Каменская А.В., Дикарева Р.П. Технологические процессы в микроэлектронике - файл n1.rtf

Каменская А.В., Дикарева Р.П. Технологические процессы в микроэлектронике
скачать (18408.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.rtf18409kb.03.11.2012 13:24скачать

n1.rtf

  1   2
Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


________________________________________________________


А.В. Каменская, Р.П. Дикарева


Технологические процессы
в Микроэлектронике



Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебно-методического пособия
Новосибирск

2005

УДК 621.38(075.8)

К 181


Рецензент А.С. Бердинский, канд. техн. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов

и микроэлектроники для студентов III курса РЭФ

(направление 550700 – Электроника и микроэлектроника)

дневной и заочной форм обучения


Каменская А.В., Дикарева Р.П.

К 181 Технологические процессы в микроэлектронике: Учеб.-

метод. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 44 с.

Учебное пособие составлено на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. В пособии описываются технологические процессы получения и очистки кристаллов полупроводников, методы получения окисных слоев кремния. Включено также описание лабораторных работ «Кристаллизационные методы очистки полупроводников» и «Анодное окисление кремния».

Пособие адресовано студентам, обучающимся по специальности

«Микроэлектроника и твердотельная электроника».
ББК 621.38(075.8)

Новосибирский государственный

технический университет, 2005


1. Кристаллизационные методы очистки

полупроводников
Кристаллизацией называют переход вещества из жидкого в твердое кристаллическое состояние. Кристаллизационные методы очистки основаны на различии растворимости примеси в жидкой и твердой фазах.
1.1. Методы выращивания кристаллов

полупроводников

Все технологические методы выращивания монокристаллов из расплавов можно разделить на две группы:


1) тигельные;

2) бестигельные.

Выбор того или иного метода зависит в первую очередь от физических и физико-химических свойств материалов. Общим для этих методов является то, что во всех случаях направленная кристаллизация обеспечивается созданием и поддержанием температурного градиента и механическим перемещением границы раздела кристалл–расплав через зону температурного градиента.
1.2. Направленная кристаллизация

в тигле или лодочке
При традиционном и еще широко используемом методе Бриджмена расплав и растущий кристалл находятся в тигле или лодочке (рис. 1.1).



а б

Рис. 1.1. Схема выращивания методом направленной

кристаллизации: а – тигель; б – лодочка

Тигель (а) или лодочка (б), изготовленные из более тугоплавкого материала, чем вещество кристалла, заполняется поликристаллическим материалом, помещается в печь и нагревается до температуры выше точки плавления. Затем тигель с расплавом охлаждают так, чтобы кристаллизация начиналась с заостренного конца. Поскольку объем расплава, находящийся в конусообразной части тигля, невелик, то вероятность образования одного центра кристаллизации увеличивается. Дальнейшее охлаждение проводят так, чтобы изотермическая поверхность, близкая к точке плавления вещества, перемещалась от конца тигля вверх через весь расплав. При этом происходит рост зародыша или зародышей, возникших в заостренном конце тигля; в результате получается слиток, повторяющий форму и размер тигля. Слиток будет монокристаллическим, если в заостренной части тигля спонтанно образовался единственный зародыш. Чаще возникает несколько зародышей, но при дальнейшем росте некоторые из них постепенно выклиниваются, и в направлении температурного градиента, совпадающего с осью тигля, растет одно или несколько крупных монокристаллических зерен. Процессы зарождения и роста неконтролируемы и зависят от природы и качества изготовления тигля, формы фронта кристаллизации и всевозможных изменений условий роста. Если расплав хорошо смачивает материал тигля, то в любой момент роста могут возникнуть новые зародыши у стенки тигля, которые нарушают структуру растущего слитка. При выращивании кристаллов в тигле, расположенном в вертикальной печи сопротивления, невозможность наблюдения за фронтом кристаллизации не позволяет использовать монокристаллические затравки. Недостаток этого метода состоит в том, что растущий кристалл находится в контакте со стенками тигля. Поскольку полупроводниковые материалы характеризуются неплотно упакованными структурами, объем кристалла больше объема расплава, а поэтому в образующемся кристалле возникают большие механические напряжения.

Многочисленные исследования показали, что для получения крупных монокристаллов желательно, чтобы фронт кристаллизации в течение всего процесса был выпуклым. При выпуклом фронте кристаллизации стенки тигля немного горячее массы расплава, поэтому возникновение и разрастание паразитных центров кристаллизации на стенках тигля менее вероятно; рост кристалла задается первоначально возникшим зародышем.

Процессы кристаллизации в горизонтальных лодочках отличаются от кристаллизации в тиглях тем, что, во-первых, механические воздействия тигля на кристалл значительно меньше, и, во-вторых, фронт кристаллизации доступен наблюдению и улучшаются условия обмена летучими компонентами между расплавом и паровой фазой. Возможность визуального наблюдения за положением фронта кристаллизации позволяет использовать монокристаллические затравки. В этом случае исходное положение лодочки в печи должно быть таким, чтобы часть монокристаллической затравки находилась ниже температуры плавления.
1.3. Выращивание кристаллов методами

зонной плавки
Методы зонной плавки широко применяются как для глубокой очистки, так и для выращивания монокристаллов полупроводников и диэлектриков. Одно из преимуществ данных методов – возможность одновременно с выращиванием кристаллов достаточно просто осуществлять их однородное легирование.

Простейшие варианты выращивания кристаллов методом зонной плавки схематически показаны на рис. 1.2. В методе горизонтальной зонной плавки кристаллизуемый материал размещается в тигле. К материалу тигля в данном случае предъявляют те же требования, что и в методе нормальной направленной кристаллизации.



Рис. 1.2. Схема выращивания кристалла методом зонной плавки:

а –горизонтальная и б вертикальная бестигельная

зонные плавки; 1 – затравка; 2кристалл; 3расплавленная зона;

4исходный материал; 5стенки герметичной камеры;

6 индуктор; 7 – кристаллодержатель; 8тигель

Выращивание кристаллов методами зонной плавки, как правило, осуществляют с использованием монокристаллической затравки, которая размещается в одном из концов тигля. В начальный момент процесса расплавленная зона создается на границе затравка – исходный материал. При этом производится частичное расплавление монокристаллической затравки. Перемещение расплавленной зоны через исходный материал от затравки к другому концу тигля обеспечивает рост монокристалла. К числу важных преимуществ кристаллизации методом зонной плавки относится возможность выращивания кристаллов без использования тиглей – методом плавающей зоны (рис. 1.2,б). В этом случае не происходит загрязнения расплава за счет растворения в нем материала тигля, в выращиваемом кристалле также не возникает дефектов вследствие различия коэффициентов линейного расширения кристалла и стенок тигля. Метод плавающей зоны широко применяют при выращивании особо чистых монокристаллов полупроводников и диэлектриков, а также материалов с высокой температурой плавления, обладающих в расплавленном состоянии высокой реакционной способностью.

В зависимости от значения удельного электрического сопротивления исходного материала формирование расплавленной зоны осуществляется с помощью либо высокочастотного, либо электронно-лучевого нагрева, либо сфокусированного излучения источника лучистой энергии. Движение зоны вдоль образца осуществляется перемещением его относительно либо источника нагрева, либо образца

В методе бестигельной зонной плавки расплавленная зона в образце удерживается от выливания силами поверхностного натяжения. Форма ее обусловлена соотношением сил гидростатического давления и поверхностного натяжения расплава. Максимальная высота расплавленной зоны, при которой она еще остается стабильной, тем больше, чем больше значение отношения поверхностного натяжения расплава к его плотности. Увеличить высоту и соответственно диаметр расплавленной зоны можно возбуждением в расплаве поддерживающей электродинамической силы, в частности путем пропускания тока через образец, расположенный в магнитном поле.

Существенно повысить диаметр монокристалла, выращиваемого бестигельной зонной плавкой, можно путем использования индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня. Суть метода заключается в следующем (рис. 1.3). Стержень 4, который подвергается переплавке, закрепляют в верхнем держателе. Соосно с верхним держателем снизу располагают монокристаллическую затравку 1. На нижнем конце стержня с по мощью индуктора 2 создается капля расплава 3, которая удерживается на стержне за счет сил поверхностного натяжения. К образовавшейся капле подводят затравку до соприкосновения с расплавом и полного ее смачивания. Далее индуктор перемещается относительно стержня вверх, в результате чего под индуктором расплав кристаллизуется на затравку, образуя монокристалл, а над индуктором стержень расплавляется. Верхний и нижний держатели вращаются в противоположных направлениях, что способствует перемешиванию расплава и выращиванию кристалла цилиндрической формы.


а б в г
Рис. 1.3. Этапы процесса выращивания кристалла бестигельной зонной плавкой, когда диаметр индуктора меньше диаметра проплавляемого стержня

(V1 и V2 – скорости движения стержня и затравки соответственно):

а создание капли расплава; б – смачивание затравки; в – выход

на диаметр; г – выращивание кристалла постоянного диаметра
1.4. Выращивание кристаллов из растворов
Основное преимущество методов выращивания кристаллов из растворов в том, что процесс проводят при значительно более низких температурах, чем кристаллизация из чистых расплавов. Это позволяет выращивать кристаллы веществ с очень высокой температурой плавления (например, алмаза) и кристаллы соединений, имеющих при температуре плавления очень высокое давление пара компонентов либо плавящихся с разложением. Кроме того, низкие температуры процесса зачастую позволяют получать более чистые и совершенные по структуре монокристаллы.

В соответствии с этим растворитель должен удовлетворять следующим требованиям: существенно снижать температуру процесса выращивания кристалла и при этом иметь достаточно малое давление собственных паров; не загрязнять выращиваемый кристалл, т. е. иметь малый коэффициент распределения; желательно, чтобы его атомы в кристалле являлись нейтральной примесью. Подобрать растворитель, удовлетворяющий всем названным требованиям, очень трудно. Различают следующие случаи: 1) растворителем служат вещества, не входящие в состав выращиваемого кристалла; 2) растворителем служит один из компонентов выращиваемого соединения (например, Ga в случае выращивания кристаллов GaP).

В первом случае выращенные кристаллы содержат в качестве примесей все компоненты растворителя, включая остаточные примеси в нем. При таких условиях степень чистоты получаемых кристаллов будет невысокой. Во втором случае, поскольку в растворе отсутствуют посторонние вещества, чистота выращиваемых кристаллов определяется только чистотой компонентов, входящих в состав раствора.

При кристаллизации из раствора процесс роста кристалла в общем случае складывается из следующих стадий: растворение исходных компонентов; диффузия их через жидкую фазу раствора к фронту кристаллизации; осаждение на фронте кристаллизации; рассеяние теплоты кристаллизации. Если при выращивании монокристаллов из собственного расплава лимитирующей стадией процесса является рассеяние теплоты кристаллизации, то при росте из раствора самый медленный этап, как правило, – диффузия растворенного кристаллизующегося вещества к фронту кристаллизации. Вследствие этого линейная скорость роста кристаллов из раствора на два-три порядка меньше скорости роста из собственных расплавов (т.е. составляет 10–3–10–2 см/ч). Интенсифицируя массоперенос в растворе (например, проводя процесс в условиях конвективной диффузии или электропереноса), можно повысить скорость роста кристаллов, однако при этом возможен захват частичек раствора растущим кристаллом, что ухудшает качество структуры кристаллов.

При очень низкой растворимости исходных компонентов в растворителе скорость массопереноса очень мала, соответственно мала и скорость роста кристалла (десятые-сотые доли миллиметра в сутки), что часто экономически нецелесообразно. Поэтому для повышения растворимости кристаллизуемого вещества в раствор добавляют компоненты, которые реагируют с этим веществом. Эти компоненты обычно называют минерализаторами (комплексообразователями). Минерализатор повышает растворимость благодаря образованию новых ассоциатов растворенного вещества, отличающихся от существующих в чистом растворителе. Методы выращивания монокристаллов полупроводников и диэлектриков из растворов в основном различают по способу создания пересыщения кристаллизуемого вещества в растворе.
1.5. Метод зонной плавки с градиентом

температуры
Важнейшим в процессе выращивания кристаллов из растворов является метод зонной плавки с градиентом температуры, впервые предложенный Пфанном. Сущность метода иллюстрируется рис. 1.4. Между затравкой 1 и исходным материалом 3 размещается тонкий слой вещества растворителя 2. Собранные таким образом компоненты располагают в печи, температурное распределение в которой имеет вид, изображенный на рис. 14,б.

Максимальная температура Тmax системы устанавливается ниже температуры плавления вещества А, а минимальная температура Тmin – выше температуры плавления эвтектики АВ. Растворитель В, находясь в контакте с веществом А, образует жидкую фазу, распространяющуюся горизонтально в обоих направлениях. Растворение вещества А происходит до тех пор, пока границы зоны не достигнут температур Т1 и Т2, соответствующих состоянию равновесия системы АВ. При этом равновесная концентрация вещества А у правой границы оказывается выше равновесной концентрации у левой границы. В расплавленной зоне устанавливается градинт концентрации вещества A и происходит диффузионный перенос его от более нагретой к более холодной границе зоны. Это, с одной стороны, приводит к пересыщению раствора и, следовательно, процессу кристаллизации у «холодной» границы, а с другой – к образованию ненасыщенного раствора и, следовательно, растворению вещества А у «горячей» границы зоны. В результате расплавленная зона под действием градиента температуры перемещается к более нагретому концу образца.


а б
Рис. 1.4. Схема выращивания кристал­ла зонной плавкой

с градиентом температуры: а – участок диаграммы состояния системы А (кристаллизуемый материал) – В (растворитель); б – распределение темпера-туры по длине образца; 1 – затравка материала А; 2 – зона жидкого

раствора АВ; 3 – исходный материал А
Скорость перемещения расплавленной зоны тем выше, чем больше градиент температуры (?Т/?х) и коэффициент диффузии D компонента А в жидкости и чем меньше наклон линии ликвидуса (?Т/?С).

Изменение концентрации растворителя в расплавленной зоне по мере ее перемещения вдоль слитка приводит к изменению состава кристаллизуемого вещества в соответствии с линией солидуса. Выращивание более однородных по составу кристаллов возможно при уменьшении градиента температуры и выборе растворителя В, обладающего очень малой растворимостью в твердой фазе А. На рис. 1.5 представлен метод получения однородных кристаллов. В этом случае перемещение расплавленной зоны вдоль слитка осуществляется при движении нагревателя относительно слитка или слитка относительно нагревателя. Так как температура фронта кристаллизации остается постоянной в течение всего процесса, то состав кристаллизуемого вещества А также не изменяется.


