Растущего монокристалла

Дополнительные факторы, обусловливающие неоднородное распределение примеси в поперечном сечении, следующие: асимметрия теплового поля вокруг растущего кристалла, вызывающая асимметрию тепловых конвекционных потоков жидкости в расплаве и, как следствие, асимметрию поверхности фронта кристаллизации и наклон его к

Если угол наклона двойниковой плоскости к оси растущего кристалла достаточно велик, то она выйдет на его поверхность. Если же он мал или плоскость двойникования проходит параллельно оси роста, то выход ее наружу маловероятен. В этом случае в кристалле появляются монокристаллические блоки. Встреча нескольких, возникающих из разных точек двойниковых плоскостей приводит к образованию в кристалле большого числа различно ориентированных монокристаллических блоков, т. е. к поликристаллической структуре.

Когда на поверхности подложки или в эпитаксиаль-ной пленке, выращиваемой, например, в направлении <111>, появляется какой-либо дефект, например крошечная пылинка или другое загрязнение, приводящее к тому, что наслаивающиеся атомы на этом участке уже не лежат в одной плоскости относительно остальной части растущего кристалла, в структуре кристалла появляется дефект упаковки, который распространяется от точки загрязнения на всю толщину выращиваемой пленки. Такой дефект изображен на 8-7. Дефект структуры локализуется на плоскостях, ограничивающих тетраэдр: именно здесь и наблюдается нарушение монокристаллической структуры. Области внутри тетраэдра и вне его могут быть совершенными монокристаллами. Дефект структуры можно сделать видимым путем трав-

Контролируя скорость вытягивания и температуру расплава, можно поддерживать диаметр и удельное сопротивление растущего кристалла практически постоянными ( 1). Легирование кремния или германия элементами III и V групп осуществляется введением в расплав соответствующей примеси или лигатуры с большим содержанием соответствующей примеси. Последнее определяется растворимостью ( 2) и коэффициентом диффузии примеси в монокристаллическом полупроводнике (табл. 5). Лигатуру, в свою очередь, получают мето-

Весьма неожиданно то, что в это выражение не входит величина поверхностного натяжения на границе фаз. И, следовательно, оно, казалось бы, не определяет габитуса (внешнего вида) растущего кристалла. ,

Для выяснения разницы механизмов образования дендритов обоих типов необходимо познакомиться с понятием макроскопического радиуса кривизны границы раздела, определяющего максимальную скорость роста кристаллов, и критическим макроскопическим размером плоской границы раздела растущего кристалла. Если А5<4, то во многих случаях ступенчатость так сильно развита (а* ~ г), что макроскопический радиус кристалла в направлении роста можно выразить через радиус кривизны по Томсону-Фрейдлиху (г = пг*). Тогда (6) можно записать в следующем виде:

Если в этот момент слить остатки расплава через отверстие в дне тигля, то оказывается, что часть гранных кристаллов зависает, приварившись к стенке тигля, т.е. происходит своеобразный отрыв кристаллов от расплава. Такой прием позволил определить форму растущего кристалла. Оказалось, что в большинстве случаев гранный кристалл, выросший внутри жидкости (т.е. теплота кристаллизации отводилась через расплав), представляет собой усеченный с двух сторон октаэдр ( 21).

форму. Кроме того, определенное влияние на реальную форму монокристаллов оказывают капиллярный эффект и изменения теплового поля. Однако полученные закономерности сохраняются. Если известно взаимное расположение изотерм и осей, то можно определить и форму растущего кристалла. На 33 (для случая выращивания по [111] без учета образования явных граней) приведены результаты анализа влияния радиального градиента температуры и наклона оси выращивания к [111] на форму монокристаллов при выпуклых (1-6) или вогнутых (8-12) изотермах вблизи фронта кристаллизации.

Как уже отмечалось, при увеличении скорости выращивания или температуры расплава радиус растущего кристалла будет уменьшаться (при прочих равных условиях роста). Высота и форма столбика расплава при этом изменяются, столбик расплава становится выше, а силы поверхностного натяжения сжимают его. При уменьшении скорости выращивания и температуры расплава радиус кристалла увеличивается и высота столбика расплава уменьшается ( 119).

кристаллизации является наиболее предпочтительным для получения равномерного распределения микродефектов. При увеличении конвекции в расплаве, в результате чего возрастают температурные флуктуации на фронте кристаллизации, а также при асимметрии температурного поля в растущем кристалле, что ведет к периодическому оплавлению растущего кристалла, распределение микродефектов в продольном сечении становится слоистым, а в поперечном - имеет вид колец или спирали (свирл-дефект).

Микродефекты обычно отсутствуют в зоне шириной ~ 2 мм, прилегающей к боковой поверхности слитка. Ширина бездефектной приповерхностной зоны, а также плотность микродефектов при прочих равных условиях зависят от величины нормального градиента температуры на фронте кристаллизации растущего кристалла.

При мелой скорости выращивания (1-2 мм/мин) зона расплава имеет малую длину и большой температурный градиент в растущей части кристалла. Кроме того, уменьшается расстояние между зоной расплава и индуктором. В этом случае электродинамическое воздействие деформирует зону расплава, что приводит к искривлению растущего кристалла (винтообразная форма) и возможному проливу зоны расплава.

Рост монокристалла зависит от трех взаимосвязанных параметров: температурного поля в зоне кристаллизации, скоростей опускания затравки и подачи исходного материала (порошка) на поверхность растущего монокристалла. Степень структурного совершенства выращиваемых монокристаллов зависит от таких факторов, как форма поверхности кристаллизации, размеры и формы пленки рас-

собой изменение диаметра растущего монокристалла ( 4.3).

Изменение высоты и формы мениска столбика расплава определяет изменение диаметра растущего монокристалла.

личение размера растущего монокристалла. В результате он разращивается (см. 4.3, в). Наоборот, уменьшение относительной скорости вращения монокристалла приводит к уменьшению его диаметра — монокристалл «подрезается» (см. 4.3, б).

Однако начальная часть монокристалла после выхода из-под слоя флюса начинает интенсивно охлаждаться путем отвода тепла конвекцией сильно компенсированным газом. Отвод тепла от фронта кристаллизации также возрастает и монокристалл начинает «разращиваться» (см. 4.4, в). После установления теплового равновесия процесс изменения диаметра растущего монокристалла снова повторяется.

Нормальная высота флюса при выращивании монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений составляет 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 настолько затрудняется, что он может даже оторваться от расплава.

Изменение скоростных условий процесса роста монокристалла оказывает влияние не только на градиенты температуры в расплаве, но и на форму фронта кристаллизации ( 4.5), хотя она в основном зависит от условий •отвода тепла от растущего монокристалла. Тем не менее увеличение скорости вращения монокристалла способствует поступлению потоков горячего расплава от дна тигля к центру выпуклого в расплав фронта кристаллизации ( 4.6, в). В результате он будет спрямляться. Противополож-'ный эффект может быть получен путем увеличения скоро-

Для повышения однородности теплового поля в области фронта кристаллизации оси исходного поликристаллического стержня кремния и растущего монокристалла располагают эксцентрично (см. 4.7). Это обеспечивает более равномерное распределение перегретого (в результате приближения к индуктору) в тонкой шейке расплава по

тяжением, например кремния, имеют форму правильного цилиндра с едва заметными псевдоребрами. Особенно резко это проявляется при увеличении диаметра монокристалла. Наоборот, монокристаллы полупроводников, обладающих малым поверхностным натяжением расплава, например германия, хорошо ограняются псевдогранями, особенно при небольшом диаметре растущего монокристалла.

Винтовая нарезка является следствием нарушения радиальной симметрии теплового поля вокруг растущего монокристалла, приводящего к наклону поверхности фронта кристаллизации на некоторый угол 6 ( 4.10, б). В таких условиях различные участки фронта кристаллизации вращающегося монокристалла проходят через области расплава с высокой и низкой температурами. В первом случае рост монокристалла замедляется, а во втором ускоряется. Кроме того, выросшая часть монокристалла, проходя через область высокой температуры в расплаве, частично оплавляется. На цилиндрической поверхности монокристалла возникает спиральный выступ. Шаг «винта» возрастает с увеличением скорости вытягивания монокристалла и уменьшением скорости его вращения. Следует отметить, что у монокристаллов, выращенных методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г), винтовая нарезка на поверхности выражена неявно.

а — внешний вид поверхности монокристалла германия, выращенного с различными скоростями вращения (XI); б — схема, иллюстрирующая наклон фронта кристаллизации на угол 0 в результате асимметрии теплового поля вокруг растущего монокристалла диаметром d