Kamenskaya_Osn_Tech_Mater_Microel

Министерство образования и науки

Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

____________________________________________________________________________________________________

621. 315,592

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

МАТЕРИАЛОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Новосибирск

2010

1

621.382

УДК 621.315,592

Рецензенты: доц. каф. КТРС, к.т.н. С.В.Дорогой.

доц. каф. ППиМЭ, к.т.н. В.А.Илюшин

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники

Каменская А.В.

Основы технологии материалов микроэлектроники:

учебно-методическое пособие / А.В. Каменская. - Новосибирск:

Издательство НГТУ,2009.-90 с. ISBN 5-7782-0649-6

В пособии кратко изложены основные представления о технологических методах и процессах, используемых в производстве основных материалов микро-

электроники. Рассмотрены физические явления и равновесные закономерности,

лежащие в основе управления фазовыми и химическими превращениями веществ.

Пособие адресовано студентам дневной и заочной форм обучения, направлений: 210100 "Электроника и микроэлектроника", 210600 - нанотехнология; специаль-

ности:210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника,210108 – микро-

системная техника

© Новосибирский государственный технический университет, 2009 г.

2

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ

МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИЗ РАСПЛАВОВ

Некоторые свойства веществ нередко ограничивают выбор метода выращи-

вания; особое значение при этом имеет их химическая активность. Выращивание монокристаллов полупроводников осуществляют с целью получения материала с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами, которые зависят от природы и концентрации примесей, присутствующих в решетке кристалла. Поэтому вы-

бранный метод должен в первую очередь обеспечивать сохранение чистоты ис-

ходных веществ и возможность введения в решетку кристалла соответствующей примеси.

В основу общей классификации методов выращивания положены природа и состав питающей фазы:

1)рост из расплавов чистых веществ и расплавов, легированных примесями;

2)рост из растворов кристаллизуемого вещества в чистом растворителе или

врастворителе, содержащем примесь;

3)рост из паровой фазы, когда она состоит из атомов или молекул элемен-

тов, образующих кристалл, и когда она состоит из различных химических соеди-

нений атомов, образующих кристалл.

Под кристаллизацией из расплавов понимается кристаллизация, когда состав расплава не отличается или незначительно отличается от состава кристаллизую-

щейся фазы.

Все технологические методы выращивания монокристаллов из расплавов можно разделить на две группы:

а) тигельные методы;

б) бестигельные методы.

Выбор того или иного метода зависит в первую очередь от физических и фи-

зико-химических свойств материалов. Общим для этих методов является то, что во всех случаях направленная кристаллизация обеспечивается созданием и под-

4

держанием температурного градиента и механическим перемещением границы раздела кристалл — расплав через зону температурного градиента.

1.1 ТИГЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Направленная кристаллизация в тигле или лодочке.

При наиболее старом и еще широко используемом методе Бриджмена расплав и растущий. Кристалл находятся или в тигле (рис. 1) или в лодочке (рис. 2). Тигель или лодочка, изготовленные из более тугоплавкого материала, чем ве-

щество кристалла, заполняется поликристаллическим материалом, помещается в печь и нагревается до температуры, превышающей температуру плавления полу-

проводника. Затем тигель с расплавом охлаждают так, чтобы кристаллизация на-

чиналась с заостренного конца. Поскольку объем расплава, находящийся в кону-

сообразной части тигля, невелик, то вероятность образования одного центра кри-

сталлизации увеличивается. Дальнейшее охлаждение проводят так, чтобы изо-

термическая поверхность, близкая к точке плавления вещества, перемещалась от конца тигля вверх через весь расплав. При этом происходит рост зародыша или зародышей, возникших в заостренном конце тигля; в результате получается сли-

ток, повторяющий форму и размер тигля. Слиток будет монокристаллическим,

если в заостренной части тигля спонтанно образовался единственный зародыш.

При выращивании кристаллов в тигле, расположенном в вертикальной печи сопротивления, невозможность наблюдения за фронтом кристаллизации не по-

зволяет использовать монокристаллические затравки. Большим недостатком этого метода является также то, что растущий кристалл находится в контакте со стен-

ками тигля. Поскольку большинство полупроводниковых материалов характе-

ризуются неплотно упакованными структурами, то объем кристалла больше объ-

ема расплава, а поэтому в образующемся кристалле возникают большие механи-

ческие напряжения.

5

Методы направленной кристаллизации в лодочке широко используются при выращивании монокристаллов полупроводниковых веществ, разлагающихся при плавлении.