Рис. 1.5. Схема выращивания кристалла зонной плавкой с градиентом температуры при выращивании однородных кристаллов:

1 – кристалл материала А; 2 –зона жидкого раствора АВ; 3 – исходный

материал А; 4 – двухзонная печь

1.6. Принцип очистки кристаллизацией
В настоящее время кристаллизация из расплавов наиболее широко используется для очистки полупроводниковых и диэлектрических материалов. Этот метод, как правило, применяется на конечной стадии технологического процесса очистки веществ. При этом наряду с высокой степенью очистки материала от примесей достигается и необходимое совершенство кристаллической структуры. При описании кристаллизационных методов очистки одну сложную многокомпонентную систему заменяют совокупностью фазовых диаграмм бинарных систем: основной компонент–примесь. Для небольших концентраций примеси в веществе можно несколько упростить вид представленных фазовых диаграмм. Действительно, в области малых концентраций примеси, т.е. в углу фазовой диаграммы, примыкающей к точке плавления чистого компонента, различия между разными типами фазовых диаграмм пропадают. В результате этого при описании процессов кристаллизационной очистки все многообразие фазовых диаграмм можно свести к двум отрезкам, касательным к линиям ликвидуса и солидуса в точке плавления основного компонента (рис. 1.6). Эти отрезки направлены вниз, если примесь понижает температуру плавления раствора, и вверх, если она ее повышает.

А

а

Ств Сж В 10 %

ТА

s

L

В

А

ТА



Сж Ств- В 10 %

В
б

А

s

L

s

L

А

ТА

ТА


Рис. 1.6. Представление участков фазовых диаграмм двух типов вблизи точки плавления основного компонента двумя отрезками прямых, касательных к кривым солидуса S и ликвидуса L в точке плавления основного компонента Та: примеси: апонижающая и
б – повышающая температуру плавления
Рассмотрим процессы, происходящие при кристаллизации разбавленного раствора в бинарной системе, описываемой участком фазовой диаграммы, когда примесь понижает температуру плавления раствора. Пусть имеется расплав компонента А с концентрацией примеси В, равной С0 при температуре Т0 (рис. 1.7). Исходное состояние системы характеризуется фигуративной точкой 1 с координатами (C0 и Т0).

При снижении температуры точка 2, отвечающая месту пересечения вертикальной траектории с линией ликвидуса, определяет температуру начала кристаллизации твердого раствора. При этой температуре образуется твердая фаза состава C2, определяемого местом пересечения температуры начала кристаллизации, задаваемой точкой 2, с линией солидуса.

Рис. 1.7. Распределение примеси между жидкой и твердой фазами

при кристаллизации разбавленного раствора компонента В в А
При дальнейшем понижении температуры вплоть до конца кристаллизации состояние системы характеризуется двумя точками. Это отвечает временному наличию в системе двух находящихся между собой в равновесии фаз. Одна из точек, расположенная на кривой солидуса, определяет состав твердой фазы, другая точка – на кривой ликвидуса – состав жидкой фазы. Интервал плавления определяется местами пересечения вертикали С0 с линиями солидуса и ликвидуса. При достижении температуры, соответствующей точке 4, жидкая фаза полностью исчезнет, система опять станет однофазной, а состав твердой фазы должен совпасть с исходным составом жидкости С0. В процессе кристаллизации происходит непрерывное изменение температуры. Чтобы в этих условиях система успевала приходить в новое состояние равновесия, изменять температуру необходимо бесконечно медленно, т.е. осуществлять квазистатический процесс. В реальной системе равновесие, отвечающее новым внешним условиям (температуре), устанавливается с помощью процессов, механизмы которых связаны с диффузией компонентов в жидкой и твердой фазах. Коэффициенты диффузии в жидкой фазе на несколько порядков больше, чем в твердой. Например, коэффициент диффузии индия в германии при температуре 800 оС равен 2·10–17 м2/с, коэффициенты же диффузии примесей в жидком германии имеют порядок 10–9 м2/с. Поэтому скорость установления равновесия в расплаве намного больше, чем в кристалле.

Практически диффузия в кристалле идет настолько медленно, что в реальных условиях после понижения температуры и кристаллизации некоторого количества вещества процесс перехода к равновесному состоянию останавливается, а твердая фаза остается в неравновесных условиях.

Как предполагается, в реальных условиях пренебрежимо малой диффузии в твердой фазе процесс кристаллизации протекает с такой скоростью, что равновесие в расплаве и на границе раздела фаз успевает устанавливаться непрерывно, а диффузия в твердой фазе идет настолько медленно, что состав внутренних частей кристалла не соответствует равновесному.

При понижении температуры расплава до температуры начала кристаллизации (точка 2 на кривой ликвидуса) возникает твердая фаза состава C2, более богатая основным компонентом А, чем жидкая фаза. Расплав же будет обогащаться примесным компонентом В. Вследствие этого фигуративная точка сдвинется несколько вправо (точка 3) по сравнению с точкой 2, характеризующей исходный расплав. Очевидно, что температура T2 несколько выше температуры начала кристаллизации расплава, характеризуемого точкой 3. При дальнейшем понижении температуры фигуративная точка 3 вновь достигнет кривой ликвидуса и состав выделяющихся теперь слоев твердой фазы будет богаче компонентом В по сравнению со слоями, закристаллизовавшимися в первую очередь. При кристаллизации фигуративная точка опять сдвинется вправо, и, таким образом, следующие порции расплава кристаллизуются при более низкой температуре. Поскольку скорость диффузии в твердой фазе пренебрежимо мала, то по мере роста кристалла вновь нарастающие слои будут все более обогащаться компонентом В.

