Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Большинство же сплавов строятся по системе замещения. Атом примеси занимает узловое положение, поэтому такие растворы называют растворами замещения. Существуют и твердые растворы вычитания. „ В таком растворе по мере увеличения количества второго компонента наряду с замещением узловых мест образуются еще и вакансии. Растворение атомов одного компонента в другом не всегда беспредельно. Только немногие сплавы образуют растворы с неограниченной растворимостью. К ним в первую очередь относятся системы золото - медь, кремний - германий и др.
Образованию непрерывного ряда твердых растворов способствует
39
физико-химическое подобие сплавляемых компонентов. Радиусы их атомов не должны отличаться более чем на 10 %. Они должны быть одной валентности, с небольшой разностью температур плавления.
В большинстве же случаев образуются растворы с ограниченной растворимостью, причем чем больше совпадают физико-химические свойства атомов компонентов, тем больше граница растворимости.
Представим схематически термические кривые для твердых растворов (рис. 13, б). Они соответствуют температуре в тигле, где находится сплав, в каждый момент времени t. Кривая I - для чистого растворителя (основного компонента). Кривые II, III и IV показывают зависимость температуры во времени для растворов со все возрастающей исходной концентрацией С. Если перенести критические точки (Тщ, T2, T3, T4,..., T1) на систему координат температура - концентрация, то геометрическое место этих точек образует диаграмму плавкости твердых растворов различных концентраций (рис. 13, в). Область « определяет температурную и концентрационную устойчивости твердого раствора. Кривая ГП1 - T6 является линией начала плавления твердого раствора (соли-дус). Кривая Tn1 - T7 состоит из точек конца плавления (ликвидус). Область между двумя кривыми определяет устойчивость двухфазной системы - сосуществование кристаллов твердого раствора, плавающих в жидком растворе.
Диаграммы плавкости (равновесия) являются основным справочным материалом, необходимым для определения фазового состава сплава при той или иной температуре. Они состоят из двух- и многокомпонентных сплавов.
Существует правило (правило фаз Гиббса), регламентирующее фазовый состав сплавов в зависимости от числа компонентов: Pi + F1 = Ct + 2; здесь C1 — число компонентов; F1 — число степеней свободы, т.е. число параметров (давление, температура и состав), которые можно изменить независимо друг or друга; Pt — максимальное число фаз, которое может находиться в динамическом равновесии.
Рассмотрим систему, состоящую из двух компонентов, которые в жидком состоянии смешиваются неограниченно, а в твердом имеют определенную границу растворимости. Диаграмма плавкости такого сппава имеет вид, представленный на рис. 13, д. Кривая TaC3Tb является линией ликвидуса, а кривая ТдаСэЬТв - солидуса. Бели представить себе термические кривые для сплавов различного состава,-то обнаружится следующее.
В сплаве, содержащем малое количество компонента -В (твердый раствор), плавление происходит так, как это представлено иа рис. 13, д. В промежутке температур между линиями ликвидуса и солидуса жидкость имеет состав, определяемый пересечением горизонтальной линии температуры с кривой ликвидуса. К концу плавления состав жидкости приобретает состав исходного твердого раствора.
Согласно правилу фаз сосуществование твердой, жидкой и паровой фаз (F1 = 3) при двух компонентах (C1 = 2) имеет число степеней свободы Ft = 1. Это значит, что такое состояние может быть реализовано в интервале температур и концентраций независимо. Если же рассмотреть процесс плавления сплава состава Сэ, ю вид кривой плавкости изменится благодаря тому, что твердый раствор я имеет ограниченную растворимость и при данном составе в твердом состоянии сосуществуют два твердых раствора а + ?. Согласно правилу фаз такое состояние не имеет степеней свободы. Если давление постоянно и концентрация исходной системы постоянна, то и температура не может меняться, так как
40
F=O. Термическая кривая в этом случае имеет вид кривой 1 (рис. 13, б). По линии ab сосуществуют два твердых раствора и жидкость. Co временем жидкость приобретает состав, соответствующий точке C3 на диаграмме состояния. Если состав сплйва соответствует составу C3, то термическая кривая имеет одну температурную остановку, соответствующую трех-фаэному равновесию. Такой состав сплава называется эвтектическим, а температуру, при которой происходит четырехфазное равновесие (жидкость, две твердые фазы и пар), называют эвтектической.
В производстве монокристаллов полупроводникового кремния редко приходится иметь дело со сложными диаграммами состояния, так как обычно второй компонент присутствует в конечном продукте в очень ограниченном количестве. Кроме того, при выращивании таких монокристаллов из жидкой фазы количеством паровой фазы можно пренебречь. Правило фаз при этом применяется с учетом лишь одной температуры, а концентрация и давление постоянны.
Существенными являются данные о наклоне линий солидуса и ликвидуса в начале диаграммы. Они определяют степень перераспределения примесей между жидкой и твердой фазами, которую удобно характеризовать коэффициентом распределения (сегрегации): к0 = = CxJCyti, где Ctb и Сж - растворимости примеси в твердой и жидкой фазах соответственно.
