Выращивать монокристаллы

Метод Вернейля ( 24) является одним из наиболее разработанных методов получения монокристаллических соединений, имеющих достаточно высокие температуры плавления. При выращивании монокристаллов по этому методу исходную смесь-порошок с размерами частиц 1—2 мкм подают из бункера / непрерывной струей через пламя газовой кислородно-водородной горелки 2, являющейся источником высокой температуры (2300 °С). Проходя через пламя, порошок частично расплавляется и попадает на тугоплавкий корундовый или силитовый стержень 7, на конце которого закреплена монокристаллическая затравка 6 определенной ориентации. Затравка постепенно вводится в зону высоких температур до образования на ее конце устойчивой пленки расплава.

Метод Вернейля является бестигельным и позволяет выращивать монокристаллы больших размеров по диаметру и по длине, а также проводить кристаллизацию в окислительной атмосфере при высоких температурах. Однако качество получаемых кристаллов вследствие недостаточно равномерной подачи порошка, непостоянства температуры пламени и трудности ее стабилизации невысоко. Кроме того, при выращивании монокристаллов часть исходного порошка проходит мимо затравки, что весьма нежелательно при использовании дорогостоящих материалов.

Одна из первых структур арсенид-галлиевого МЕП-транзистора (поперечный разрез) показана на 5.1. Транзистор создают на подложке / из нелегированного арсенида галлия. Нелегированный арсенид галлия имеет слабо выраженную проводимость /?-типа. Для ее уменьшения при выращивании монокристаллов иногда вводят в небольших количествах атомы хрома, компенсирующие действие акцепторов. Подложки, изготовленные из такого материала, обладают повышенным удельным сопротивлением, и их называют полуизолирующими.

становления хлорсиланов и тетрахлорида германия, при получении поликристаллов и эпитаксиальных слоев этих полупроводников, в качестве несущего газа в процессах осаж дения эпитаксиальных слоев многих полупроводниковых соединений, а иногда и в качестве защитной среды при выращивании монокристаллов многих, чаще всего элементарных, полупроводников.

10 МПа и более. Метод Чохральского может осуществляться как в контейнерном, так и бесконтейнерном вариантах. Расплав, из которого выращивают монокристалл, можно нагревать различными способами: резистивным, высокочастотным или электронно-лучевым. Последние два применяют при выращивании монокристаллов бесконтейнер-

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.

Как уже говорилось выше, увеличение объемной скорости кристаллизации способствует спрямлению выпуклого в расплав фронта кристаллизации вследствие выделения на нем скрытой теплоты плавления. Однако этот эффект заметен только при росте монокристаллов малого (до 25— 30 мм) диаметра, скорость роста которых может изменяться в широких пределах. При выращивании монокристаллов большого диаметра, скорость роста которых составляет десятые и сотые доли миллиметра в минуту, изменение-ее в таком 'диапазоне не оказывает существенного влияния на тепловые условия, складывающиеся на фронте кристаллизации.

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.

Хорошие результаты дает наложение на расплав постоянного электромагнитного поля. Оно должно быть направлено таким образом, чтобы создаваемые им потоки жидкости в расплаве гасили тепловые конвекционные потоки. При выращивании монокристаллов методом Чохральского наилучшие результаты дает помещение теплового узла » соленоид, располагаемый снаружи камеры установки и создающий магнитное поле, направленное по оси тигля. Использование питаемого постоянным током соленоида с магнитным полем около 0,2 Т при выращивании монокристаллов кремния заметно подавляет колебания температуры в. расплаве и скорости роста монокристалла ( 4.30,а^ участок 2). В результате этого полосы роста с периодом свыше 20 мкм исчезают. При выращивании монокристаллов полупроводников методом горизонтальной зонной плавки расплав в зоне помещают между полюсами электромагнита, создающего поперечное относительно оси расплава магнитное поле.

При выращивании монокристаллов германия из квар-

Кристаллизуясь из нагретого до высоких температур расплава, кремний поглощает повышенное, вплоть до предельной растворимости, равной 2-Ю18 атом/см3, количество кислорода, входящего в состав твердого раствора. Однако после охлаждения выращенного монокристалла до 400— 600 °С и выдержки его при этих температурах в течение 1 ч и более, что имеет место при выращивании монокристаллов большого (свыше 80 мм) диаметра, происходит распад твердого раствора с выделением комплексов кремний — кислород. Они могут быть выражены формулой типа Si—О„, где п — целое число от 1 до 4 и более. Некоторые из этих комплексов, например Si—О*, являются электрически активными. Возможно образование активных комплексов и при температурах свыше 600°С, особенно при длительном нахождении монокристалла кремния при этих температурах.