Таким образом, анализ процесса кристаллизации в реальных условиях показывает, что состав твердой фазы будет неоднородным. Получающийся при этом кристалл представляет собой систему твердых растворов с непрерыв­но меняющимися концентрациями. Это явление называют сегрегацией, а соответствующие нарушения постоянства состава сегрегационными.

В реальных условиях выращивания кристаллов граница раздела фаз передвигается со скоростью от сотых долей до десятков миллиметров в минуту. По сравнению с этими скоростями скорости диффузионного перемещения компонентов внутри твердой фазы пренебрежимо малы. Кроме того, при выращивании кристаллов создают такие градиенты температуры, при которых нарастающие слои кристалла быстро попадают в область пониженных температур, где диффузионные процессы еще более замедлены. Это способствует фиксации неоднородностей состава, возникающих в твердой фазе, и разделению или очистке веществ при кристаллизации. Затрудненность диффузии компонентов в жидком состоянии снижает эффективность разделения или очистки при кристаллизации.
1.7. Коэффициент распределения


Для оценки эффективности очистки вещества от примесей кристаллизацией из расплава служит коэффициент распределения К, представляющий собой отношение концентрации растворенного вещества в твердой фазе к концентрации его жидкой фазе (расплаву)

. (1.1)

Значение К может быть больше или меньше единицы и изменяться в широких пределах: от значений, меньших 10–5, до значений больших 10, в зависимости от условий кристаллизации, скорости перемещения фронта кристаллизации, интенсивности перемешивания жидкой фазы и т.п.

Различают равновесный и эффективный коэффициенты распределения смеси.

С помощью равновесного коэффициента распределения (K0) характеризуют эффект разделения компонентов смеси в каждый момент равновесия между кристаллом и расплавом. Расчет равновесного коэффициента распределения возможен на основе фазовых диаграмм. Так, для твердых и жидких растворов, описываемых участками фазовых диаграмм, представленных на
рис. 1.6, равновесный коэффициент распределения при заданной температуре Т находят как отношение:

. (1.2)

Если же примесь понижает температуру кристаллизации очищаемого вещества (см. рис. 1.6,а), равновесный коэффициент распределения, очевидно, меньше единицы (Ств < Cж), а если примесь повышает температуру кристаллизации (см. рис. 6,б) то равновесный коэффициент распределения больше единицы
(Cтв > Cж).

Таким образом, коэффициент распределения, получаемый из фазовых диаграмм, относится к условиям равновесия соприкасающихся твердых и жидких фаз. Эти условия выполняются при достаточно малых скоростях направленной кристаллизации расплава (рис. 1.8).

В реальных условиях фронт кристаллизации движется со скоростью, большей, чем скорость диффузии примеси в расплаве, в результате чего впереди фронта кристаллизации образуется слой расплава с эффективной толщиной ? (рис. 1.8,б), обогащенный примесью, если K0 < 1, или обедненный примесью, если K0 > 1.
В этих условиях содержание примеси в закристаллизовавшемся участке Cтв определяется концентрацией примеси в расплаве у фронта кристаллизации (Сжо).



а б
Рис. 1.8. Схематическое изображение распределения примесей

на границе раздела твердой и жидкой фаз при различных

условиях кристаллизации: а – в равновесных (скорость кристаллизации

бесконечна) и б – неравновесных (скорость кристаллизации имеет

конечное значение) условиях

Поскольку величина (Сжо), как правило, неизвестна, то в этих неравновесных условиях связь между концентрациями примеси в твердой Cтв и жидкой Cтв фазах осуществляют с помощью эффективного коэффициента распределения Kэф.

для повышения эффективности процесса очистки необходимо предельно приблизить значение эффективного коэффициента распределения к равновесному. Этого эффекта можно достичь, проводя очистку кристаллизацией в условиях интенсивного перемешивания жидкой фазы. В этом случае отвод примеси от фронта кристаллизации (случай K0 < 1) в основном осуществляется не за счёт диффузии в жидкой фазе, а за счет конвекции, что существенно уменьшает содержание примеси на фронте кристаллизации по сравнению с ее содержанием, получаемым без перемешивания, и снижает эффективный коэффициент распределения, приближая его к равновесному.

По определению эффективный коэффициент распределения Кэф представляет собой отношение концентрации примеси в твердой фазе Ст, кристаллизующейся непосредственно на фронте кристаллизации, к концентрации примеси в объеме жидкой фазы за пределами диффузионного слоя толщиной ?.

. (1.3)

Различают также коэффициент распределения на границе раздела двух фаз К*, который определяется как отношение концентрации примеси в твердой фазе Ст к концентрации принеси в жидкой фазе на поверхности фронта кристаллизации.

Величины Кэф и К* зависят от скорости кристаллизации Vкр, концентрации примеси С и ориентации растущего кристалла. Однако в отличие от величины Кэф значение К* не изменяется от интенсивности перемешивания. Если скорость кристаллизации мала, то

.

