Файл: Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие.pdf

удаление примесей, проводят их очистку и восстанавливают до ис­ ходного вещества. Например, в производстве германия широко при­ меняют дистилляцию (перегонку) его тетрахлорида (ОеСЦ). Про­ цесс очистки германия состоит из следующих основных операций:

хлорирования исходного вещества для получения тетрахлорида германия;

дистилляции тетрахлорида германия и обработки его над мед­ ными стружками;

гидролиза очищенного тетрахлорида германия и получения дву­ окиси германия (ОеОг);

восстановления двуокиси германия водородом при 600—650° С; сплавления полученного порошка германия в слиток при темпе­

ратуре 1000° С в атмосфере водорода или азота.

На химических методах основано также промышленное полу­ чение кремния. Так, по методу Бекетова, тщательно очищенный че­ тыреххлористый кремний (БЮЦ) восстанавливают при 950°С па­ рами цинка. Трихлорсилановый метод состоит в обработке водоро­ дом особо чистого трихлорсилана БЩС1з. Проводя эту реакцию соединения при температурах 1000—1100° С, также получают эле­ ментарный кремний.

Эти способы требуют, конечно, чтобы все вспомогательные реа­ генты имели высокую степень чистоты. В целом химическая очист­ ка германия и кремния все же является недостаточной.

Чтобы представить себе, какой чистотой должны обладать по­ лупроводники, приведем следующий пример. В 1 см3 полупровод­ ника содержится около 1022 атомов. Поскольку чистый с точки зрения полупроводникового производства германий не должен иметь более 1012 атомов посторонних веществ (на 1 см3), то один атом примеси может приходиться лишь на 1010 атомов германия. Требования к кремнию являются еще более жесткими. Поэтому для дополнительной очистки этих материалов применяют физиче­ ские методы.

Ф и з и ч е с к и е ме т о д ы о ч и с т к и германия и кремния ба­ зируются на различной растворимости примесей в твердом веще­ стве и его расплаве. Растворимость можно охарактеризовать рав­ новесным коэффициентом распределения К, который представляет собой отношение концентраций примесей в твердой и жидкой фа­ зах. Как правило, этот коэффициент всегда меньше единицы (/С<1). По данным, приведенным в табл. 7, видно, что из элемен­ тов третьей группы периодической системы Д. И. Менделеева наи­

коэффициента распределения К от единицы и лежит в основе фи­ зических методов очистки полупроводников, основными из которых являются направленная кристаллизация и зонная плавка.

Метод направленной кристаллизации заключается в перемеще­ нии примесей из отвердевающего слитка в расплав при очень мед-

18

Т а б л и ц а Т

Характеристики примесных элементов

ленном выдвижении изложницы или тигля из печи. Самой чистой будет та часть слитка, которая начала отвердевать первой. В на­ правлении к противоположному концу слитка концентрация при­ месей увеличивается.

Метод зонной плавки применяют в полупроводниковой промыш­ ленности наиболее широко. Остановимся на нем бол'ее подробно.

Рис. 4. Зонная плавка германия:

/ —графитовая лодочка, 2 — кварцевая труба, 3 —секции индуктора, 4 — жидкая зона германия, 5 — твердая зона германия

Принцип зонной плавки показан на рис. 4. Вещество, подлежа­ щее очистке, например германий, помещают в графитовую лодоч­ ку /, которая находится в кварцевой трубе 2 технологической ус­

частоты. Каждая секция расплавляет узкие участки (зоны) 4 гер­ мания," которые перемещаются справа налево и чередуются с твер­ дыми (нерасплавленными) участками 5.

Для германия характерно, что почти все примеси лучше раст­ воряются в жидкой фазе, чем в твердой (т. е. имеют коэффициент

19

распределения менее единицы), движутся вместе с расплавленной воной, концентрируются в ней и уносятся в направлении ее движе­ ния. В результате нескольких рабочих проходов индукторов (спра­ ва налево) можно получить слиток, количество примесей в котором ■будет резко уменьшено в правой части и увеличено в левой.

ке индукто,р перемещают сверху вниз, при­ чем скорость регулируется. Холостой ход (снизу вверх) совершает­ ся быстро. Плавлению подвергается лишь узкая область 4 слитка..

Так как кремний имеет довольно высокое поверхностное натя­ жение, жидкая зона удерживается между твердыми зонами, не растекаясь. После многократных проходов индуктора примеси концентрируются в нижней части слитка, которую затем отрезают. Для лучшего перемещения расплава верхнюю и нижнюю части слитка можно вращать в разные стороны.

Для удаления бора ( К ~ \) зонную плавку кремния ведут во влажном водороде.

Достоинством метода является его чистота, обусловленная от­ сутствием тигля или лодочки, .а основным недостатком — малая производительность процесса. Этим методом получают кремний с удельным сопротивлением до 1000 Омсм.

20

§ 8. Выращивание монокристаллов полупроводников

Для изготовления полупроводниковых приборов необходимы монокристаллический германий или кремний. Поликристаллические материалы для этого непригодны, так как они имеют несовершен-

21 '