Получение монокристаллов

Монокристаллы полупроводников являются основой для производства электронных приборов и интегральных схем. Их высокое структурное качество обеспечивает предсказуемые электрические свойства и минимальные дефекты. Основной задачей при выращивании монокристаллов является получение однородной кристаллической решетки с минимальной концентрацией дефектов, таких как вакансии, дислокации и примеси.

Кристаллизация из расплава

1. Метод Чохральского (Czochralski, CZ)

Метод Чохральского является наиболее распространенным для выращивания монокристаллов кремния, германия и других полупроводников. Процесс включает следующие этапы:

  • Подготовка высокочистого расплава исходного материала в тигле из кварца или графита.
  • Опускание затравочного кристалла в расплав и медленное его вращение.
  • Подъем кристалла с контролируемой скоростью, что обеспечивает формирование монокристаллической решетки.
  • Контроль температуры и градиента охлаждения для минимизации дефектов.

Ключевые моменты метода Чохральского:

  • Позволяет получать кристаллы большого диаметра (до 300 мм и более).
  • Возможность легирования расплава для получения монокристаллов с заданными электрическими свойствами.
  • Основные дефекты: кислородные включения (при использовании кварцевого тигля) и микропустоты.

2. Метод Бриджмена (Bridgman-Stockbarger)

Метод Бриджмена основан на направленной кристаллизации расплава в тигле с постепенным охлаждением:

  • Расплав помещается в конусообразный тигель.
  • Тигель медленно перемещается из зоны высокой температуры в зону низкой температуры.
  • Кристалл формируется с одного конца и растет вдоль тигля.

Преимущества метода Бриджмена:

  • Хорош для выращивания монокристаллов сложных соединений, например, арсенида галлия (GaAs).
  • Возможность получения длинных кристаллов с однородной структурой.

Недостатки:

  • Меньшая однородность по сравнению с методом Чохральского.
  • Возможны дефекты в виде границ зерен при неправильной настройке градиента температуры.

Кристаллизация из газовой фазы

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD, Chemical Vapor Deposition):

  • Используется для выращивания тонких монокристаллических пленок и для полупроводниковых соединений.
  • Газовые прекурсоры подаются в реакционную камеру, где при высокой температуре происходит химическая реакция с образованием кристалла на подложке.
  • Позволяет получать высококачественные слои GaAs, SiC и других полупроводников.

Преимущества:

  • Высокая чистота и однородность.
  • Возможность локального легирования и получения многослойных структур.

Особенности:

  • Скорость роста ниже, чем у методов из расплава.
  • Требует точного контроля параметров давления, температуры и состава газовой смеси.

Зонная плавка (Zone Melting)

Метод зонной плавки используется для очистки материала и получения высокочистых монокристаллов:

  • Пруток полупроводника медленно перемещается через локально нагреваемую зону.
  • Расплавленная зона захватывает примеси, которые перемещаются вдоль прутка.
  • После прохождения зоны оставшаяся часть кристалла имеет значительно меньшую концентрацию примесей.

Особенности метода:

  • Применяется для получения высокочистого кремния для электроники (электронная степень чистоты).
  • Позволяет получать кристаллы с минимальной концентрацией доноров и акцепторов.
  • Часто используется совместно с методом Чохральского для подготовки исходного материала.

Выращивание монокристаллов методом жидкофазной эпитаксии

  • Процесс включает осаждение полупроводникового материала из жидкой фазы на заранее подготовленную монокристаллическую подложку.
  • Контролируемая температура и состав расплава позволяют формировать тонкие слои с точными электрическими свойствами.
  • Используется для создания гетероструктур и многослойных приборов.

Преимущества:

  • Возможность точного контроля легирования.
  • Получение высококачественных слоев с минимальной плотностью дефектов.

Ключевые критерии качества монокристаллов

  1. Кристаллографическая ориентация – важна для определения направления роста и свойств кристалла.
  2. Концентрация дефектов – вакансии, дислокации, микропустоты и включения.
  3. Электрические свойства – удельное сопротивление, концентрация носителей заряда.
  4. Химическая чистота – наличие кислорода, углерода и примесей влияет на свойства полупроводника.

Контроль этих параметров осуществляется с помощью рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, спектроскопии и электрических измерений.

Оглавление