Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Зонная очистка кремния

05.12.2018

Зонная очистка кремния высокой чистоты в лодочке вызывает некоторые трудности, не встречающиеся при применении этого метода к менее активному в химическом отношении германию, для которого зонная плавка является обычным методом очистки. Применение лодочки не обязательно; например, лодочка отсутствует в методе бестигельной зонной плавки; однако в этом случае приходится ограничиваться перемещением одной расплавленной зоны вдоль слитка за один проход. Целью настоящей работы является описание методики, которая успешно применялась для зонной очистки кремния высокой чистоты с использованием кварцевой лодочки, представление данных, доказывающих эффективность данного метода, а также определение некоторых ограничений возможности применения данного метода.

При разработке какого-либо метода всегда встречается несколько переменных, которые должны быть установлены путем предварительного исследования. В случае зонной очистки такими переменными являются; 1) материал для лодочки и другой аппаратуры, 2) рабочая атмосфера, 3) источник тепла и 4) форма исходного материала.

Экспериментальная часть


Исследования ряда тугоплавких сульфидов, нитридов, карбидов и окислов показали, что вследствие прямого их взаимодействия с расплавленным кремнием или вследствие примесей в имеющихся тугоплавких материалах наиболее пригодным материалом для лодочки является плавленый прозрачный кварц. Имеется целый ряд химических ограничений применения кварца, которые будут рассмотрены ниже. Первое серьезное затруднение, связанное с использованием кварца, — механическое. Pacплaвленный кремний, смачивает кварц. Если расплавленный кремний затвердевает в лодочке из кварца такой толщины, какая обычно доступна, то при охлаждении твердого кремния происходит растрескивание кварца и кремния, так как коэффициент термического расширения для кварца значительно меньше, чем для кремния. Тем не менее кварц может служить лодочкой для помещения кремния, если использовать пластические свойства кварца и кремния. Вблизи и выше точки плавления кремния кварц пластичен, ниже точки кристаллизации кремния, примерно до 1000°, в том температурном интервале, в котором кварц обладает ничтожно малыми пластическими свойствами сам твердый кремний пластичен. Решение проблемы использования кварца для помещения жидкого и твердого кремния заключается в применении кварца наименьшей возможной толщины, практически от 0,13 до 0,38 MM в зависимости от размера оборудования, и в поддержании температуры твердого кремния в интервале пластичности в течение всего процесса. Последнее требование можно выполнить с помощью соответствующего распределения тепла.

Заметного различия в конечном продукте не было обнаружено, независимо от того находился ли кремний во время зонной очистки в вакууме или в атмосфере Н, Не или Аr. При применении Ar для нагрева требуется меньшая мощность, чем при применении H или He. Меньшее потребление мощности может привести к несколько более низкой температуре поверхности раздела расплавленный кремний—кварц. Как будет показано ниже, это имеет важное значение. По этой причине предпочтительнее применять Ar.

В работе применялся индукционный нагрев. Источником электроэнергии служил высокочастотный генератор фирмы «Дженерал электрик» мощностью 15 квт с частотой 450 кгц. Индукционное поле фильтровалось для устранения низкочастотных компонент, которые вызывают перемешивание жидкой зоны. Для зонного расплавления кремния фильтровать индукционное поле не обязательно, однако если с помощью фильтра устранить перемешивание, то кристаллические зерна вырастают значительно больших размеров.

Кремний высокой чистоты получают или в виде мелкокристаллических агрегатов, или в компактной форме). Непосредственно индукционным нагревом осуществить плавку мелкокристаллических агрегатов или компактных кусков в лодочке очень трудно. Легче получить сплошной твердый стержень из кремния для помещения его в лодочку. Такие стержни были приготовлены сплавленнием мелкокристаллических агрегатов.

Сплавление проводилось в тонкостенной кварцевой трубке в аппаратуре, схематически показанной на фиг. 1. Расплавленный кремний находился в атмосфере аргона. По мере добавления кремния индукционная катушка перемещалась вверх; при этом над твердым кремнием образовывалась жидкая ванна глубиной в 25,4 мм. Кварцевая трубка приваривалась к кремнию и перед зонной очисткой ее необходимо было удалить (растворением в HF). Типичные сплавленные стержни (до и после удаления кварцевой трубки) показаны на фиг. 2.

Приспособление для зонной очистки кремния показано схематически на фиг. 3. Одновременно загружалось около 400 г кремния и вдоль твердого образца перемещалось за один проход 5 зон. Было найдено, что перемещение зон со скоростью 2,3 мм/мин вполне достаточно. Внешний вид очищенного зонной плавкой образца показан на фотографии (фиг. 2). Перед использованием приставший к кремнию кварц должен быть снова удален растворением в HF.

Дискуссия


Для оценки эффекта, достигаемого зонной очисткой, монокристаллы были выращены из отдельных частей очищенного зонной плавкой слитка с применением кварцевых тиглей. Были проведены измерения времени жизни и удельного сопротивления по длине монокристаллов. Некоторые из этих данных приведены в табл. 1 и 2. Выводы, которые следуют из этих данных, являются типичными для всей работы по зонной очистке.

Все данные, приведенные в табл. 1, были получены с использованием одной и той же партии кремния. Кристаллы, выращенные непосредственно из мелкокристаллических агрегатов из этой партии, содержат барьеры, которые приводят к тому, что измерение удельного сопротивления становится ненадежным критерием чистоты. Время жизни, определенное для областей кристалла без барьеров, было менее 20 мксек. Уже предварительное сплавление улучшает качество кремния, но оно еще более улучшается после зонной очистки. В частности, по-видимому, уменьшается концентрация примесей, понижающих время жизни носителей в кристалле. Удельное сопротивление заметно не изменяется. Распределение удельного сопротивления по длине кристалла согласуется с допущением, что в кристалле присутствует примесь с коэффициентом распределения, близким к единице: такой коэффициент распределения имеет бор. Если бор не вводится в процессе получения кремния, то из этих результатов вытекает, что присутствующие первоначально доноры или испаряются, или легко сегрегируют в процессе выращивания интересующего нас кристалла. Положение становится яснее из результатов, приведенных в табл. 2.

Данные табл. 2 получены для образцов из одной и той же партии кремния, HO измерения были проведены на кристаллах, выращенных из одинаковых областей различных слитков, очищенных зонной плавкой. Эти данные сравниваются с результатами для эталонного кристалла, выращенного из компактного кремния (без зонной очистки) из той же самой партии. Доминирующей примесью в компактном материале был донорный элемент, а после предварительного сплавления и зонной очистки доминирующей примесью стал акцепторный элемент. Очевидно, в процессе такой обработки удаляются донорные примеси.

Время жизни при этом повышается. Постоянство результатов отдельных обработок приводит к выводу, что конечный уровень удельного сопротивления обусловлен примесью, коэффициент распределения которой близок к единице.

Результаты, иллюстрирующие качество кремния, указывают на те эффекты, которые достигаются зонной очисткой, а именно: увеличение времени жизни, обусловленное существенным уменьшением концентрации центров рекомбинации в кремнии, и уменьшение концентрации доноров, что приводит к повышенной однородности материала из одного слитка, или из партии, или даже из различных партий исходного кремния.
Зонная очистка кремния

Необходимо было исследовать (особенно в отношении бора), в какой степени применение технического кварца может влиять на результаты зонной очистки кремния. Для оценки этого возможного ограничения необходимо знать степень взаимодействия плавленого кварца с расплавленным кремнием. Это взаимодействие было определено из потери веса кубиков из плавленого кварца, находившихся в контакте с расплавленным кремнием при различных температурах. Реакция ясно выявляла поверхность контакта между кварцем и кремнием. На фиг. 4 изображена зависимость потери веса на 1 см2 за 1 час от температуры кремния. Если принять, что скорость взаимодействия между кварцем и расплавленным кремнием равна 5 мг/см2час, то можно вычислить, что во время зонной плавки может раствориться около 10в14 атомов бора в 1 см3 кремния на каждую часть на миллион бора в кварце. Концентрация бора в использованном кварце порядка нескольких десятков частей на миллион. Практически был получен материал с удельным сопротивлением свыше 300 ом*см, или с концентрацией носителей менее 5*10в13 в 1 см3. Реакция между кварцем и расплавленным кремнием может быть сведена к минимуму, если поддерживать расплавленный кремнии при температуре, близкой к температуре плавления, ч о находится в согласии с условиями проведения процесса.

В дополнение к проблеме возможного загрязнения бором, попадающим из кварца, нужно отметить, что кремний, переплавленный в кварцевой аппаратуре, содержит некоторое количество кислорода. В этом отношении кремний, очищенный в кварцевой лодочке, отличается от материала, полученного методом бестигельной плавки. Если требуется кремний, сравнительно свободный от кислорода, то кремний, очищенный в кварцевой лодочке, представляет удобную форму исходного материала для проведения процесса очистки методом бестигельной плавки.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: