Градиентов температуры

При прохождении через образец постоянного тока в переменном магнитном поле и усреднении измеренного напряжения по двум направлениям тока неустранимой остается лишь ЭДС термогальванического эффекта, обусловленная градиентом температуры вследствие эффекта Пельтье.

Перечислим факторы, влияющие на систематическую погрешность измерения ЭДС Холла: неэквипотенциальность холловских контактов; термо-ЭДС, обусловленная внешним градиентом температуры и эффектом Пельтье; сопутствующие явлешя; соотношение между геометрическими размерами образца, расположение и размеры токовых и потенциальных контактов; электромагнитные наводки и ЭДС на комбинационных частотах.

Предел отношения изменения температуры АО к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали Are называется градиентом температуры:

поле с градиентом температуры таким образом, что температура источника Г2 выше температуры подложки 7\. Подложка и источник расположены на малом расстоянии Ах друг от друга (0,2 — 0,5 мм). Состояние газовой среды в зазоре можно считать статическим и не зависящим от параметров газового потока. Кремний в системе переносится в ходе химической реакции

в этом случае получил метод движущегося растворителя, сущность которого заключается в следующем. На кристалл-подложку и на кристалл-источник обычно способом вакуумного напыления наносят слой растворителя, толщина которого составляет ~ 100 мкм. Оба кристалла складывают в «сэндвич» растворителем внутрь. Систему источник — растворитель — подложка помещают на графитовом нагревателе в температурное поле с градиентом температуры (Тист > 7^одл). Расплавленная зона растворителя удерживается между кристаллами силами поверхностного натяжения. Перенос вещества от источника к подложке происходит путем диффузии через растворитель. Очень важен правильный подбор растворителя, который определяет и кинетические параметры процесса эпитаксии и свойства выращенного слоя. В качестве растворителей можно использовать Со, Fe, Ni, Cr, Ag, однако они могут загрязнять эпислой.

Дробь в (5-Г) представляет собой изменение температуры на единицу пути потока, называется градиентом температуры.

ских температур. Помещенный в нее тигель с расплавом обладает хорошей симметрией теплового поля и малым градиентом температуры.

Значительное влияние на возможность появления двойников оказывает кристаллографическое направление роста монокристалла., Кристаллы с алмазоподобной структурой растут преимущественно путем развития наиболее плотно-упакованных атомами плоскостей {111}. Выращивание монокристаллов в направлениях, отличных от {111}, приводит к возникновению двойников в результате стремления одной из систем плоскостей {111} в растущем монокристалле [ а их всего 8 по числу граней октаэдра (см. 4.8)] стать в положение, определяемое основным градиентом температуры. Поэтому наиболее склонным к двойникова-

Другие виды локальной неоднородности распределения примеси в монокристаллах полупроводников, например ячеистые субструктуры и включения второй фазы, также могут служить источниками внутренних напряжений, генерирующих дислокации. Ячеистые субструктуры возникают в том случае, когда термический градиент температуры (grad TT) пересекаясь с концентрационным градиентом температуры (линией ликвидус), образует в расплаве область, в которой расплав находится в переохлажденном состоянии ( 4.45,а). В отличие от термического такой вид переохлаждения получил название концентрационного.

Таким образом, теплообмен в верхней части слитка можно считать квазистационарным процессом с осевым градиентом температуры по вертикали. Для анализа такого процесса нужно знать форму лунки жидкого металла или зависимость площади поверхности лунки от ее периметра, что можно получить расчетом процесса кристаллизации металла в лунке. Выражение (7-26) получено в результате анализа теплового баланса элементарного объема металла в лунке с высотой dz.

При исследовании причины нарушений электрических соединений в полупроводниковых интегральных микросхемах и активных элементах гибридных микросхем было установлено, что данные отказы в -основном вызваны наличием трещин, металлического шунтирования, образования интерметаллической эвтектики, электромиграции, коррозии л др. Определенную роль при этом играют технологические режимы металлизации поверхности полупроводниковых структур. Шероховатость алюминиевой пленки и низкая плотность атомов металла на ступеньке окисла кремния уменьшают прочность электрических соединений и могут рассматриваться как основной источник разрушения металлизации на ступеньке окисла. Причитай нарушения металлизации может быть и процесс электродиффузии. Обнаружено два механизма электродиффузии в пленках алюминия: миграция алюминия в местах с градиентом температуры и -растворение кремния в алюминии на границе раздела кремний—алюминий с последующим его переносом в алюминиевой пленке и осаждением в другом месте. Вследствие этих процессов в структуре в одном месте возникают пустоты, а в другом — холмы перенесенного материала. Установлено, что пассивация поверхности полупроводниковых структур слоем стекла уменьшает

Результирующая плотность потока влаги определяется суммой векторов З' и Ут. Независимость от градиентов температуры и влагосодержания нелинейна, так как коэффициенты ku и kT сами являются функциями температуры и влагосодержания.

