Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Описаны и другие направления работ по повышению производительности процесса разложения силана. Учитывая активные поиски новых,
1 Пат. 0181803. ЕПВ. 1985.
252
более эффективных методов синтеза силана, можно предположить, что в ближайшие годы доля поликристаллического сипанового кремйия в общем объеме производства существенно возрастет.
Аморфный кремний
К процессу термического разложения силана тесно примыкает получение аморфного кремния (а - Si: Н). Предполагается, что этот материал не имеет кристаллической структуры. В нем атомы кремния хаотически распределены в пространстве, хотя и находятся на расстояниях, близких к равновесным в решетке кристаллического кремния. Часто аморфное состояние сравнивают со структурой жидкости, которая при больших переохлаждениях фиксируется при комнатной температуре (закалка).
Авторы придерживаются того мнения, что жидкость является двухфазной системой, в которой сосуществуют микрокристаллические области (частицы) и газообразные прослойки. Динамическое равновесие этих двух фаз заключается в том, что в каждый данный момент можно зафиксировать микрообласти со структурой кристалла (с четкой границей раздела) и оболочкой со структурой газа. На границе раздела происходит реакция растворения. Кристаллическая область возникает спонтанно. В следующий момент времени микрокристаллик растворяется - переходит в газообразную фазу, а в другом микрообъеме благодаря флуктуации температуры возникает новый микрокристаллик. Таким образом, переход в чисто аморфное состояние из жидкого зафиксировать нельзя никакими скоростями закалки.
Что касается кремния, то его аморфная форма является результатом фиксации беспорядка в пространственном расположении атомов кремния, имеющем место в газообразной среде.
Аморфный кремний интересует многих исследователей, так как у этого материала значение коэффициента оптического поглощения на порядок больше, чем у кристаллического кремния, что в сочетании с высокой фотопроводимостью элементов на его основе делает этот материал одним из наиболее перспективных и дешевых для создания солнечных батарей. Этот материал в виде пленки (слоя) можно осадить на любую подложку, не нарушая его структуру.
Очень благотворное влияние на свойства слоя аморфного кремния оказывает содержание в нем водорода. В таком случае кремний называется гидрогенИзированным аморфным кремнием (а - Si: Н). Присутствие водорода, по-видимому, компенсирует оборванные связи аморфного кремния и тем самым уменьшает плотность состояний в запрещенной зоне. Получают аморфный гидрогенизированный кремний разложением силана в тлеющем разряде (плазме). При этом давление силана в реакторе < 266 Па, а температура подложки 673 К. Добавляя
253
в состав газа гидриды легирующих элементов (например, фосфины), можно получить легированные гидрогенизированные аморфные слои . Концентрация водорода в слое зависит от температуры подложки, типа и мощности разряда, давления и расхода моносилана. На основе а - Si: H удалось получить солнечные элементы с к.п.д. ~ 7-9 % [166]. К сожалению, это пока нарвысшее значение. Тем не менее солнечные батареи на основе такого кремния очень широко используются в качестве источника питания для калькуляторов, часов, мини-ЭВМ й др. В 1991 г. из общего количества солнечных батарей 15-20 % предполагается изготовить на основе аморфного кремния.
В настоящее время процесс производства аморфных покрытий, и используемые при этом аппараты стали не менее сложными, чем производство и оборудование для получения поли- и монокристаллического кремния.
Недавно установлено, что фотопроводимость легированных слоев (а - Si: Н) может быть увеличена путем частичной кристаллизации осаждаемого материала. Исследование методом рентгеновской дифракции показало, что в зависимости от мощности тлеющего разряда структура слоя меняется от аморфной почти до совершенной кристаллической с размером зерна ~ 6 нм.
Г л а в а V. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ИЗ РАСПЛАВА
Выращивание монокристаллов кремния из расплава в промышленных условиях осуществляют по методу Чохральского и бестигельной зонной плавкой. В 1988 г. ~ 85 % от общего объема производства монокристаллов кремния было выращено по методу Чохральского и 15 % бестигельной зонной плавкой.
1. МЕТОД ЧОХРАЛЬСКОГО
Общие сведения
Принципиальная схема метода и его теоретические основы были рассмотрены в гл. I.
Выращивание осуществляют в вакууме, ’’застойной” атмосфере аргона или гелия, а также в протоке указанных газов при различном давлении в камере. Используют различные источники нагрева (рис. 116). Приведенные на рис. 116 варианты нагрева могут быть использованы при выращивании как в вакууме, так и в среде инертного газа, электронно-лучевой нагрев только в вакууме. Наиболее распространен резистивный нагрев (рис. 116, fl).
Выращивание монокристалла проводят, как правило, поднимая 254
а
6
Рис. 116. Схема процесса выращивания монокристаллов из расплава с резистивным (а), электронно-лучевым (б) и высокочастотным (в) нагревом:
