Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 [ 49 ] 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

Перемещение индуктора

1

1 2 3 X/L

Рис. 17.14. Схема установки зонной очистки: 1 - затравка; 2 - расплавленная зона шириной /

кристалла, обогащенный примесью, отрезают.

При методе зонной очистки (рис. 17.14) пруток химически очищенного германия помещают в вакуум и при помощи индуктора ТВЧ расплавляют узкую зону /, в которой и скапливаются примеси, имеющие К<\. Вместе с перемещением индуктора и расплавленной зоны примеси сгоняются к правому кон-

Процесс повторяют многократно либо используют сразу несколько индукторов и через них проталкивают графитовую лодочку с прутком германия. После окончания процесса правый конец прутка отрезают.

Степень очистки по длине прутка X зависит от коэффициента распределения примесей и отношения х : чем меньше К, тем, как следует из формулы (17.3), лучше очищается полупроводник. Лодочку (или индуктор) перемешают с постоянной скоростью, что обеспечивает постоянство К. Передвигаясь к правому концу, жидкая фаза и кристалл обогащаются примесью. Степень очистки возрастает, если при одинаковой длине прутка ширина расплавленной зоны / будет меньше. Кроме этого, степень очистки можно повысить за счет многократных проходов.

Методом зонной очистки из германия можно удалить все примеси, за исключением бора, у которого К = 1.

При использовании затравки или ампулы с острым концом слиток германия будет монокристаллическим.

Метод вытягивания монокристалла из расплава используют для очистки от примесей, у которых коэффициент К = \ (рис. 17.15).

При медленном росте кристалла, лишенного дефектов, атомам примеси трудно внедряться в кристаллическую решетку основного элемента, и монокристалл получается химически чистым.

Германий помещают в тигель и расплавляют в вакууме, а затем поддерживают расплав при температуре несколько выше температуры плавления. В расплав опускак)т затравку, которая представляет собой брусок сечением 5x5 мм, вырезанный из монокристалла германия в определенном кристаллографическом направлении. К затравке предъявляют жесткие требования в отношении дефектов кристаллографической структуры, так как все ее дефекты «наследуются» в монокристалле, ухудшая его полупроводниковые свойства. Затравку слегка оплавляют для устранения остаточных напряжений, возникших при ее механической обработке, так как они дезориентируют кристаллографические плоскости в растущем кристалле и приводят к получению поликристалла.

После оплавления затравку медленно вытягивают из расплава, который вследствие адгезии приподнимается над поверхностью, охлаждается и затвердевает.

Рис. 17.15. Схема установки для выращивания монокристалла: I - вытягивающее устройство ; 2 - затравка; 3 - монокристалл; 4 - расплав полупроводника



Донормая примесь

Акцепторная примесь

Рис. 17.16. Зависимость коэффициента распределения К донорной и акцепторной примесей от скорости вытягивания v

Для лучшего перемешивания затравку и тигель врашают либо с разными скоростями, либо в разные стороны. Скорость вытягивания должна быть небольшой, порядка 0,1 мм/с, а частота вращения-не менее 60 мин~*.

При вытягивании монокристалла с постоянной скоростью из расплава, поддерживаемого при определенной температуре, степень очистки по длине кристалла неодинакова, так как по мере вытягивания расплав обогащается примесями. Для того чтобы устранить этот дефект, в расплав добавляют германий либо постепенно уменьшают скорость вытягивания, меняя тем самым коэффициент распределения К (рис. 17.16). Анализ формулы (17.3) показывает, что при увеличении iV постоянство iV можно достичь уменьшением К в результате уменьшения скорости вытягивания. Для сохранения постоянства диаметра монокристалла температуру расплава при этом следует постоянно повышать.

Для кремния рассмотренные методы не приемлемы из-за его высокой химической активности и высокой температуры плавления (Гпл = 1414 °Q. При такой высокой температуре кремний загрязняется материалом тигля. Кроме того, коэффициент распределения у кремния со многими примесями больше, чем у германия, а с примесью бора, так же как у германия, близок к единице {К = 0,90).

Метод бестигельной зонной очистки, применяемый для кремния, включает основные принципы ранее описанных методов (рис. 17.17).

Пруток технически чистого кремния укрепляют вертикально. В нижней части прутка укрепляют затравку монокристалла. Нагрев производят индуктором ТВЧ, который слегка оплавляет затравку, а затем медленно поднимается вверх. На затравке кристаллизуется монокристалл. Примеси скапливаются в жидкой расплавленной зоне и перемещаются к верхнему концу прутка, который после окончания процесса отрезают. Процесс повторяют многократно.

Таким способом очищают прутки небольшого размера. Ширина расплавленной зоны для лучшей очистки должна быть небольшой.

Помимо описанных методов, позволяющих получать крупные обьемные монокристаллы германия, кремния, а также некоторых полупроводниковых соединений, разработана принципиально новая технология-эпитаксиальное (ориентированное) выращивание кристалла на подложке.

Метод эпитаксии позволяет создавать высокоомные (более чистые) пленки кремния и германия, исключает трудную технологическую операцию разрезки монокристаллов на тонкие пластины; дает возможность получать сложные полупроводниковые материалы (например, карбид кремния), производство которых в виде объемных монокристал-

Рис. 17.17. Схема установки для бестигельной зонной очистки кремния: 1 - поликристалл; 2 - расплавленная зона; 3 - монокристалл; 4 - затравка; 5 -индуктор




ЛОВ затруднено вследствие высокой стоимости процесса. Последнее обусловлено либо низкой производительностью, либо высокой температурой плавления и химической активностью компонентов, либо летучестью одного из компонентов соединения (А"В, AB). Применение тонких пленок толщиной 15-20 мкм улучшает параметры прибора. Излишняя толщина пластин ухудшает частотные свойства приборов из-за роста потерь. При резке объемных монокристаллов нельзя получить пластины тоньше, чем 100-200 мкм.

Эпитаксиальные пленки выращивают на подложке из монокристалла того же или другого материала. В первом случае эпитаксиальный слой при правильной технологии становится естественным продолжением подложки. Если подложка из другого материала, то эпитаксиальная пленка полупроводника будет монокристаллической только в том случае, если между кристаллографическими решетками имеется структурное и размерное соответствие, т. е. межатомные расстояния будут отличаться не более чем на 25 %.

Наиболее прост и технологически управляем процесс получения Эпитак-сиальных пленок методом водородного восстановления хлоридов (рис. 17.18).

Такой метод используют для получения высокоомных пленок германия и кремния на монокристаллических низ-коомных подложках.

Хлориды кремния или германия испаряются, транспортируются потоком водорода к подложке и восстанавливаются по реакции

SiCL -(- 2Н2 = Si -(- 4НС1.

Пары чистого полупроводника осаждаются на подогреваемой подложке.

Этот же метод положен в основу получения легированных и сложных полупроводниковых веществ. Помимо хлоридов основного элемента в камеру

«2

J \L

Подлоша

Рис. 17.18. Схема установки для выращивания эпитаксиальных пленок кремния

вводят хлориды либо иные соединения легирующих веществ.

Легирование полупроводников и получение р-переходов. Чистый беспримесный полупроводник-исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов, в нем создают электронно-дырочный р-и-переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т. д.

Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает 10"-10~%.

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т. е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью-один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния.

Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 [ 49 ] 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61