Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Рост из газовой фазы
В практике получения полупроводникового кремния очень широко используются химические реакции, протекающие в газовой фазе. Особенно важной стала эта область в связи с широким применением метода эпитаксиального наращивания слоев кремния на различные подложки. Процесс выращивания кремния из газовой фазы (среды) несколько сложнее кристаллизации из жидкой фазы. Это привело к Различным трактовкам механизма и кинетики процесса. В настоящее время существуют различные гипотезы, которые, как правило, мало
89
помогают в прогнозировании конечного результата. Поэтому все основывается на опыте и уже давно накопленных в практике результатах.
Наибольшее распространение получили два способа кристаллизации кремния из газовой среды: в процессе водородного восстановления хлорсиланов и разложения моносилана. Оба процесса в той или иной степени сводятся к получению свободных атомов кремния, которые в зависимости от их концентрации, давления и температуры процесса образуют твердую фазу.
Эти процессы обычно протекают так, что твердая фаза кремния все время граничит с газовой средой. Поэтому в упрощенном варианте рассмотрения атомной структуры конечного продукта нам достаточно знать лишь то, что затравка (подложка), на которой осаждается кремний, граничит с газовой кремниевой фазой с определенным парциальным давлением.
Как и во всех случаях кристаллизации, важно знать температурные условия и распределение парциального давления (концентрации).
Обычно для кристаллизации применяют специальные реакторы -камеры, в которые поступает исходный газовый продукт. Соприкасаясь с несколькими нагретыми подложками, он после протекания химических реакций выделяет на поверхности кремний. В качестве подложек в настоящее время используют тонкие стержни или диски кремния.
Несмотря на то что в литературе очень много внимания уделяется особенностям химической реакции, которая происходит на поверхности подложки, отметим, что главным в образовании конечного продукта и его качества вновь являются скорости образования и роста зародышей. Основным отличием фазового перехода газ - твердое тело является больший скачок в переходе от состояния с одним значением энтропии в конечное состояние с меньшей энтропией. Внешне это определяется в порядке расположения атомов в пространстве исходной фазы (газ с почти полным беспорядком) и высоким порядком в конечном продукте. Более же глубокое значение заключается в превращении кинетической энергии поступательного движения частиц в потенциальную энергию взаимодействия. В таких системах скачок значительно больше, поэтому и теплота кристаллизации в этом случае значительно больше. Она равна энергии испарения и обычно на целый порядок выше теплоты кристаллизации при образовании кристалла из жидкой фазы.
И в этом случае получаются все ранее указанные формы роста кристаллов: дендриты различной величины и различные по размеру плоско-1 гранные кристаллы. Специально были выращены даже одиночные моно-кристаллические стержни диам. 35 мм в процессе водородного восстановления хлорсиланов.
Для практики очень важным является умение управлять структурой стержней. ;
90
Поликристаллические стержни с развитой сетью границ раздела обычно содержат большее количество примесей. Стержни, состоящие из небольшого числа сростков плоскогранных кристаллов, в этом отношении более предпочтительны. Ho эти, последние, с одной стороны, растут гораздо медленнее несовершенных дендритных структур (друзовых), а с другой - грубопластинчатая поверхность таких стерж-цей затрудняет их дальнейшую переработку бестигельной зонной плавкой. Поэтому их производство оказывается экономически мало выгодным.
Основным выводом из результатов экспериментов по выращиванию кремния из газовой среды является то, что и здесь рост совершается по тем же законам, что и обычная кристаллизация.
Отметим также следующее. Во всех случаях роста кремния из газовой фазы теплоотвод от фронта кристаллизации совершается через газовую фазу. Очень важно, что в процессе водородного восстановления хлорсиЛанов или разложения моносилана можно менять температуру на границе кристалл - газ (изменением температуры нагрева стержня) независимо от парциального давления пара (изменением концентрации).
Рассмотрим еще один интересный процесс, связанный с выращиванием тонких нитевидных кристаллов кремния, которые часто называют усами. Для этого применяют систему роста в газовой среде через каплю расплава.
Если на пластинку кремния положить каплю золота, то капля растворит некоторое количество кремния и превратится в сплав Si-Au. Затем пластину кремния с каплей расплава помещают в реактор, где происходит выделение кремния в результате реакции водородного восстановления хлорсиланов. На границе с кремнием растворимость в жидкой фазе меньше, чем на границе с газом. В результате кремний будет откладываться на твердой подложке по мере поступления его в жидкость из газовой фазы. Вместе с ростом стерженька будет подниматься и капля, так как само золото в кремнии почти не растворяется и капля в процессе роста не расходуется. Толщина нити определяется размером капли. Обычно такие нити оказываются бездислокационны-ми; это придает им особо высокую прочность.
