Технология получения монокристаллического слитка InP n-типа

 

1.4.3 Получение мало- и бездислокационных монокристаллов фосфида индия

 

Для получения  мало- и бездислокационных монокристаллов полупроводников термоупругие напряжения, возникающие в кристалле в процессе роста и охлаждения, не должны превышать критических напряжений образования дислокаций . Снизить величины и получить минимальную плотность дислокаций в монокристаллах фосфида индия можно при выращивании в температурных условиях, обеспечивающих минимальные осевые и радиальные градиенты температуры. Бездислокационные нелегированные монокристаллы фосфида индия диаметром не более 15 мм удается получать с помощью выращивания на затравке тонкой «шейки». Этот прием позволяет получать бездислокационные монокристаллы из затравок с плотностью дислокаций 1. После аннигиляции дислокаций в «шейке» новые дислокации возникают в кристалле при превышении критического диаметра, который зависит от величины осевого и радиального градиентов. Малые градиенты температуры dT/dx достигаются увеличением толщины слоя борного ангидрида. Так, при δ=6 мм, dT/dx-175 град/см, что обеспечивает получение нелегированных бездислокационных монокристаллов фосфида индия диаметром 8 мм. При δ =13 мм и dT/dx=55 град/см диаметр бездислокационных кристаллов возрастает до 15 мм .

Теоретический расчет  показывает, что для получения  нелегированных бездислокационных  монокристаллов фосфида индия диаметром 25 мм необходимо уменьшить градиент температуры до 20 град/см, а диаметром 50 мм — до 5 град/см. Однако практически  невозможно получить такие градиенты  ни за счет увеличения толщины слоя флюса, ни другими путями. Поэтому  максимальный диаметр нелегированных бездислокационных монокристаллов фосфида индия не превышает 15 мм.

При увеличении диаметра кристалла дислокации генерируются по периферии слитка и размножаются вглубь кристалла. Для снижения плотности  дислокаций в кристаллах фосфида  индия большого диаметра (свыше 40 мм) в процессе роста используют систему  автоматического регулирования  диаметра методом взвешивания тигля. Напряжения в кристалле после  выращивания снимают отжигом  под высоким давлением инертного  газа (~38 атм). Это способствовует уменьшению плотности дислокаций примерно в  десять раз.

Более перспективное  уменьшение плотности дислокаций в фосфиде индия - повышение величины τκρ за счет легирования упрочняющими примесями. Атомы примесей, размер которых меньше размера атомов замещаемых компонентов полупроводникового соединения, сильно понижают плотность дислокаций в монокристаллах этих соединений. В меньшей степени это относится к крупным атомам. В качестве таких примесей применяют цинк, серу и германий. Как показывает расчет, максимум термоупругих напряжений, действующих при выращивании монокристаллов фосфида индия соответствует 800° С. Разница в значениях τκρ для нелегированного и легированного цинком (2) монокристаллов весьма значительна. Этот расчет хорошо подтверждает температурный диапазон образования дислокаций, полученный из анализа особенностей дислокационной структуры.

При повышении  концентрации цинка до 1  и серы до 1 можно получить бездислокационные монокристаллы фосфида индия диаметром не более 30 мм. Применение совместного легирования цинком и серой в суммарной концентрации 21 позволило снизить плотность дислокаций в монокристаллах фосфида индия диаметром 30 мм до .

При выращивании  монокристаллов фосфида индия диаметром 26 мм в кристаллографическом направлении  (111)  проводили легирование германием  (1,5-1,6 атом/). Бездислокационные кристаллы получены при n=1,1 и n= 1,6; в остальных случаях плотность дислокаций составляла (2,2-5) . Снижение плотности дислокаций начинается при концентрациях германия >7 атом/. Недостаток метода легирования германием заключается в появлении в структуре фосфида индия необычных по форме (овальных), крупных дефектов (>50 нм), располагающихся на линиях дислокаций . Поэтому для понижения плотности дислокаций практическое применение нашло легирование фосфида индия цинком и серой. В Японии малодислокационные монокристаллы фосфида индия <l , диаметром 20-30 мм получают в промышленном масштабе.

Попытки легирования фосфида индия изовалентными  примесями, хорошо проявившими себя при легировании арсенида галлия (сурьма, мышьяк и др.) существенных результатов, пока, не дали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

                КР 04 16 06 06 ПЗ

 

 Разраб.

Злобина С.К.

 Провер.

Богомазова Н.В.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

Богомазова

 Утверд.

Черник

 

Инженерные решения

Лит.

Листов

2

БГТУ 4 16 06 09 13

 

2 Инженерные решения

 

Одной  из  основных  задач  современной электроники  является  улучшение  характеристик полупроводниковых  приборов,  повышения  их  быстродействия,  рабочих  частот  и увеличения  выходной  мощности,  а  также  уменьшение  размеров  и создание  монолитных  интегральных  схем.  Основными  активными элементами  в диапазоне  частот от единиц  до сотен ГГц являются полевые  транзисторы. Полевые  транзисторы  термостабильны,  а  также  имеют  высокие  характеристики  в  СВЧ - диапазоне и более универсальны в части их применения по сравнению  с гетеробиполярными транзисторами  или различными типами диодов в ряде  частотных диапазонов.  Кроме  того  технология  ПТ позволяет  формировать их одновременно с другими  элементами в едином цикле изготовления СВЧ ИС.

С точки зрения быстродействия прибора  наиболее приемлемым материалом является фосфид индия, так как он обладает большой подвижностью 3700-4700 см²/Вс заряда. Благодаря довольно большой ширине запрещённой зоны 1,35 эВ InP, приборы сохраняют свою работоспособность до 300–700⁰С.

Для изготовления полевых транзисторов монокристаллы фосфида индия  должны соответствовать следующим  параметрам: диаметр слитков – 100 мм, длина – 200 мм,Т.к. чем больше длина  слитков, тем больше можно будет  получить пластин, а чем больше диаметр  тем больше можно будет разместить активных элементов на интегральной схеме.

Основой метод получения монокристаллов InP : синтез – очистка – выращивание.

Для получения  объемных слитков синтез фосфида  индия обычно осуществляют путем  прямого взаимодействия паров фосфора  с расплавленным индием. Мы будем  применять метод горизонтальной зонной плавки. При освоении систем, регулирующих давление в герметичном  реакторе и давление газа в автоклаве, такой метод будет отвечать всем требованиям экологической чистоты  и техники безопасности.

 Синтез осуществляется в  запаянной кварцевой ампуле. Температура расплавленной зоны 1100°С, давление паров фосфора 27,5 атм. Ампулу перемещают относительно индуктора со скоростью 6 см/ч. Для повышения чистоты получаемых монокристаллов исходный индий предлагается предварительно прокаливать в вакууме (3 ч) при 450—950° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выращивание монокристаллов InP будем производить одним из наиболее распространенных вариантов метода Чохральского, метод жидкостной герметизации расплава флюсом (ЖГР), широко используемым для выращивания монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений. Монокристаллы фосфида индия выращивают методом ЖГР в автоклавных установках с использованием резистивного нагрева. Процесс проводят в атмосфере инертного газа (азота или аргона) под давлением 30—60 атм. В качестве флюса применяют борный ангидрид.

Температуру расплава в кварцевом тигле с  точностью ±0,1° С поддерживают с помощью размещаемой у дна  тигля термопары. Исходный материал, синтезированный методом ГЗП, загружают  в тигли. Толщину слоя флюса изменяют от 6 до 24 мм.

Монокристаллы фосфида индия выращивают в кристаллографическом направлении (111) со скоростью подъема  затравки 10—12 мм/ч. Тигель и затравку вращают в одну и ту же сторону  со скоростями 5 и 3 об/мин соответственно. В камере поддерживают давление азота 35 атм (это способствует уменьшению плотности дислокаций).

Выбранный нами метод выращивания обладает рядом достоинств и недостатков:

Процесс хорошо поддаётся регулировке, изменяя  скорость вытягивания, можно непосредственно  управлять линейной скоростью роста  кристалла; доступность поверхности  расплава, позволяющая в нужный момент вводить легирующие добавки и  размешивать их в расплаве в момент выращивания; отсутствие контакта кристалла  и фронта кристаллизации с контейнером  резко снижает возможность загрязнения  растущего кристалла и его  механическую деформацию, возникающую  при охлаждении в тигле; фронт  кристаллизации не соприкасается со стенкой, это позволяет избежать образование побочных зародышей, которые  возникают у стенок тигля.

Но: оптимальные  условия, необходимые для выращивания, во время вытягивания непрерывно меняются; по мере того как расплав  исчерпывается, а кристалл становиться  всё крупнее, меняется соотношение  тепловых потоков, отсюда неравномерность  диаметра растущего кристалла; ассиметрия теплового поля вызывает неравномерное  распределние примесей по сечению кристалла; довольно сложное аппаратурное оформление; чтобы избежать засорения примесями, необходимо иметь инертный тигель.

Для повышения  чистоты фосфида индия проводят кристаллизацию расплавов нестехиометрического состава — исходный поликристаллический  материал, синтезированный методом  ГЗП в установке высокого давления, перекристаллизовывают (со скоростью 6 мм/ч) методом ЖГР с добавлением 10 и 20 масс.% индия.

