б-формоутворювачем-екран поміщений під поверхню розплаву так, щоб на поверхні рідини був вигин необхідної форми; 1-розплав; 2-формоутворювачем; 3 кришка, що закриває поверхню розплаву; 4 нагрівач
(Рис.14) Приклади розміщення розплавів
а - в тиглі; б - на поверхні твердого шматка, з якого вирощують монокристал; в-в розплавленої зоні, утвореній підтримує вогнетривким циліндром;
1 - зростаючий кристал; 2 - формоутворювачем; 3 - розплав; 4 - твердий матеріал для плавки; 5-тигель; 6-тримач розплаву; 7-індуктор для плавлення; 8-опора, для формоутворювачем.
Вирощування напівпровідникового кристала з р- л-переходом починають з одночасного введення в формуючі отвори необхідної форми двох разів-но укріплених запалів. У формообразователі подається розплав з певною легирующей добавкою. Стовпчики розплаву від обох запалів з'єднуються разом, в результаті чого витягується єдиний злиток з р- / г-переходом уздовж вертикальної осі. Оскільки кристалізація розплаву відбувається трохи вище краю формуючого пристрою, що виходять кристал-ли мають досконалої структурою.
Далеко не всі з наведених на рис. 13-15 варіантів апаратурних рішень застосовуються в даний час на практиці. Але це свідчить лише про великі, ще не досліджених, потенційні можливості способу Степанова. Основною відмінністю способу Степанова від способу Чохральського є застосування того чи іншого формоутворювачем, роль якого не обмежується управлінням капілярними умовами кристалізації. Формоутворювачем вирівнює теплове поле поблизу області стовпа розплаву, екранує теплове поле розплаву в тиглі від теплового поля в стовпі розплаву і в зростаючому кристалі, зменшуючи тим самим коливання температури поблизу фронту кристалізації; забезпечує створення будь-якої бажаної симетрії теплового поля, що особливо важливо при вирощуванні монокрістал-лов різної орієнтації; впливає на розподіл дислокації і домішок в витягати кристалі.
Схеми підтримання сталості рівня розплаву по відношенню до формоутворювачем:
а-система з опусканням формоутворювачем; б-система з підйомом тигля; в - регулювання рівня розплаву; г-підживлення розплаву;
1-зростаючий кристал; 2-формоутворювачем; 3-розплав; 4-електромеханічний привід; 5-пневматична система регулювання рівня розплаву; 6-система підживлення розплаву
Область застосування профільних монокристалів
Незважаючи на успіхи, досягнуті в області вирощування профільних напівпровідникових монокристалів, і в першу чергу - германію, застосування таких монокристалів в напівпровідниковому приладобудуванні ще пов'язане зі значними труднощами, які обумовлені кількома причинами.
По-перше, технологія вирощування германію і кремнію методом Чохральського удосконалювалася десятиліттями, і профільований матеріал навряд чи зможе перевершити за якістю стандартні злитки. При цьому слід враховувати, що технологія найбільш масових типів германієвих діодів і транзисторів детально відпрацьована стосовно цього стандартного вихідного матеріалу, і приладники абсолютно не зацікавлені в додаткових капіталовкладеннях на коригування технології виготовлення приладів для переходу на профільні монокристали, якщо тільки це не призводить до суттєвого підвищення виходу придатних приладів або зниження їх собівартості.
Друга причина труднощів полягає в тому, що вагова продуктивність процесу вирощування профільних монокристалів порівняно низька, а собівартість профільного Німеччина вище, ніж собівартість зливків, вирощених способом Чохральського, і це зводить до мінімуму економічний ефект, обумовлений скороченням втрат дефіцитного напівпровідникового матеріалу.
Нарешті, третя причина полягає в тому, що дослідницькі роботи за технологією вирощування профільних кристалів, природно, випереджають дослідження але застосування отриманих кристалів в приладах, і цей зсув може бути подолана лише через кілька років.
Тому основним напрямком технічної політики при визначенні першочергових областей застосування профільних монокристалів є їх випробування в таких нових типах напівпровідникових приладів і в таких нових процесах, де раціональна геометрична форма профільних монокристалів може виявитися вирішальним фактором. Одним з характерних прикладів є використання монокристалічних германієвих труб для виготовлення германій-літієвих детекторів g-випромінювання з n-i-р - структурою. На відміну від діодних і транзисторних пристроїв, що мають робочий об'єм порядку декількох кубічних міліметрів, детектори g - випромінювання виготовляються зі шматків монокристалічного германію об'ємом від 3 до 150 см3. Конструктивно германій-літієві детектори поділяються на пленарні та коаксіальні з робочим об'ємом 3 - I5 см'1 і 15-150 см3 відповідно. Трубообразний коаксіальний детектор з двома відкритими кінцями є в даний час найбільш досконалим пристроєм.
Специфіка n-i-p-структури, виконаної в таких великих обсягах, висуває особливі вимоги до величини і ступеня однорідності щільності дислокації як параметра, що визначає вольтамперних характеристику детектора. Оптимальна величина щільності дислокації знаходиться в інтервалі 103-104 см-2 без скупченні і малокутових кордонів.