Зависимость эффективного коэффициента распределения Кэф от скорости кристаллизации Vкр, коэффициента диффузии примеси D от толщины диффузионного слоя ? и его связь с коэффициентом распределения К0 описываются уравнением Берто-
на–Прима–Слихтера:


, (1.4)

где .

Для обычных значений входящих в уравнение параметров

(D = 10–4…10–5 см2/с, ? = 10–3…10–1см,

Vкр = 10–1…10–4см/с, К0 = 10–2…10) значение Кэф 10–2…10.
1.8. Распределение примеси в методе

направленной кристаллизации
Пусть С0 и Q0 – соответственно исходная концентрация и общее количество растворенной примеси в исходном слитке или расплаве, Qж –количество примеси, оставшейся в жидкой фазе,
g – доля закристаллизовавшегося объема.

Если исходный объем слитка V = 1 и

Q0 = C0V0 = C0,

то уравнение распределения примеси в методе направленной кристаллизации имеет вид

(1.5)


Лабораторная работа № 1
Кристаллизационные методы очистки

полупроводников
Цель работы
1. Ознакомиться с получением кристаллов полупроводников методами:

– направленной кристаллизации;

– зонной плавки;

– выращивания из растворов.

2. Получить представление о кристаллизационных методах очистки полупроводников.

3. Определить из опытных данных эффективный коэффициент распределения примеси для различных участков слитка при проведении направленной кристаллизации олова, легированного висмутом.
Методика определения Кэф в работе
В данной лабораторной работе необходимо определить эффективный коэффициент распределения висмута в олове методом направленной кристаллизации. После проведения направленной кристаллизации сплава олово–висмут по уравнению (1.4) определяется Ст висмута и рассчитывается Кэф .

Трансцендентное уравнение (1.4) относительно Кэф решается графически. Для этого в уравнении (1.4) проведем разделение переменных

(1.6)

и обозначим

, (1.7)

. (1.8)

Здесь С0 – концентрация висмута в жидком расплаве до начала направленной кристаллизации. Поскольку Кэф представляет собой отношение концентраций, то единицы измерения концентрации могут бы любыми. На практике концентрации примесей удобно рассчитать в весовых процентах. В данной лабораторной работе берутся навески металлов Bi2 г, Sn 8 г. Значит, начальная концентрация примеси равна

(вес %).
Описание лабораторной установки
Схема лабораторной установки метода направленной кристаллизации приведена на рис. 1.9.

Основной частью установки является горизонтальный реактор из кварцевой трубы 1, нагреваемой изотермической трубчатой печью сопротивления 2. Печь перемещается вдоль реакционной трубы с помощью электродвигателя 3. В середину кварцевой трубы 1 устанавливают лодочку с расплавом 4. Для увеличения эффективности охлаждения расплава в лодочке при перемещении печи на торец печи устанавливают медный экран 7, охлаждаемый струей воздуха от вентилятора.


Рис. 1.9. Схема лабораторной установки:

1 – реактор (кварцевая труба); 2 – передвигающаяся печь; 3 – двигатель,

передвигающий печь; 4 – лодочка; 5 – термопара; 6 – прибор,

показывающий температуру; 7 – экран для резкого охлаждения;

8 – вентилятор
Последовательность выполнения лабораторной работы
1. Взвесьте на весах 8 г олова и 2 г висмута.

2. Положите Sn и Bi в керамическую лодочку. Поместите лодочку в кварцевую трубку реактора установки так, чтобы конец термопары (хромель–алюмель) находился над серединой лодочки. Следите за тем, чтобы термопара не спускалась в лодочку.

3. вращая ручку надвиньте печь, на то место трубы, где находится лодочка. Конец термопары должен находиться в середине печи.

4. Нагрейте печь. Для этого с помощью ЛАТРа подайте на печь напряжение 70 В.

5. Спустя 5–10 мин с помощью металлического крючка лодочку с раствором выдвиньте из печи, осторожно и тщательно перемешайте содержимое с целью равномерного распределения примеси Bi в расплаве олова и вдвиньте обратно в кварцевую трубу реактора.

6. Включите тумблером мотор, перемещающий печь. После того как из печи перед медным экраном появится лодочка, для более быстрого охлаждения включите вентилятор и отрегулируйте струю воздуха для охлаждения этой части расплава.

7. При полном появлении лодочки перед экраном выключите печь.

8. После полного охлаждения печи выключите вентилятор и всю установку в целом.

9. Выньте из кварцевого реактора лодочку, полученный слиток распилите или раскусите примерно на четыре одинаковые части, предварительно пронумеровав каждую часть слева направо вдоль слитка.