Введение  легирующих примесей в процессе кристаллизации фосфида индия осуществляют обычно с использованием лигатур, помещаемых в расплав. В качестве лигатур  часто применяют рассчитанные навески  ранее полученных монокристаллов InP, сильно легированных данной примесью. Это дает возможность более точно обеспечивать необходимый уровень легирования. В данной работе мы используем лигатуру InP с 0,005% Те.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Технологический раздел 3.1 Описание технологической схемы  получения монокристалла InP n-типа (d=100 мм и l=180 мм, ρ= 0.02 Ом·см)   1–11. Подготовка  исходных материалов 1. Очистка индия прокаливанием  в вакууме в течении 3 ч при  t=450-950 °C. 2. Обезжиривание индия  в бензоле при t=90 °C. 3. Сушка в вакуумном  шкафу при t=100 °C. 4. Травление индия в  HCl при t=1000C в течении 10 минут. 5. Промывка  индия  деионизованной  водой при комнатной температуре.  6. Сушка в сушильном  шкафу при t=100 °C. 7. Измельчение индия. 8.Взвешивание измельчённого  индия. 9. Вакуумная термообработка  фосфора при  t=150-300 °C, τ=3-5 ч, р=1,33 гПа.  10. Измельчение фосфора. 11. Взвешивание фосфора.   12. Синтез и  очистка поликристаллического InP Для синтеза InP применяют метод горизонтальной зонной плавки. Продукт синтезируют в автоклаве, в запаянной кварцевой ампуле. Температура расплавленной зоны 1100оС, давление  паров фосфора 27,5 атм. Ампулу перемещают относительно индуктора со скоростью 6 см/ч, число проходов расплавленной зоны – 1-2(синтез) и 2-3(очистка).   13–15. Подготовка  к выращиванию 13. Контроль сопротивления. 14. Измельчение. 15. Взвешивание.
					КР 04 16 06 06 ПЗ
Изм.	Лист	№ докум	Подп.	Дата
Разраб.		ЗлобинаС.К.			Технологический раздел	Лит	Лист	Листов
Пров.		Богомазова.Н.В.				У	1
Консульт.						БГТУ 04 16 06 06 13
Н.конт.		Богомазова Н.В
Утв.		Черник

 

 

 

 

16–22. Подготовка лигатуры

16. Обезжиривание лигатуры в  бензоле.

17. Сушка в вакуумном шкафу  при t=100 ^°C.

18. Травление лигатуры (Те) в 15% HCl, t=35^оС, τ=1 мин.

19. Проточная промывка лигатуры  деионизованной водой при комнатной  температуре, τ=2-5 мин.

20. Сушка лигатуры (Те) в вакуумном  шкафу при t=200 ^°C, τ=20-30 мин.

21. Измельчение лигатуры.

22. Взвешивание лигатуры и засыпание  в аппарат. 

 

 23–29. Подготовка затравки.

23. Определение кристаллографического  направления резки кристалла  InP.

24. Вырезание затравки InP.

25. Шлифование затравки InP.

26. Промывка  затравки InP  в деионизованной воде .

27. Полировка затравки InP.

28. Промывка затравки InP  в деионизованной воде.

29. Сушка в сушильном шкафу  при t=100 ^°C.

 

30. Выращивание монокристалла  InP

   Выращивание монокристалла  InP производится методом жидкостной герметизацией (метод Чохральского из-пол слоя флюса).Давление инертного газа–азота в рабочей камере р=38 атм. Обычно монокристалл фосфида индия выращивают в кристаллографических направлениях [111] и [100] со скоростью 10–15 мм/час при скорости вращения 20–30 об/мин, толщина слоя флюса – 15 мм.

 

31-40. Получение конечного продукта

31. Контроль  сопротивления зондовым методом.  

32. Контроль  ориентации монокристалла.

33. Отрезание  негодной части монокристалла  InP.

34. Шлифовка  годного кристалла.

35. Промывка годного кристалла  InP в деионизованной воде.

36. Полировка  годного кристалла.

37. Промывка  годного кристалла InP в деионизованной воде.

38. Сушка  годного кристалла в сушильном  шкафу при t=100 ^°C.

39. Взвешивание.

40. Упаковка  готового продукта.

 

3.2 Расчет материального баланса  установки получения монокристалла  n-InP

 

Исходные  данные: программа выпуска продукции  – 800кг/год; температура плавления  InP –1070 ^°C;плотность InP в твёрдом состоянии – 4,78 г/см³,в расплавленном – 5.15 г/см³; концентрация носителей заряда и тип проводимости нелегированного InP – n=510¹⁵ см^-3, n-тип; удельное сопротивление годного кристалла ρ=0,02 Ом·см;подвижность носителей заряда – μ_e=3700 см²/(В·с),μ_h=650 см²/(В·с);геометрические размеры кристалла: d=100 мм, l=180 мм; природа и коэффициент распределения активной примеси: примесь – Te,K_эф=0.4; природа лигатуры – InP c 0,005%Te; природа и параметры флюса: флюс – B₂O₃, h_флюса=15 мм, ρ_флюса=1,8г/см³; условия роста кристалла: P = 35 атм, V=15 мм/час,   атмосфера – N