивания кристаллов элементов и химических соединений, устойчивых при температурах плавления-кристаллизации. Метод наиболее известен применительно к выращиванию монокристаллического кремния.

За время промышленного использования (с 1950-х годов) были разработаны различные модификации метода Чохральского. Так, для выращивания профилированных кристаллов используется модификация метода Чохральского, называемая методом Степанова. Модификация наиболее известна применительно к выращиванию сапфира и кремния.

В иностранной литературе для обозначения материалов, полученных методом Чохральского, а также для самого технологического процесса и оборудования, используемого для выращивания слитков этим методом, используется аббревиатура «CZ» (от англ. CZochralski Zone — ср.

Содержание

Метод был разработан польским химиком Яном Чохральским и первоначально использовался им для измерения степени кристаллизации металлов (олово, цинк, свинец).

По некоторым сведениям, Чохральский открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленым оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. В экспериментах, проведённых Чохральским, были получены монокристаллы размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной. Чохральский изложил суть своего открытия в статье «Новый метод измерения степени кристаллизации металлов», опубликованной в немецком журнале «Zeitschrift für Physikalische Chemie» (1918). [1]

В 1950 сотрудники американской корпорации Bell Labs Тил (Gordon K. Teal) и Литтл (J.B. Little) использовали метод Чохральского для выращивания монокристаллов германия высокой чистоты, положив тем самым начало использованию метода Чохральского для промышленного производства полупроводниковых кристаллов, который в то время использовался главным образом для производства транзисторов. [2]

Характеристики метода

Метод относят к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов устойчивых к расплаву и атмосфере установки. При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля (так для кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, главными загрязняющими элементами являются содержащиеся в кварце кислород, бор, фосфор, алюминий, железо).

Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с поверхности расплава. Соответственно, содержанием летучих легирующих компонентов управляют, изменяя давление и/или состав атмосферы в ростовой установке. Так, к примеру, с поверхности расплава кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, активно испаряется монооксид кремния — SiO, образующийся при растворении материала тигля. Концентрация кислорода и равномерность её распределения в готовом слитке являются важными параметрами, поэтому давление и скорость протока над расплавом аргоновой атмосферы, в которой слитки кремния выращивают с 70-х годов ХХ-ого века, обычно подбирают экспериментально и регулируют в течение всего процесса.

Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объёму расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причём обычно в противоположных направлениях. Несмотря на это, вращения в заведомо неоднородном тепловом поле всегда приводят к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки. Более того, в случае неблагоприятных условий роста помимо винтовой нарезки на поверхности сам слиток может расти в форме штопора (коленвала). Аналогичная картина и с распределением примесей: несмотря на вращения, вдоль фронта кристаллизации всегда остаётся неподвижная область расплава переменной толщины, в которой транспорт компонентов расплава (например примесей) осуществляется медленно, исключительно за счёт диффузии. Это обусловливает неравномерность распределения компонентов расплава по диаметру слитка (по сечению). Дополнительным фактором оказывающим влияние на распределение примесей по сечению являются устойчивые и не устойчивые турбулентные вихри в расплаве при выращивании слитков большого диаметра.

Метод отличается наличием большого объёма расплава, который по мере роста слитка постепенно уменьшается за счёт формирования тела кристалла. При росте кристалла на фронте кристаллизации постоянно происходит оттеснение части компонентов в расплав. Расплав постепенно обедняется компонентами, более интенсивно встраивающимися в кристалл, и обогащается компонентами, оттесняемыми при росте кристалла. По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле, поэтому распределение компонентов по длине слитка неравномерно (для кристаллов кремния характерно повышение концентраций углерода и легирующих примесей к концу слитка). Кроме того, при уменьшении объёма расплава уменьшается площадь контакта расплава с материалом тигля, что уменьшает поступление загрязнений из тигля в расплав (в случае кремния кислород из тигля непрерывно поступает в расплав и затем испаряется с поверхности в виде монооксида кремния; в результате из-за уменьшения площади контакта расплава и тигля концентрация кислорода в слитке уменьшается от начала слитка к его концу).

