Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
В полупроводниковом кремнии примеси (включая и те, которые сознательно вводятся при легировании) присутствуют в незначительных количествах. Поэтому система полупроводниковый кремний -примесь может рассматриваться как идеальный раствор. И» если абстрагироваться от взаимодействия примесей с дефектами, можно принять, что они распределяются по основному материалу достаточно равномерно. Малое количество примеси позволяет считать, что линии равновесия диаграммы состояния кремний - примесь не имеют особых точек, их всегда можно представить в виде начальных отрезков линий солидуса и ликвидуса в виде прямых - касательных к действительным линиям равновесия полной диаграммы (рис. 14). Вычисленное на основе диаграммы состояние к0 носит название равновесного коэффициента распределения и может быть определено также теоретически из уравнения Ван Jlaapa-Шредера: R In fc0 = ДЯ(1/Г0 - 1 /Гпл), где ДЯ -энтальпия плавления; T0 - температура превращения. (Точность определения к0 путем расчета недостаточно высока.)
Наблюдаемый на практике коэффициент распределения отличается от теопетического и носит название эффективного коэффициента распределения к. Между к и к0 установлена определенная связь. Наиболее достоверные значения к получены экспериментально.
При производстве монокристаллов кремния часто приходится работать с системами газ - твердое тело. В процессе превращения одновременно происходят сложные химические реакции. В науке нет единой точки зрения на механизм таких сложных процессов и обычно в каждом конкретном случае приходится эмпирически устанавливать оптимальные условия и наиболее выгодную технологию производства.
41
Рис. 14. Начальные части диаграммы состояния: о - fc0 < 1; б - fc0 > 1
Рис. 15. Равновесие между кристаллом, расплавом и паром в системах:
1 — кристалл — расплав; 2 — расплав — пар; 3 — кристалл — пар; А — тройная точка;----------состояние, в ко-
тором система отклоняется от равновесия
T
Все же основные принципы термодинамики и физической кинетики выполняются во всех, даже самых сложных вариантах сочетания компонентов и фазового состава. Поэтому во всех случаях фазового перехода нужно выделять главное звено процесса взаимодействия между частицами и противоположное ему поступательное движение. Развитием этих процессов и определяются главные движущие силы фазового превращения.
Диаграммы равновесия для однокомпонентной системы кристалл -расплав - пар приведены на рис. 15. Штриховые линии показывают состояние, в котором система отклоняется от равновесия. Это состояние называют метастабильным равновесием и оно, как правило, связано с процессом образования либо твердого тела из жидкости и пара, либо жидкости из пара при пониженной температуре. Эти важные в производстве полупроводникового кремния процессы являются и наиболее сложными для понимания и сознательного управления ими. Производство полупроводникового кремния связано с техникой выращивания
поли- и монокристалла, в основе которой лежит учение о зарождении и росте кристаллов.
4. МЕХАНИЗМ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА
Разница между плавлением и кристаллизацией чисто внешне заключается в том, что плавление всегда начинается при одной и той же температуре Tnn, а для начала образования твердого тела из жидкости или парообразной фазы необходимо переохлаждение (AT = Tnn- T0). Точно также образование жидкости из пара протекает при более низкой температуре, чем температура кипения. После начала образования новой фазы температура может несколько повыситься из-за выделения тепла, но дальнейший рост происходит только при температуре T0, несколько меньшей, чем температура равновесия. Таким образом, уже термические кривые показывают, что переход в низкотемпературную фазу проходит через две стадии - зарождение новой фазы и ее рост.
В процессе плавления атомы из низкотемпературной фазы переходят в фазу с более интенсивным поступательным движением, при этом переход сопровождается поглощением тепловой энергии. Чем больше тепла подводится к системе, тем более шероховатой становится граница раздела, что в свою очередь облегчает отрыв атомов с поверхности жидкости или твердого тела.
В процессе образования твердого тела или жидкости атомы переходят из фазы с более интенсивным поступательным движением в фазу с более ограниченным движением. И хотя уровень кинетической энергии и там, и здесь одинаков (Е = 3/2RT0 для поступательной энергии 1 моля вещества), в низкотемпературной фазе движение сопоставимо с потенциальной энергией взаимодействия, которая обусловливает среднее межатомное расстояние. Как только атом присоединяется к поверхности (рис. 16, o), он теряет часть энергии поступательного движения и начинает совершать колебания под воздействием сил межатомного взаимодействия. Избыток кинетической энергии передается частицам окружающей фазы и ее атомы приобретают допол-' нительный стимул и большую интенсивность поступательного движения. Одновременно на поверхность раздела обрушивается град ударов, которые могут снова оторвать присоединившийся к поверхности атом. Если температура близка к температуре плавления, то так и происходит. Некоторые атомы присоединяются к поверхности, но такое же количество под воздействием окружающих атомов снова отрывается и уходит в среду с меньшей энергией взаимодействия.