Метод Вернейля является бестигельным и позволяет выращивать монокристаллы больших размеров по диаметру и по длине, а также проводить кристаллизацию в окислительной атмосфере при высоких температурах. Однако качество получаемых кристаллов вследствие недостаточно равномерной подачи порошка, непостоянства температуры пламени и трудности ее стабилизации невысоко. Кроме того, при выращивании монокристаллов часть исходного порошка проходит мимо затравки, что весьма нежелательно при использовании дорогостоящих материалов.

Метод Чохральского ( 25) позволяет выращивать монокристаллы достаточно больших размеров, которые по степени структурного совершенства являются одними из лучших среди монокристаллов таких же соединений, выращенных другими методами. При выращивании монокристалла монокристаллическую затравку 5, например граната, закрепляют в тугоплавкой свече 4, 54

Этим методом можно многократно перекристаллизовывать вещества. Кроме того, он позволяет выращивать монокристаллы заданных геометрических форм и непрерывно проводить процесс, перемещая серии контейнеров через зону кристаллизации, что создает предпосылки для автоматизации. Метод позволяет создавать достаточно равномерное температурное поле, обеспечивая выращивание ненапряженных монокристаллов, например сапфира, таких больших размеров, которые другими методами получить невозможно.

Это позволяет выращивать монокристаллы кремния большого диаметра (150 мм и более) с совершенной структурой без основного его дефекта — дислокаций.

Горизонтальный вариант метода направленной кристаллизации, проводимый в герметичном реакторе, получил наибольшее распространение в технологии арсенида галлия. Он универсален и может использоваться как для синтеза поликристаллического соединения, так и для синтеза, совмещенного с выращиванием монокристалла. Достоинством рассматриваемого метода получения монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений является возможность регулирования состава кристаллизуемого расплава путем создания над ним требуемого давления пара летучего компонента. Это позволяет выращивать монокристаллы стехиометрического состава или, наоборот, с заданным отклонением от него.

фронта кристаллизации здесь сложно. Поэтому плотность дислокаций в монокристаллах, выращенных с пьедестала, велика и доходит до Ю4 см~2. Однако проведение кристаллизационного процесса с подпиткой позволяет выращивать монокристаллы с однородным распределением свойств по длине.

сложной аппаратуры выращивать монокристаллы полупроводников приемлемого для практического применения диаметра с малой плотностью дислокаций и полностью бездислокационными. Это особенно важно для тех полупроводников, у которых критическое напряжение образования дислокаций имеет малое значение. Максимальным, в ряде случаев на порядок большим по сравнению с другими полупроводниками значением критического напряжения образования дислокаций обладает кремний (см. § 1 гл. 1). Это дает возможность выращивать его бездислокационные монокристаллы диаметром 150 мм и более.

Несмотря на некоторое раскачивание растущего монокристалла, что не создает серьезных помех его росту, такая конструкция позволяет выращивать монокристаллы большой длины, обеспечивает строго перпендикулярное положение затравки к поверхности расплава и отсутствие вибрации как монокристалла, так и расплава. Последнее яв-

Метод бестигельной зонной плавки (БЗП), как говорилось выше, нашел применение только для получения высокочистых монокристаллов кремния с высоким удельным сопротивлением. Современные установки для БЗП позволяют выращивать монокристаллы кремния диаметром около 100 мм и массой свыше 15 кг.

Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) нашел в производстве полупроводников применение только для получения монокристаллов арсенида галлия методом синтеза, совмещенным с выращиванием монокристалла. Процесс ГНК проводят в вакуумированной и запаянной кварцевой ампуле (см., например, 4.34, позиция 3). В отличие от метода Чохральского метод ГНК не требует применения специальных устройств для стабилизации геометрических размеров выращиваемого монокристалла. Поэтому установки для получения монокристаллов арсенида галлия методом ГНК просты по своей конструкции, компактны и несложны в эксплуатации. Современные установки ГНК дают возможность выращивать монокристаллы массой до 8 кг в лодочках полукруглого сечения площадью до 60 см2.

кристалла. Именно с целью выравнивания температурного поля кристалл или тигель (или тот и другой вместе) вращает. Это позволяет выращивать монокристаллы кремния с симметричным сечением, даже если в распцаве имеются области с достаточно болыцим отличием по температуре. Тем не менее монокристалл кремния никогда не имеет строго цилиндрической формы. Это объясняется следующим. Наиболее плотноупакованными плоскостями в решетке кремния являются плоскости (111). Это означает, что при благоприятных условиях (теплоотвод только через расплав) монокристалл должен вырасти в'виде октаэдра [т.е. должен быть огранен плоскостями (111)]. В реальных условиях теплоотвод осуществляется как через расплав, так и через твердую фазу, что приводит к получению монокристалла со сложной формой сечения.