Трубчасті напівпровідникові монокристали можуть бути використані також для розширення робочого діапазону потужних випрямлячів та інших приладів. В таких приладах р-n-перехід повинен побут ;; коаксиалом бічний циліндричної поверхні. Елемент герметизується між двома мідними циліндрами, причому простір між стінками корпусу та напівпровідникових елементом заповнюється з обох сторін ртуттю, яка виконує роль електрода. При такій конструкції забезпечується інтенсивне двостороннє охолодження кристала.
Монокристали антімоніда індію трубчастої форми запропоновано застосовувати при виготовленні низьковольтних силових перетворювачів електричного струму, заснованих на використанні гальваномагнітними ефекту зміни електроопору в магнітному полі.
Експериментальні та розрахункові дані свідчать і те, що застосування Магніторезістори з антімоніда індію дозволяє розширити діапазон перетворюються напруг в сторону низьких значенні напруг до десятих часток вольта при к. П. Д. Перетворення до 67%. Щоб отримати високий к. П. Д. Перетворення при досить низькій напрузі, Магніторезістори повинен мати форму тонкого кільця, внутрішня і зовнішня окружності якого є струмовими електродами (диск, Корбіно). Розміри кільця визначаються конкретної конструкцією перетворювача. Перетворювач, розрахований на 1 кВт корисної потужності, може містити до 50 таких кілець, з'єднаних в паралельні ланцюги.
Спосіб Степанова дозволяє легко здійснити вирощування стрічкових бікрісталлов германію з штучними двійникові, симетричними і несиметричними межами. Так як вже відомі напівпровідникові прилади, що використовують властивості межзеренного кордонів, то становить інтерес випробування профільованого матеріалу в приладах цього типу.
Перспектива застосування германієвих стрічок і пластин великої площі і якості підкладок привертає увагу багатьох дослідників. Є можливість створення фотодіодів на основі епітаксійних шарів арсеніду галію, обложених на германієвих стрічках, отриманих але способу Степанова з використанням плаваючого формоутворювачем і гнучко підвішеного затравкодержателя. Природна поверхню стрічки на кращих ділянках мала нерівності висотою менше 1 мкм, а на інших ділянках була не гірше, ніж поверхня звичайного германію після хімічної полірування (
2-3 мкм). Щільність дислокації становила в середньому 104 см
2, питомий опір стрічки 10 Ом-см (розкид не більше 5-7%). Зразки були леговані галієм і мали провідність p-типу.
На отриманих структурах були виготовлені фотолітографічним методом мезафотодіоди. Прилади, виготовлені з використанням монокристалічних германієвих стрічок, володіли практично такими ж параметрами, як і прилади контрольної серії, і навіть трохи більше високої інтегральної чутливістю, що було обумовлено меншою товщиною обложеного на стрічках шару арсеніду галію.
Профільні монокристали і полікристали кремнію, отримані способом Степанова, випробували при виготовленні сонячних фотоперетворювачів. Кристали кремнію р-типу перетином 3х26 мм і 10х20 мм з питомим опором в діапазоні від 0,1 до 15 Ом-см.
Що стосується профільного кремнію, то, по закордонним даним Г1241, монокристали у формі пластин і стрічок представляють найбільший інтерес в якості підкладок великої площі для інтегральних схем, а також для сонячних батарей.
Приклади на основі кремнію
Про вирощування кристалів кремнію різного профілю з кварцового тигля з формоутворювачем з нітриду бору і борованого графіту некототорие дані: діаметр отвору в формоутворювачем при вирощуванні кристалів круглого перетину дорівнював 10 мм. При цьому різниця між рівнем розплаву в тиглі і висотою верхнього краю отвору, що характеризує тиск розплаву кремнію в отворі формоутворювачем, становила в залежності від застосованого матеріалу і умов процесу 3-5 мм. Кремнієва монокристалічна запал представляла в перерізі квадрат 3Х3 мм і мала кристалографічну орієнтацію [111].
Вирощування проводили в вакуумі »10-3 мм рт. ст. Умови процесу підбирали так, щоб меніск розплаву над отвором формоутворювачем був опуклим, контакту поверхні зростаючого кристала з крайкою формоутворювачем не відбувалося. Якщо з яких-небудь причин фронт кристалізації опускався, управління процесом ускладнювалося, зростання кристала ставав нестійким.
Вирощування стрічкових кристалів кремнію було більш складним, ніж вирощування кристалів круглих профілів, в основному через труднощі підтримки постійного теплового режиму. Після припинення процесу виявлялося, що залишився кремній після затвердіння міцно з'єднаний з матеріалом формоутворювачем, і подальше застосування останнього неможливо. В цьому випадку для збереження формоутворювачем доцільно відокремлювати його від розплавленого кремнію спеціальним пристосуванням.
