Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Управление ростом и образованием различных форм роста кристаллов
Получение кристаллического кремния из газовой среды или расплава связано с возрастанием энтропии [AS > 4кал/(моль • К)]. Это значит, что в условиях, близких к равновесным, и при теплоотводе через материнскую фазу монокристалл на границе раздела будет иметь зеркально гладкую поверхность.
91
Естественно, что такая поверхность гарантирует высокое совершенство самого монокристалла. Тем не менее в производстве как правило поверхность монокристалла, получаемого известными методами выращивания, является ступенчатой, шероховатой. Распределение дефектов и примесей в кристаллах неоднородно и часто не удовлетворяет критериям необходимого качества.
Основываясь на данных, приведенных ранее, можно совершенно точно определить, в каких условиях получаются необходимые формы роста и, в частности, зеркально гладкая поверхность.
Для кремния (А 5 > 4) при выращивании из расплава достаточно создать теплоотвод через жидкость, и монокристалл сразу преображается. Форма монокристалла становится четко гранной, а сами грани оказываются зеркально гладкими.
Для создания условий теплоотвода через жидкую фазу требуются специальная компоновка экранов и другие способы перераспределения температуры.
Такое управление формой монокристалла содержит огромные резервы в создании прогрессивной технологии. В настоящее время его только начинают осваивать.
Выращивание кремния из газовой фазы, несмотря на то, что в этом способе сам принцип обеспечивает теплоотвод через материнскую фазу (газ), как правило, позволяет получать округлые кристаллиты, дендриты и другие формы со ступенчатой шероховатой поверхностью раздела. При этом скачок энтропии гораздо больше, чем при выращивании из жидкости, если определить его по отношению теплоты испарения к температуре кипения.
Загадка раскрывается, если учесть тот факт, что в методе выращивания из газовой среды затравка и сам стержень разогреваются специальным нагревателем. Это существенно меняет условия роста, так как Tr задается нагревателем и почти не зависит от выделяющейся теплоты превращения и переохлаждения.
Здесь главным является естественное стремление получить наибольшую скорость выращивания. Так как Tr в некотором пределе управляется технологически, то скачок энтропии процесса определяется уже с помощью соотношения: AS/2R = (Tr- T0)l(Tnn- Tr). В данном случае T0 - температура газовой фазы кремния (в зоне реакции); Tnn - температура плавления кремния.
Таким образом, если искусственно приближать температуру поверхности кремния к температуре плавления, можно уменьшить AS так, что она станет < 4 калДмоль • К). Или уменьшать Tr, чтобы AS > 4. В первом случае получается округлая и шероховатая поверхность, во втором - плоская и зеркальная.
В практике, однако, при изменении Tr будет меняться и T0. Так,
повышение Tr приведет к увеличению интенсивности реакции, количества тепла реакции, что в свою очередь также сложным образом повлияет на T0. В результате уменьшения разности в числителе указанного выражения можно прийти к еще более значительному уменьшению разности в знаменателе.
Ранее все эти следствия из изложенной выше теории не были известны. Теперь же установленные факты дают возможность сознательно влиять на процесс выращивания. По крайней мере, становится ясным, как изменять температуру для более быстрого определения оптимального режима выращивания.
Глава П. СВОЙСТВА ПОЛУПЮВОДНИКОВОГО КРЕМНИЯ И МЕТОДЫ ИХ КОНТРОЛЯ
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
Кремний расположен в группе IV Периодической системы элементов Менделеева. По распространенности в природе он занимает второе место, уступая только кислороду; земная кора содержит 26—29,5 % Si. В природе кремний встречается в виде оксидов (кремнезем), солей кремниевой кислоты н др. Около 12 % литосферы составляет кремнезем в виде кварца и его разновидностей, 75 % литосферы состоит из силикатов н алюмосиликатов (полевые шпаты, слюда н т.д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.
Длительное время кремнезем считался элементом н только Лавуазье высказал предположение, что это окснд какого-то неизвестного элемента. Дэвн [50] путем восстановления ,кремнезема калием'получил массу неочищенного вещества, которую он предложил назвать кремнием. В чистом виде кремний впервые получил Берцелиус, который использовал для этих целей реакцию восстановления металлическим калием фторсиликата натрня [51]. Полученный новый элемент Берцелиус назвал silex (силиций). Русский химик Гесс в 1931 г. заменил название силиций на кремний, поэтому в вашей стране прочно укоренилось название кремний, а за рубежом — силиций.
В чистом виде кремний до создания на его основе полупроводниковых приборов практически не использовался.
Основные свойства кремния высокой (полупроводниковой) чистоты следующие [2, 8,52, 53]:
Атомные:
номер...........
масса...........
Изотопы:
стабильные.... радиоактивные. Структура:
электронная ... кристаллическая