Выращивание кристалла идёт со свободной поверхности расплава, не ограничивается стенками контейнера (тигля), поэтому кристаллы, полученные методом Чохральского, менее напряжены, чем кристаллы, полученные другими тигельными методами. Форма кристалла близка к цилиндрической, но при этом проявляются искажения, определяемые тепловыми условиями выращивания, скоростью вытягивания, кристаллической структурой и кристаллографической ориентацией выращиваемого слитка. Так, бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в ориентации [111], всегда имеют выраженную огранку, т.е. на цилиндре как правило формируется одна чёткая грань, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой до 1/6 диаметра слитка, и две нечётких грани, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой в несколько миллиметров. Бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в направлении [100] при значительном переохлаждении стремятся приобрести выраженную квадратную огранку, причём снижение скорости вытягивания способствует проявлению огранки. Чрезмерное повышение скорости вытягивания и/или переохлаждение расплава нередко приводят к тому, что слиток приобретает более или менее винтообразную форму (твистинг).

Инициация процесса выращивания производится путём введения в расплав затравочного кристалла необходимой структуры и кристаллографической ориентации. При смачивании затравки расплавом из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности затравочного кристалла сначала образуется тонкий слой неподвижного расплава. Атомы в этом слое выстраиваются в упорядоченную квазикристаллическую решётку, продолжающую кристаллическую решётку затравочного кристалла. Таким образом, выращиваемый слиток получает ту же кристаллическую структуру, что и исходный затравочный кристалл.

Похожие статьи:

  • Магазин роза роз сергиев посад Цветочные магазины в Сергиевом Посаде ул. 1-ой Ударной Армии, д. 95. ЖК "Виктория Парк" Сергиево-Посадский р-н, Сергиев Посад, Новоугличское шоссе ,51 Сергиев Посад г., ул. Вознесенская, 49а, (автовокзал) г. Сергиев Посад, Вокзальная пл., 2, торговые ряды […]
  • Можно ли вырастить пион в горшке Можно ли в домашних условиях выращивать пионы? 2 части:Посадка пиона в горшокУход за пионом Пионы — выносливые растения из зон 3-8. Однако, они представляются в своих лучших проявлениях в регионах, где немного холодная погода зимой. В зонах 8 и 9, эти […]
  • Рассмотри рисуноккакой фрукт тяжелее яблоко или груша Волжский класс Боковая колонка Книжная полка Малина для Админа Боковая колонка Ответы к стр. 32 Числа от 1 до 100 Сложение и вычитание 10. 14 – 6 = 14 – 4 – 2 12 – 8 = 10 – 8 + 2 15 – 9 = 15 – 5 – 4 13 – 7 = 10 – 7 + 3 11 – 8 = 11 – 1 – 7 16 – 8 = 10 – 8 […]
  • Как можно укоренить фаленопсис как укоренить орхидею фаленопсис Как укоренить орхидею фото Шахиня и седая дама фиалка 12 апр 2010 та что побольше это людизия она хорошо укореняется даже в воде можно посадить сразу под банку в смесь для орхидей с землей и как укоренить орхидею фото. Сорта […]
  • Помидоры в апреле рассада Когда сеять на рассаду помидоры, перцы и баклажаны в 2019 году по лунному календарю Когда сеять на рассаду помидоры, перцы и баклажаны в 2019 году по лунному календарю Когда сажать баклажаны на рассаду по лунному календарю в 2019 Посадка томатов на […]
  • Когда обрезать клеродендрум Клеродендрум Томпсона: уход, размножение, пересадка, обрезка Клеродендрум Томпсона (Clerodendrum thomsoniae) – быстрорастущая полулистопадная лиана из рода Клеродендрум, семейства Вербеновые (Verbenaceae). Естественным ареалом распространения растения служат […]