Були отримані кристали кремнію круглої форми і кремнієві стрічки перерізом 4Х13 мм. Діаметр круглих кристалів відрізнявся від заданого формоутворювачем на ± 0,1 мм, ширина стрічки - на ± 0,2 мм, товщина стрічки дотримувалися без відхилень. Структура отриманих кристалів крупнокристаллическая; лише один з плоских кристалів на довжині близько 40 мм від початку мав монокристалічного структуру, потім перейшов в двійник і далі - в полікристал. Виявлено різке зменшення питомого електроопору кристалів в порівнянні з вихідним матеріалом, які мали електроопір близько 10 Ом-см, що свідчить про дифузію бору З матеріалу формоутворювачем в розплав.
Порушення монокрісталлічності на самому початку процесу вирощування можна пояснити недостатньою чистотою матеріалу формоутворювачем і відсутністю симетрії теплового поля. Ці результати в цілому є обнадійливими, але, звичайно, завдання підбору, придатного за всіма показниками матеріалу формоутворювачем для вирощування кремнієвих стрічок, дуже важка і ще далека від остаточного рішення.
Для кремнію, а можливо і для деяких з'єднань-ний AШBV, більш перспективно використання варіантів способу Степанова з формоутворювачем, змочують розплавом. Такий варіант розроблений, зокрема, фірмою "Тусо Laboratories" пріменітелно до отримання кристалів сапфіру і кремнію з різною величиною і формою поперечного перерізу.
Ріс16.Схема процесу вирощування кремнієвої стрічки за методом плівкової підживлення при крайовому обмеження зростання:
1 - кварцовий тигель всередині сусцептора;
2-тримач формоутворювачем; 3-кремнієва стрічка; 4-стовпчик розплаву; 5-індуктор; б-капілярний канал формоутворювачем; 7 - расплалав
У літературі цей варіант отримав назву "вирощування з плівковою підживленням при крайовому обмеження зростання" (інакше метод EFG як скорочення англійської назви edge- defined, film-fed growth). Метод вирощування кремнієвих стрічок з плівковою підживленням при крайовому обмеження зростання застосовує також фірма "Dow Corning Corp.".
Схема вирощування кремнієвої стрічки приведена на рис.16. Розплав надходить з тигля на верхню площину формоутворювачем через вузький капіляр довжиною до 12 мм за рахунок сил змочування і зупиняється біля краю зовнішнього периметра формоутворювачем завдяки зміні на 90 ° ефективної величини контактного кута.
При витягуванні профільованого сапфіру в якості матеріалу формоутворювачем застосовують вольфрам. Для витягування кремнію формоутворювачем можна виготовляти із спеченого карбіду кремнію або графіту. Перспективним матеріалом є також спеченная суміш порошків SiC-SiO2.
В якості переваг методу відзначаються такі.
1. Можливість вирощування кристалів будь-якої бажаної форми поперечного перерізу (трубки, нитки, пластини і тонкі стрічки).
2. Стійкість процесу зростання кристала до механічних впливів і температурних флуктуацій, які призводять лише до переміщення фронту кристалізації за висотою стовпчика розплаву, не порушуючи форму поперечного перерізу кристала.
3. Можливість вирощування на затравки з різною кристалографічною орієнтацією.
5. Метод добре застосуємо для вирощування профільних монокристалів різних речовин (сапфіра, тнталата барію і магнію, фториду літію, сплаву мідь - золото, а також різних евтектичних матеріалів анізотропними властивостями).
У зв'язку з тим, що проблема створення матеріалу формоутворювачем, що не взаємодіє з розплавом кремнію і не забруднює його, все ще остаточно не вирішена, радянські дослідники приділяли велику увагу розробці методів формоутворення, заснованих на електродинамічному впливі на розплав. Можливість здійснення такого варіанту була відзначена в ряді робіт А. В. Степанова, розглянутих вище. Безконтактне формоутворення дозволяє сподіватися на отримання більш чистого вирощуваного матеріалу і з більш досконалою структурою. Частина експериментів але вирощуванню стрічок з використанням електродинамічного впливу на розплав проведена на модельному матеріалі - олово. При веденні процесу по схемі, показаній на рис. 17а, спостерігалася нестабільність геометрії стовпа розплаву. Внаслідок цього коливалася товщина одержуваної стрічки і були випадки електричного пробою з індуктора на розплав. Набагато краща стабільність процесу отримана при використанні комбінованого контактного і електродинамічного формоутворювачем (рис. 176). Петлевой індуктор розташовується у внутрішній порожнині фігурного керамічного формоутворювачем. Останній одночасно служить електричною ізоляцією індукторів від розплаву. При включенні індуктора розплав видавлюється вгору, і над верхнім краєм формоутворювачем утворюється стійкий досить високий стовпчик розплаву. При цьому відсутній безпосередній контакт зони формоутворення з керамікою, але не виключається можливість забруднення розплаву домішками матеріалу контактного формоутворювачем.
Розрахунок показав, що при вирощуванні пластин товщиною 2 - 4 мм оптимальною є частота струму порядку одиниць мегагерц. Досвідчені плавки проводили на серійній установці, призначеної для вертикальної бестигельной зонного плавлення кремнію, на частоті 5,28 МГц в атмосфері водню і в вакуумі. Вирощування здійснювали на затравки, вирізаних в напрямках <111> і