Выращивания монокристалла

24. Установка для выращивания кристаллов методом Вернейля:

26. Установка для выращивания кристаллов по методу Багдасарова:

В последнее время широкую известность приобрели монокристаллы сапфира, легированные ионами титана Ti:>+ и ванадия V4+, электронная конфигурация которых 1 s2 2 s2 2 р9 3 s23pe3d1. При такой электронной конфигурации образуется одно состояние 2D, которое расщепляется в кристаллическом поле решетки сапфира на два состояния 2? и 2F2. При переходах между уровнями этих состояний происходит генерация лазерного излучения. Особенностью активных сред с ионами титана и ванадия является возможность плавной регулировки (перестройки) частоты генерации лазера. При активации монокристаллов сапфира ионами титана перестройка осуществляется в пределах 0,68—0,93 мкм, а ионами ванадия — 0,59—0,62 мкм. Монокристаллы сапфира с различными примесями выращивают методами Вернейля, Чохральского и Багдасарова (см. главу третью). Как следует из критериев изоморфизма, ионы редкоземельных элементов вследствие их больших размеров не могут быть введены в решетку оксида алюминия. Попытки преодолеть эти затруднения привели к исследованию соединений типа LaMgAluOl9, характерных, как это следует из диаграмм состояний (см. 39—41), для первой группы редкоземельных элементов (La, C1 и Рг). Такие соединения имеют гексагональные решетки, допускают легирование ионами неодима и характеризуются высоким коэффициентом теплопроводности. Технология выращивания кристаллов в настоящее время разрабатывается и в будущем они могут стать конкурентоспособными по сравнению с таким материалом, как гранат.

3.26. Схема установки выращивания кристаллов по методу Бриджмена-Стокбаргера:

3.28. Схема установки выращивания кристаллов синтезом из компонентов:

3.29. Схема установки для выращивания кристаллов методом сублимации: 1 - кварцевая лодочка с бинарным соединением; 2 - электрическая печь; 3 - зона роста кристаллов

Монокристаллы кремния, германия, арсенида галлия и другие алмазоподобные полупроводники, относящиеся к кубической сингонии, выращивают обычно по направлению [111]. Однако в процессе вытягивания кристалла из расплава (по Чохральскому) или в других методах выращивания кристаллов возможны отклонения их ориентации от выбранного исходного направления так, что геометрическая ось цилиндрического слитка окажется не совпадающей с кристаллографической осью [111]. Цель операции ориентации — найти несоответствие между геометрической осью слитка и заданным кристаллографическим направлением, а также вычислить поправки, которые должны использоваться как исходные данные при ориентированном резании слитка на пластины. Определение заданного кристаллографического направления производят рентгеновским или оптическим способом.

Рассматриваются вопросы теории, конструирования и эксплуатации индукционных плавильных печей для процессов повышенной точности и чистоты. В их число входят гарнисажные печи, печи с холодным тиглем (для плавки металлов и их сплавов), печи для выращивания кристаллов и печи с управляемым режимом кристаллизации отливки или вытягиваемого слитка.

Для выращивания кристаллов методом бесконтактного формообразования теоретическое обоснование и оснастку разработали В.И. Добро-

21. Вильке К. Т. Методы выращивания кристаллов. Л., «Недра», 1968.

Полупроводниковые интегральные микросхемы. В настоящее время в устройствах релейной защиты, автоматики и телемеханики микросхемы начинают широко применяться. Элементы микросхем— диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы — формируются в небольшом объеме полупроводникового материала или на его поверхности путем выращивания кристаллов и напыления пленок. В процессе их формирования осуществляются и соединения между ними в соответствии со схемой. При этом резко сокращается число внешних проводников, упрощается монтажная схема, сокращается объем устройства и повышается его надежность.

Метод горизонтально направленной кристаллизации — метод Багдасарова ( 26) — заключается в следующем. В контейнер 4, имеющий форму лодочки, помещают исходное вещество — шихту 3 в виде порошка, кристаллического боя или керамических таблеток. Перемещая контейнер через зону нагрева, создаваемую нагревателем 5, шихту расплавляют и за-кристаллизовывают. Для получения строго ориентированных монокристаллов в вершину лодочки устанавливают затравку и наблюдают как за моментом затравления, так и за формой фронта кристаллизации в процессе выращивания монокристалла. Так как при этом методе высота расплава много меньше среднего радиуса его поверхности, возникают условия эффективного удаления неконтролируемых примесей испарением. Открытая поверхность расплава позволяет вводить активирующую примесь на любом этапе выращивания монокристалла.

Тепловые условия в процессе выращивания монокристалла методом горизонтальной зонной плавки примерно такие же, как и в ее бестигельном варианте. Однако осевые градиенты температуры при росте монокристалла в контейнере, изготовленном из теплопроводного материала, намного меньше, чем при бестигельной зонной плавке, особенно с близко расположенным водоохлаждаемым высоко-

Знание относительного количества выводимых из производства частей монокристалла Q и готовой продукции q позволяет рассчитать такой важный технико-экономический показатель производства монокристаллов полупроводников, как удельный расход первичного полупроводникового материала на производство единицы готовой продукции. Для и-ного процесса выращивания монокристалла теоретический удельный расход первичного материала R, кг/кг, выражается уравнением

Шкалу времени строят, исходя из выращивания монокристалла произвольного диаметра d\ из произвольной массы расплава Mv\. Зная длину кристалла L, по уравнению (4.686) рассчитывают продолжительность t программированного выращивания монокристалла. Найденное значение откладывают на шкале времени, соединяют эту точку с точкой f/fa на ординате и таким образом получают искомую программу.

Снося значение рассчитанного по уравнению (4.69) нового диаметра d2 на шкалу времени, получают новое время выращивания монокристалла т2, соединяя которое с точкой ///н получают новую программу выращивания монокристалла диаметром d2 из прежней массы расплава Л1Р1 (см. 4.24,а). Для получения программы выращивания монокристалла того же диаметра из расплава другой массы МР2 необходимо пропорционально изменить шкалу времени (см. 4.24,а):

Борьбу с канальной неоднородностью ведут двумя основными способами. Первый — изменение кристаллографического направления выращивания монокристалла с [111] на другое, например [100]. Частным случаем является отклонение кристаллографического роста монокристалла на 7—10° от направления [111], что позволяет вывести плоскую грань на периферию фронта кристаллизации, придав ей форму серпообразной лунки небольшого размера. Вто-

В разлагающихся полупроводниковых соединениях углерод обычно содержится в концентрации, не превышающей 1016 атом/см3. Это объясняется отсутствием источника загрязнения расплава этой примесью. В процессе выращивания монокристаллов по Чохральскому (метод жидкостной герметизации) расплав надежно изолирован от печной атмосферы слоем флюса. Графит в качестве контейнерного материала в технологии разлагающихся полупроводниковых соединений практически не используют. Исключение составляет метод получения поликристаллических слитков фосфида галлия кристаллизацией находящегося в графитовой лодочке расплава галлий — фосфор методом зонной плавки. В этом случае концентрация примеси углерода в фосфиде галлия может доходить до ЫО19 атом/см3. Однако он легко удаляется в процессе выращивания монокристалла методом жидкостной герметизации путем введения во флюс оксида галлия (III) по реакции

Применение высокочистых, с низким содержанием кремния и других примесей исходных галлия и мышьяка, проведение процессов синтеза и выращивания монокристалла в одном технологическом цикле с использованием тиглей из нитрида бора и флюса с оптимальным содержанием влаги позволяют получать нелегированные монокристаллы арсенида галлия с высоким (около 108 Ом-см) удельным электрическим сопротивлением. Обычно для выращивания монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия расплав легируют примесью хрома в концентрации около 5-Ю15 атом/см3. Однако для изготовления интегральных схем необходим материал с содержанием активных центров на уровне менее 1015 атом/см3. Выращивание такого арсенида галлия в кварцевых тиглях сопряжено с большими трудностями, плохо воспроизводимо и мало эффективно.

Блок питания содержит понижающий трансформатор, чаще всего однофазный, и блок управляемых вентилей-тиристоров, включенных в цепь обмотки трансформатора. Пульт управления содержит приборы, регулирующие, стабилизирующие или программирующие температуру нагревателей (основного и дополнительных),скорости перемещения и вращения штоков подъема затравки и тигля. Оптимизацию процесса выращивания монокристалла осуществляют микропроцессорами, входящими в систему автоматического управления установкой. Их задачей является согласова-

Водоохлаждаемые рабочие камеры установок для выращивания монокристаллов полупроводников обычно имеют цилиндрическую форму, обеспечивающую равномерный отвод тепла от теплового узла и тем самым от растущего монокристалла, что необходимо для создания вокруг него симметричного теплового поля. У мощных установок для выращивания монокристаллов кремния основную рабочую камеру дополняют шлюзовой камерой (см. позицию 6 на 4.49). С ее помощью, не выключая нагрева тигля, можно извлекать из рабочей камеры выращенный монокристалл и производить догрузку в тигель новых порций исходного поликристаллического кремния без нарушения герметичности пространства камеры и охлаждения тигля с остатком расплава. Это сохраняет тигель от разрушения и дает возможность проводить в нем несколько процессов выращивания монокристалла. Одновременно возрастает и произ-. водительность установки.

Тепловой узел — наиболее мощное средство управления тепловыми условиями выращивания монокристалла полупроводника. От его конструкции зависят устойчивость роста, стабильность диаметра и структура выращиваемого моно-