Вирощування кристалів кремнію
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Англійська назва silicon походить від латинського silex, що означає "кремінь". Кремній, що займає на Землі друге місце після кисню по відносним вмістом, становить 25,7% земної кори за вагою.
Кремній, застосовуваний в мікроелектроніці, використовується у вигляді великих високоякісних монокристалів. Що мається на увазі під словом "високоякісний"? На сучасному етапі розвитку мікроелектроніки допускається наявність не більше 10 12 атомів домішок в одному см 3. Їх число повинне бути зменшене до 10 10 см -3. Так як в кремнії міститься близько 5х10 22 атомів / см 3. то це означає, що допускається наявність тільки одного випадково потрапив атома домішок на кілька десятків мільярдів атомів кремнію. Така висока чистота лежить далеко за межами того, що потрібно у вихідних матеріалах, використовуваних практично в будь-якій області промисловості.
Кремній високої чистоти виходить з двох звичайних матеріалів:
· Двоокису кремнію (пісок)
У високотемпературної електричної дугового печі (при Т
1. Отримання металургійного кремнію.
(- 13 (кВт / год) / кг (реакція йде при 1500-1700 Про С))
Чистота Si-порошку 95-98%
Такий кремній ще недостатньо очищений для того, щоб його можна було використовувати в напівпровідниковій електроніці. Кремній металургійної чистоти очищається шляхом переведення його в трихлорсилану (SiHCl3), який може бути підданий подальшому очищенню:
+ хлориди домішок + тепло
SiHCl3 при кімнатній темп.- рідина. Після цього проводять фракційну дистиляцію трихлорсилану, що дозволяє відокремити його від будь-яких інших хлоридних сполук.
Очищений трихлорсилану потім відновлюється воднем, в результаті чого виходить твердий кремній високої чистоти:
3. Осадження з парогазової суміші полікріст. кремнію.
· Метод зонного плавлення.
· Метод Степанова (витягування з розплаву через фільтру).
Вирощування кристалів за методом Чохральського полягає в затвердінні (приєднання атомів в вузли кристалічної решітки) атомів рідкої фази на межі поділу рідина / кристал при поступовому витягуванні кристала з розплаву.
Методом Чохральського отримують
80% кремнію від загального обсягу виробленого кремнію для потреб електроніки. Суть методу полягає в наступному.
Шматки полі-Si розплавляють в тиглі з плавленого кварцу в атмосфері аргону. Розплав підтримується при температурі трохи перевершує точку плавлення кремнію 1415 С. Затравочний монокристал високої якості з необхідної кристалічної орієнтацією опускається в розплав і одночасно обертається. При цьому тигель обертається в протилежному напрямку, щоб викликати перемішування розплавів тигля і звести до мінімуму неоднорідності розподілу температури.
Частина затравочного кристала розчиняться в розплавленому кремнії, щоб усунути механічно напружені зовнішні ділянки і оголити порушену поверхню монокристала. Потім початковий кристал повільно витягають з розплаву. У міру підняття кристал охолоджується і матеріал з розплаву "пристає" до неї, утворюючи при цьому монокристал. Схематично це можна представити таким чином. Кремній продовжують кристалічну структуру вже затверділого матеріалу. Необхідний діаметр кристала виходить шляхом регулювання швидкості витягування і температури. З ростом переохолодження збільшується швидкість затвердіння розплаву (швидкість приєднання атомів до твердого кристалу). Але росте в'язкість рідини (розплаву) і зменшується рухливість атомів => дефектність кристал а.
Мал. 1.27. Установка і схема кристалічного зростання в методі Чохральського з відповідним температурним профілем.
Макроскопічну умова теплопереносу на кордоні розділу:
. де А1, А2-площа ізотерм.
Максимальну швидкість витягування кристала без дефектів отримаємо, якщо припустимо відсутність градієнта т.в. розплаву (відсутність переохолодження). тобто
. Тоді.
Чому не можна виростити кремній прямо в тиглі ??
1) Розплав кремнію, тверднучи, розширюється, його обсяг збільшується на 10%. Внаслідок цього може відбутися руйнування тигля. І навіть в тому випадку, коли чаша витримує розширення застигаючого кремнію, напруження, що виникає при цьому, все одно викликають появу дислокацій.
2) Кристалізація на стінках.
Методом Чохральського вирощують циліндричні монокристалічні злитки кремнію діаметром від декількох міліметрів до 400 мм. У багатьох випадках в монокристалі необхідно мати певну кількість домішки. Ця домішка вводиться додаванням в розплав невеликого, ретельно контрольованого кількості бажаного елемента.
Концентрація домішок в вирощувати монокристали і в розплаві можуть відрізнятися. Ставлення рівноважної концентрації (CS) домішок в твердому розчині до концентрації домішки в рідкому стані (CL) називається коефіцієнтом розподілу (сегрегації): kS = CS / CL. якщо kS <1, то при кристаллизации расплав обогащается примесью. Если kS>1, то відбувається збіднення. Наслідком того, що kS як правило, відмінний від 1, є неоднорідний розподіл домішок по кристалу. Так. наприклад, нехай k <1, т.е. концентрация примеси в выращиваемом кристалле (твёрдом растворе) меньше, чем в расплаве.
У міру затвердіння кремнію домішка буде відтісняти від кристала в розплав. В результаті чого концентрація легуючої домішки в розплаві збільшується. Тому в підсумку затравочний кінець кристала буде легирован слабкіше, ніж його нижній кінець.
З розглянутого вище випливає, що не вся домішка, що міститься в розплаві, буде захоплюватися зростаючим кристалом. Отже, кристал буде чистішим у порівнянні з розплавом. У цьому полягає суть очищення кристалів при їх вирощуванні з розплаву.
У міру вирощування кристала (витягування злитка з розплаву), в розплаві збільшується концентрація домішки (щодо маси основного матеріалу (Si)). У зв'язку з цим:
а) на фазовій діаграмі відбувається зрушення в бік високих концентрацій і, відповідно,
кристалізація відбувається при більш низькій температурі.
б) в витягати кристалі збільшується концентрація захопленої домішки. Тобто на заключних етапах витягування кристала його якості погіршуються!
3) якість кристала (однорідність домішок і дефектів) сильно залежить від стабільності (однорідності) температури на кордоні розділу кристал-рідина (як уздовж кордону розділу так і в перпендикулярному напрямку).