10. Обозначьте концентрации примесей в твердой фазе в функции доли затвердевшей части g для разных участков слитка Ст1 т2, Ст3, Ст4, концентрации Стi (i = 1…4) определите по диаграмме состояния удельный вес–cocтав системы Sn–Bi
(рис. 1.10). Для нахождения удельного веса
i-го слитка необходимо знать вес каждого слитка и его объем. Вес p каждого слитка определите взвешиванием каждой части слитка на аналитических весах обычным образом. Данные занесите в табл. 1.1. Для точного нахождения объема каждой части слитка определите вес слитка в воде при опускании подвешенного на проволоке к коромыслу весов i -й части слитка в чашку c дистиллированной водой, находящейся на подставке над тарелкой аналитических весов. После этого объем i–го слитка найдите по формуле

,

где (РРвH2O) – вес воды, вытесненной слитком; dH2O – удельный вес воды. Тогда удельный вес каждого слитка согласно определению будет

.

После того как экспериментально был найден удельный вес каждого слитка и данные занесены в табл. 1.1, в соответствии с известным графиком (рис. 1.10) найдите концентрация Bi в Sn для каждой части слитка и определенные значения концентраций также занесите в табл. 1.1.

11. Взяв определенные концентрации Стi каждого слитка для вычисления отношения Стi0 в уравнении (1.8) и приняв доли в уравнении (1.7) равными соответственно 0,125; 0,375; 0,625; 0,875, определяем Кэф, решая совместно систему уравнений (1.7) и (1.8), где неизвестен Кэф. Данную систему уравнений проще всего решить графические, придав ей значения от 0,1 до 1,2. По результатам численного расчета заполните табл. 1.2.

12. Постройте на одном графике уравнения зависимости y1i =
= f1(Кэф) и y2i = f2(Кэф). Точки их пересечения дадут искомую величину эффективного коэффициента распределения. Для каждой части закристаллизовавшегося слитка получите свой эффективный коэффициент распределения примеси. Определенные таким образом четыре значения Кэф Bi и Sn по длине слитка занесите в табл. 1.2.


Рис. 1.10. Изменение плотности сплава олово–висмут

в зависимости от состава
Таблица 1.1

Экспериментальные данные по длине слитка

Образец (часть слитка)

Определенная

величина

1

2

3

4

Р

(г)













РвН2О

(г)















(см3)















(г/см3)













Ст

(вес %)















Таблица 1.2

Расчетные данные для графического решения уравнения (1.6)

Доли

Опреде-

ляемый параметр,

g

0,125

0,375

0,625

0,875



Для принимаемых значений Кэф


0,1













0,5















0,1













0,2













0,4













0,6













0,8













1,0













Кэф














Форма отчета
В отчете следует привести:

1) цель работы;

2) необходимые определения и формулы;

3) последовательность выполнения лабораторной работы;

4) таблицу экспериментальных данных;

5) таблицу расчетных данных (табл. 1.2);

6) рисунок в координатах у1Кэф, К2 Кэф с графическим решением уравнения (1.6) для нахождения Кэф .

7) выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы
1. Опишите метод направленной кристаллизации в тигле или лодочке.

2. Как происходит выращивание кристаллов методами зонной плавки?

3. В чем заключается способ повышения диаметра монокристалла в методе бестигельной зонной плавки?

4. Перечислите требования, предъявляемые к растворителям при выращивании кристаллов из растворов.

5. Охарактеризуйте стадии процесса роста при кристаллизации из раствора.

6. Опишите метод зонной плавки при наличии температурного градиента.

7. Как получить однородные кристаллы методом зонной плавки с температурным градиентом?

8. В чем состоит принцип очистки кристаллизацией?

9. Какое явление называется сегрегацией?

10. Поясните природу сегрегационных нарушений.

11. Что такое равновесный и эффективный коэффициенты распределения?

12. Охарактеризуйте взаимосвязь эффективного и равновесного коэффициента распределения.

13. Опишите взаимосвязь эффективного и равновесного коэффициента распределения.

14. Сформулируйте закон распределения примеси в методе направленной кристаллизации.

15. В чем состоит опытное определение концентрации примеси в твердом слитке?

16. Как графически определить эффективный коэффициент распределения?

17. Каковы порядок выполнения лабораторной работы и основные выводы?

Литература

1 Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. – М.: «МИСИС», 1995. – С. 495.

2. Определение эффективного коэффициента распределения в методе направленной кристаллизации / Сост. В.В. Воскобойников. – Новосибирск: НЭТИ, 1979. – С. 18.

2. Анодное окисление полупроводников

Пленки двуокиси кремния представляют интерес с точки зрения их применения в качестве диффузионных масок, при локальной эпитаксии и локальном газовом травлении, для изоляции слоев при создании пересечений и тонкопленочных конденсаторов. Изоляционные слои широко применяются в качестве рабочего элемента на основе структур металл–окисел–полупроводник. Легированные окисные пленки применяются в качестве источника примеси при диффузии. Диапазон температур при изготовлении пленок SiO2 лежит от 1100 оС при термическом окислении до 25 оС при анодировании кремния.
2.1. Методы получения окисных пленок

кремния
Перечень методов получения окисных пленок кремния приведен на рис. 2.1. Для получения пленок SiO2 при создании пленочных RC-схем представляют интерес только низкотемпературные методы, так как температуры выше 500 оС могут легко привести к разрушению приборов или компонентов, уже имеющихся на подложке. Напыление SiO2 при высоких давлениях кислорода с малыми скоростями осаждения приводит к образованию пористых, недостаточно окисленных пленок, для повышения качества их необходимо проводить термообработку при 600 оС на воздухе в течение 2 ч. До термообработки диэлектрические характеристики таких пленок нестабильны и выход годных даже с алюминиевыми обкладками низок. Напыление в вакууме SiO2 из тигля или