частотным индуктором. Тем не менее для уменьшения осевых градиентов температуры в состав теплового узла установки для выращивания монокристаллов методом горизонтальной зонной плавки, помимо основного, создающего расплавленную зону нагревателя, вводят дополнительный ( 4.7). При выращивании монокристаллов разла гающихся полупроводниковых соединений роль дополнительного нагревателя играет фоновый нагреватель, предотвращающий конденсацию летучего компонента на стенках реактора.

Борьбу с периодической неоднородностью проводят в нескольких направлениях. Первое — устранение асимметрии теплового поля и резких градиентов температуры в расплаве. Для этого применяют тепловые узлы, обеспечивающие хорошую центровку подставки тигля, нагревателя и боковых экранов (см., например, 4.53, г). Для полупроводников с температурой плавления не более 1000°С хорошие результаты дает применение в качестве нагревателей тепловых труб, создающих область строго изотермиче-

Как уже говорилось в § 1, амплитуда и частота автоколебаний температуры в расплаве зависят не только от величины градиентов температуры в нем, но и от объема самого расплава. Поэтому эффективным способом борьбы с автоколебаниями является уменьшение объема расплава, из которого непосредственно выращивают монокристаллы. В некоторых методах направленной кристаллизации это* условие выполняется само собой (см. 4.12,6—г). В других методах для его реализации необходимо вносить изменения в аппаратурное оформление процесса. Например, в ординарном методе Чохральского для уменьшения-объема расплава, из которого выращивают монокристалл,, в тигель помещают цилиндрические вставки, сетки, спирали и т. п.

4.38. Схема искажения кристаллической решетки под действием осевого (а—в) и радиального (г) градиентов температуры:

Анализ уравнений (4.103) показывает, что плотность дислокаций в монокристаллах полупроводников определяется величиной как градиентов температуры, так и порождаемых ими термоупругих напряжений. Последние могут достигать значений, вызывающих даже растрескивание монокристаллов полупроводников большого диаметра при охлаждении их до комнатной температуры. Это часто встречается при выращивании монокристаллов разлигающихся полупроводниковых соединений, например арсенида и фосфида галлия, методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г). В этом случае вследствие интенсивного отвода тепла от монокристалла окружающим его сжатым газом градиенты температуры в 4 — 5 раз больше, чем в случае выращивания монокристаллов в вакууме или при низком давлении инертного газа.

Очень редко малоугловые границы возникают на плоском или слегка выпуклом в расплав фронте кристаллизации, который имеют монокристаллы, растущие в условиях малых градиентов температуры. Чаще всего они встречаются в нижней, реже.в средней и очень редко в верхней части монокристалла. Это объясняется тем, что подвижность дислокаций максимальна при повышенных температурах. Вначале образуется малоугловая граница небольшого размера. По мере роста монокристалла она увеличивается, изменяя свою форму и положение. Однородное тепловое поле вокруг растущего монокристалла уменьшает количество таких структурных дефектов.

Поэтому улучшение дислокационной структуры монокристаллов арсенида галлия, выращиваемых методом горизонтальной направленной кристаллизации, достигается спрямлением фронта кристаллизации и уменьшением осевых градиентов температуры, понижающих уровень термоупругих напряжений. С этой же целью необходимо плавное разращивание монокристалла от затравки, что достигается применением затравок, сечение которых близко к сечению выращиваемого монокристалла. Плотность дислокаций в затравке может быть значительной, однако в них должны отсутствовать малоугловые границы. Для исключения под-липов необходимо применять контейнеры из материала, не смачиваемого кристаллизуемым расплавом.

Подставка для тигля. Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, конструкция подставки существенно влияет на градиенты температуры в расплаве и растущем из него монокристалле. Так, если дно подставки намного толще боковых ее стенок, отвод тепла от расплава в осевом направлении, а следовательно, и градиент температуры в данном направлении уменьшаются. Другой пример — увеличение толщины стенок подставки влечет за собой повышение температуры нагревателя. При наличии теплового узла типа, показанного на 4.53, в, в окружающее пространство над тиглем будет поступать большее количество тепла, что повлечет за собой изменение осевых и радиальных градиентов температуры в растущем монокристалле.

Конфигурация полости подставки определяется формой дна тигля. Она оказывает значительное влияние на характер градиентов температуры в расплаве. В тиглях с плоским дном, имеющих так называемое коробчатое продольное сечение, из-за наличия «углов» конвекция в расплаве по всему объему несовершенная. Кроме того, при уменьшении объема расплава до некоторого предела (g~0,8) форма его мениска, примыкающего к стенке тигля, меняет знак. Все это не позволяет поддерживать осевые градиенты по расплаву постоянными до полного исчерпания всего содержащегося в нем расплава. В тигле остается остаток расплава («лепешка») в количестве до 20 % от его первоначальной массы.

Анализ причины возникновения поверхностных и структурных дефектов в эпитаксиальных слоях элементарных полупроводников показывает, что основными направлениями борьбы с ними являются повышение качества обработки и чистоты поверхности подложек, уменьшение осевых и радиальных градиентов температуры в подложке и растущем слое, проведение процесса эпитаксиального роста в стерильных условиях и оптимальном режиме. Последние два направления определяются в основном совершенством используемой в производстве эпитаксиальных структур аппаратуры.