Курсовая работа: Вирощування монокристалів кремнію

Рис.5 1, 2 – напрям витягування і кручення; 3 – розплав; 4 – тигель;

5 – графітовий тигель ; 6 – затравка ; 7 – монокристал;

8 – високочастотний нагрівач ; 9 – крутильний столик.

Чохловського можна вирощувати не тільки вузькі і довгі, але і дископодібні кристали. Вирощування кристалу, знаходиться в неперервному контакті з поверхнею розплаву, і допоміжним нагрівом зовнішнього краю диску, отримувалися диски діаметром від 150 мм і масою від 450 до 1800 г. для пришвидшеного охолодження, обдувають аргоном.

За допомогою цього методу вирощування також з’єднання, розпадаючі поблизу точки плавлення. Бінарні системи In – As, Ga – As, In – P, Ga – P та інші, мають одне з’єднання типу АВ, плавлячись конруєнтно лише при високій напрузі пару легкого компонента. Тому витягування повинно відбуватися в закритому посуді, який витримує великий тиск ( рис.6).

Рис. 6Кристалізація з’єднання, розкладаючись Поблизу точки плавлення 1 – магніт; 2 – піч опору; 3- розплав; 4 – графітовий тигель ; 5 – кварцова труба ; 6 – залізний сердечник ;7 – штанга для витягування ; 8 – затравка ; 9 – високочастотний нагрівач.

кремній напівпровідниковий монокристал

Розміри кристалів InAs і CaAs досягали в довжину 40 -60 мм при діаметрі 8 – 10 мм.

Зонна плавка. Метод зонної плавки, розроблений для цілої очистки напівпровідників Пфаном. Плавка називається зонною, бо розплавлений не весь елемент, а вказана зона, яка має ширину, набагато меншу від довжини всього елемента (рис. 2, н ). Фізичний механізм очищення напівпровідника з допомогою зонної лавки ґрунтується в застосуванні ефекту розшарування, при якому кристал і рідка фаза мають різну розчинність домішок. Відношення розчинностей домішок в розплавленому і твердому стані називається коефіцієнтом розподілу k^* .k^* постійне тільки для відносно малих концентрацій домішок приблизно 10¹⁵ – 10¹⁷ см³ . Якщо k^* більше 1, то, кристалізуючись, злиток очищається від домішок. При k^* більше 1 очищається розплав, а злиток забруднюється. Концентрація домішок в кристалі рівна

Де C_x – концентрація домішок в кристалі у перерізі х ; С₀ – концентрація вихідної домішки в розплаві; М_х – вага монокристалу до перерізу х ; М₀ – вага вихідного розплаву ; k^* =C_s /C_l - коефіцієнт розподілу ; C_s і C_l – концентрація домішок у твердій і рідкій фазах.

При зонній перекристалізації зона повільно переміщається вздовж зразка від одного кінця до другого ( рис. 7).

Рис. 7 Частина діафрагми, на які показано принцип зонного очищення ( для цієї діафрагми коефіцієнт розподілу k^* >1 )

Фізичний механізм очищуючої дії зонної плавки найкраще може бути показаний на прикладі діаграми стану типу ” сигари” – діаграми двох металів, які в рідкому і твердому стані повністю розчиняються один в одному.

В умовах зонної плавки переважно склад відповідає лівому куту фазної діаграми, коли речовина А очищена від домішок В ( рис. 7 ). В процесі затвердіння домішка, В розподіляється між твердим злитком і розплавом відповідно до коефіцієнта розподілу. Якщо концентрація домішки в розплаві С₀ , то затверділий шар має концентрацію домішки k^* C⁰ . Для домішки, яка знижує точку плавлення речовини А, k^* <1 і тверда фаза має в собі менше домішок, ніж рідка.

При переміщенні фронту плавлення концентрація домішок в розплаві збільшується вздовж лінії ліквідуса PQ. Таким чином, при переміщенні розплавленої зони вздовж злитка зліва на право - його ліва частина має мінімальну кількість домішок, а права – максимальну. Коли концентрація домішок в розплаві досягає величини C₀ /k^* ? , в подальшому вона вже не змінюється. Розглянутий процес отримав назву – нормальна кристалізація і є найпростіший метод очищення.

Для очищення речовини його завантажують у довгу лодочку і плавлять. Потім зливаючи частину лодочки охолоджується, і в неї кристалізується чиста речовина при k^* <1 і збагачується домішками при k^* >1 . Розподіл домішок вздовж затверділого при нормальній кристалізації злитка наведено на рисунку 8, б. На практиці вводять поняття ефективне розподілу k^* _еф , який враховує дію різних допоміжних факторів і лежить в діапазоні k*<k^* _еф <1. На величину k^* _еф особливо вплив робить кінетика затвердіння.

Тут ð – товщина дифузійного шару в розплаві перед фронтом кристалізації; V_p – швидкість росту; D – коефіцієнт дифузії в рідкій фазі.

При зонній плавці розплавлена зона переміщується вздовж довгого злитка. На фронті кристалізації при k^* <1 домішкові атоми переходять у розплав у великій кількості, ніж із рідкої фази в тверду на граничній поверхні твердіння, на цій поверхні кристалізується очищений матеріал. Розподіл домішок до ( пунктиру ) і після ( рівна лінія ) однократного походження розплавленої зони показано на рис. 8,а . В злитку при одноразовій зонній перекристалізації отримуємо в лівій частині особливо чистий шматок і в праві – забруднений шматок. Середня частина очищується рівномірно. Якщо виключити забруднену зону, то концентрація розподіл концентрації примі сей вздовж злитка після однократного проходу розплавленої зони (а) і розподіл розчиненої примісі при затвердінні злитка при різних коефіціентах розподілу k^* ( від 0,01 до 5 ) (б), d – довжина закристалізованої частинки злитка.

Рис 8

Злитку на відстані d від початку вираховується виразом

Де l – довжина розплавленої зони.

Подальше очищення виконується при повторному проходженні зони через злиток.

Очищення стає ефективним, коли концентрація домішок у кінцевому матеріалі менша за значення її максимальної розчинності.