Рис. 2 Тигельные методы выращивания монокристаллов из расплавов: метод направленной кристаллизации

Зонная плавка в лодочке

Рассмотрим технологию процесса кристаллизации. Расположим в одном конце лодочки монокристаллическую затравку, а остальную ее часть заполним поликристаллическим материалом. Поместим лодочку в кварцевую трубу, где создадим атмосферу инертного газа; для нагрева используют или узкую печь со-

противления (два - три витка закрученной в спираль проволоки), или двух-, трех витковый индуктор, питаемый высокочастотным генератором. Эти источники на-

грева позволяют создать в монокристаллической затравке узкую зону расплава

(рис. 3). Перемещая источник нагрева вдоль кварцевой трубы, обеспечим пере-

движение зоны расплава вдоль обрабатываемого слитка. При движении зоны с одного края будет происходить кристаллизация, а с другого — расплавление ма-

териала. При использовании монокристаллической затравки создаются условия,

позволяющие превратить весь слиток в монокристалл.

6

страненным при промышленном производстве больших монокристаллов с кон-

тролируемыми и воспроизводимыми свойствами.

На рис. 4 представлены основные элементы устройства для вытягивания мо-

нокристаллов методом Чохральского. Процесс проводится в герметичной камере,

в атмосфере инертного газа или в вакууме. Камера снабжена смотровым окном для визуального наблюдения за процессом. Все исполнительные механизмы рас-

положены вне камеры.

Рис. 4 Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чохральского.

Материал М помещается в тигель Л, насаженный на водоохлаждаемый штока

Б-1. Шток Б-1 выводится из камеры через уплотнения Вильсона и при помощи электропривода, расположенного вне камеры, приводится во вращение со строго постоянной скоростью. Шток Б-1 можно также перемещать вверх или вниз для подбора оптимального положения тигля с расплавом по отношению к нагрева-

тельному элементу В. В качестве нагревательного элемента обычно используют печь сопротивления (например, графитовые нагреватели) или источник индукци-

онного высокочастотного нагрева. Через уплотнения Вильсона, расположенные на верхнем фланце камеры соосно с нижним штоком, в камеру вводится водоох-

8

лаждаемый шток Б-2. На нижнем конце штока Б-2 при помощи цангового крепле-

ния фиксируется монокристаллическая затравка кристаллизуемого материала.

При помощи соответствующих электроприводов шток Б-2 может перемещаться вверх и вниз с любой заданной скоростью и вращаться с постоянной скоростью

(5—100 об/мин).

Процесс проводится следующим образом. Тщательно протравленный, про-

мытый и высушенный полупроводниковый материал загружается в тигель; камера герметизируется и откачивается до получения вакуума или продувается чистым инертным газом. Тигель устанавливается на нужной высоте и приводится во вра-

щение с постоянной скоростью (около 10 об/мин). При постепенном повышении мощности, подаваемой на нагреватель, материал доводится до плавления и вы-

держивается некоторое время в перегретом состоянии. Небольшой перегрев мате-

риала необходим для очистки расплава от нерастворимых примесей, главным об-

разом окислов, которые неизбежно покрывают поверхность загруженного мате-

риала. В случае германия и кремния окислы GeO2 и SiO2, взаимодействуя с рас-

плавом, удаляются за короткое время в виде летучих субокислов, которые осаж-

даются на всех холодных частях камеры. Чтобы избежать осаждения летучих со-

единений и примесей на монокристаллическую затравку, целесообразно во время предварительного нагрева расплава подвести затравку в горячую зону к зеркалу расплава. Когда зеркало расплава очистится, включается система автоматического регулирования температуры, которая доводит температуру расплава до значения,

немного превышающего температуру плавления материала. Затравка медленно подводится к зеркалу расплава до установления с ним контакта, и шток Б-2 мгно-

венно останавливается (момент контакта можно наблюдать визуально или фикси-

ровать при помощи автоматического устройства). Распределение температуры та-

ково, что наиболее холодная точка находится в центре зеркала расплава. Темпе-

ратура этой точки должна несколько превышать температуру плавления материа-

ла. Температура стенок тигля в течение всего процесса должна быть выше темпе-

ратуры плавления (во избежание паразитной кристаллизации на стенках тигля).

При установлении контакта между перегретым расплавом и затравкой последняя

9

оплавляется и граница раздела расплав - затравка оказывается расположенной над поверхностью зеркала расплава (рис.5). Высота расположения границы раздела h

зависит от степени перегрева расплава и условий теплоотвода через затравку к водоохлаждаемому штоку. Наибольшая высота цилиндрического столба жид-

кости достигается тогда, когда его вес равен величине сил поверхностного натя-

жения, действующих на границе раздела:

РИС. 5. Влияние различных факторов на высоту столбика расплава под кри-

сталом h0, форму мениска расплава, угол его с осью монокристалла α и диаметр монокристалла d (f – скорость кристаллизации; ω - скорость вращения монокри-

стала; T – температура расплава).

Позиция:

Если расплав оказывается сильно перегретым, то через короткий промежуток времени происходит разрыв столба; если же температура расплава слишком низ-

ка, то в расплаве вокруг затравки создается область переохлаждения и при непод-

вижном штоке начинается заметное наращивание кристалла на затравку. Вытя-

10