Рис. 2.1. Методы получения окисных пленок кремния
электронным лучом не дает удовлетворительных результатов из-за склонности окисла к диссоциации. Наиболее приемлемые методы осаждения свободных от напряжений плотных пленок SiO2 – это реактивное катодное распыление кремния в среде кислорода или высокочастотное катодное распыление (ВЧ-распыление) мишени из плавленого кварца. Особое место занимают методы высокотемпературных реакций с кислородом. При термическом окислении кремниевые пластины нагревают в кварцевой трубчатой печи до температуры около 1473 К и окисляют в потоке сухого или влажного кислорода. Оптимальная толщина пленки ограничена сверху необходимой адгезионной прочностью, снизу – скоростью проникновения атомов примеси в пленку кварца.
2.2. Окисление при высоком давлении
Преимущество высокого давления (2·105 Па) состоит в снижении температуры процесса, что приводит к уменьшению числа дефектов, возникающих в кремнии.

Для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции К и прямо пропорциональна времени окисления. Для больших времен окисления рост окисла зависит от коэффициента диффузии D, толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени окисления.

Наиболее приемлема толщина окисла, составляющая десятые доли микрометра. Верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1…2 мкм. Добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов улучшает стабильность порогового напряжения полевых МДП-транзисторов, увеличивает напряженность пробоя диэлектриков и повышает скорость окисления кремния.
2.3. Осаждение из газовой фазы
Осаждение окиси кремния происходит в результате пиролиза алкоксиланов, гидролиза галогенов кремния, окисления и гидролиза силана.

Осаждение методом пиролиза алкоксиланов выполняется на подложках, нагретых до 700 К, которые помещают в электрическую или индукционную печь, а затем пропускают в инертном газе алкоксилан, нагретый до нескольких десятков градусов. Чаще всего используются тетраэтоксисилан и этилтретоксилан. В камере происходит пиролитическое разложение этих соединений и осаждение пленки окиси кремния. Скорость осаждения в зависимости от температуры составляет 0,005…0,025 мкм/мин. Этот параметр можно, однако, улучшить, нагревая подложки до 1073…1173 К.
Методом гидролиза галогенов кремния, чаще всего SiCl4 и SiBr4, получают покрытие из окиси кремния, качество которого не хуже, чем при высокотемпературном окислении, а скорость процесса значительно больше. Процесс происходит в камере, в которой подложки нагреваются до 1273…1473 К, и над ними пропускается галогеновое соединение в смеси с CO2 и H2. Скорость осаждения при 1473 К составляет 0,1 мкм/мин. При замене двуокиси углерода окисью азота процесс будет протекать при
1073 К.

Процесс окисления и гидролиза чаще всего проводят в безводных электролитах (гликоли, амиды), в которых в качестве ионогена растворяется KNO5. Плотность тока составляет
1…5 мА/см2. Процесс протекает при низкой температуре, допускает прецизионный электрохимический контроль путем регулирования плотности тока и температуры электролита. Материал катода – пластина, а держателей подложек – тантал.

Анодное окисление кремния можно выполнять также в газовой фазе в атмосфере чистого кислорода под давлением 50…
…200 Па и при одновременном образовании разрядов, возбуждаемых полем ВЧ, которое является источником образования ионов кислорода. При этом можно получить более толстые покрытия, чем при электролитическом окислении (при 543 К за 10 ч получен слой 0,6 мкм).
2.4. Осаждение SiO2 из пленкообразующих

растворов
Для контролируемого введения примесей в полупроводники существует метод осаждения из пленкообразующих растворов на основе разлагающихся при сравнительно низких температурах кремнийорганических соединений, например таких, как тетраэтоксилан Si(OC2H5)4 или деметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитической поликонденсации образуют силоксановые цепи, склонные образовывать полимеры. В состав пленкообразующих растворов кроме кремнийорганических соединений входят азотнокислые соли легирующих элементов III, V групп, в качестве растворителя могут использоваться ацетон, этиловый спирт, источником кислорода для образования силоксановых связей служит кислород воды, в качестве катализатора применяют HCl. Гидролиз кремнийорганических эфиров осуществим только в присутствии катализатора при длительном нагревании.

Нанесение пленкообразующего раствора на поверхность полупроводника осуществляется методами центрифугирования, пульверизации, погружения пластины в пленкообразующий раствор. После испарения растворителя на поверхности остается полиэфирная пленка, содержащая воду. Затем проводят термодеструкцию пленочного покрытия при температуре 523…973 К для превращения его в стекловидную пленку на воздухе в течение
1 мин. В процессе термодеструкции происходит окисление полимера, превращение его в SiO2. При толщине более 10–7 м легированная пленка может рассматриваться как бесконечный источник примеси.
  1   2


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации