Va yarimotkazgichli asboblar texnologiyasi
Download 94.09 Kb. Pdf ko'rish
|
|
Parchalanadigan yarim o‘tkazgich birikmaning qalin flyus ostida o ‘stiriIa- yotgan yirik m onokristalning diametri o 4zgarishi (suyul- maning o ‘sishi turli bos- qichlarida unga o ‘zgarmas kattalikli quvvat keltirib turiladi). da (II.59,tf-rasm ) kristallanish frontida ajral- gan suyulish yashirin issiqligi sochilib ulgur- m asdan suyulma ustunida to ‘planadi. Shu ning uchun ustun balandligi ortadi va m o- nokristall diam etri kamayadi (m onokristall «tagidan kesiladi») (II.59,£-rasm ). Ammo, m onokristallning b o sh lan gich qismi flyus qatlami ostidan chiqqandan keyin qisilgan gazda issiqlik ko‘tarilib ketishi (konveksiya) tufayli m azkur qism tez soviy boshlaydi, kristallanish frontidan issiqlik ketishi oshadi va monokristall har taraflam a o ‘sa boshlaydi (11.59,d-rasm). Issiqlik m uvozanati o ‘rnash- gach, o csayotgan m onokristall diam etri o ‘zgarishi jarayoni yana takrorlanadi. Qaralayotgan holda flyusning m e’yoriy qalinligi 10-12 mm. Bundan kam b o ig an d a suyulmadan uchuvchan tarkiblovchi ko‘p ketib qoladi, ortiq b o ig an d a diam etrni boshqarish qiyinlashadi. Parchalanuvchi yarim o‘tkazgich birikm alar m onokristallari mukammailigiga suyulmaning stexiometrik tarkibdan chetlanishi katta ta ’sir qiladi. Shuning uchun suyultiriladigan birikm a tarkibi stexiom etrik tarkibga juda yaqin b o iish i kerak. Suyulmaning stexiom etrik tarkibdan chetlanishi naqadar m uhim ekanligini quyidagi m a iu m o t tasdiqlaydi: galliy arsenidi (GaAs) da stexiom etriyadan chetlanish to 1018- 1019sm ~3 gacha zichlikdagi nuqtaviy nuqsonlar keltirib chiqaradi. Flyus ostidan chiqayotgan monokristall tem peraturasi yetarlicha katta b o isa , flyus uning sirtidan oqib tushadi, birikm a parchalanib, sirt qatlam idan uchuvchan tarkiblovchi uchib ketadi, oqibatda sirtda dislokatsiyalar vujudga keladi. Buning oldini olish uchun m azkur usulda o ‘stirilayotgan monokristallarda flyus sohasida tem peraturaning kichik gradientlarini hosil qilish zarur, sirtda tem peratura 700-800°C dan yuqori 146 b o ‘lmasin. Bu tem peraturada flyusning qovushoqligi monokristall sirtida himoyalovchi qatlam hosil qilish uchun yetarli b o ‘ladi. Vertikal tigelsiz o ‘s- tirish usulida yarim- o‘tkazgichlami to zalash va uning monokristallarini II.60-rasm. 8.4.3. Tigelsiz zonaviy suyultirish usuli olish chizmasi: 1 -isitgich; 3-kristal- lanayotgan suyul ma; 4-,5-suyulma- ning kristallangan qismi; Yarimo‘tkazgich m oddalar tex- nologiyasida tigelsiz zonaviy suyul- Q-issiqlikni ketka zish yo‘nalishi strel- ka bilan ko‘rsatilgan. tirish jarayoni faqat kremniyning T , kislorod miqdori kam va noasosiy zaryad tashuvchilar yashash vaqti katta b o ‘lgan ( 103 mks) m onokristallarini olish uchungina qo ‘llanadi. Elektronika sanoati talablariga binoan, bu usulning qo^lanishi kengaymoqda. Tigelsiz zonaviy suyultirish usuli Choxralskiy usuliga nisbatan kam unumli va murakkab, yuqori chastotali qiymat apparaturada amalga oshiriladi. Biroq kvars tigelning va grafit issiqlik shoxobchasining yo‘qligi bu usul bilan tozalik darajasi ancha yuqori kremniy m onokristallari olish imkonini beradi. Dastlabki polikristall kremniy steijenida (tayoqchasida) suyulgan zonani yuqori chastotali generatordan (5,28 M H z) ta ’minlanadigan induktor (pech) vujudga keltiradi (II.60-rasm ). Bu usul jarayonini vakuumda ham inert gazlar m uhitida ham o ‘tkazish mumkin. Turli tuzilishli induktor (pech)lardan foydalanib, suyulmadagi va o ‘stirilayotgan monokristalldagi issiqlik maydonlarini boshqarish mumkin. Hozirgi zam on texnologiyasi bo'yicha tigelsiz zonaviy suyultrish usulida diametri d < 100 m m b o slgan krem niy m onokristallari o ‘stirish mumkin. Issiqlik m aydonlarini bu usul jarayonida boshqarish ancha qiyin, am m o muayyan choralar bu ishni amalga oshiradi. Diametri steijen diam etridan katta b o ‘lgan induktor suyultiradigan steijenning kristallanish fronti murakkab to ‘lqinsim on shaklga ega (II. 61-rasm). Kichik diametrli induktor suyultiradigan holda kristallanish 147 a) b) d) e) f) 11.61-rasm. Yuqori chastotali induktordan foydalanib tig elsiz zonaviy suyultirish jarayoni bosqichlari. Bunda induktorning diametri polikristall krem niyning suyuladigan sterjeni diametridan kichik ( f c va f - m os ravishda, sterjen va xamirturush ko'chishi tezliklari); я -kremniy sterjeni uchining qizdirilishi; 6-suyulgan kremniyning osilgan tomchisi hosil bo'lishi; c/-xamirturushlash; e-suyulgan zona hosil bo'lishning boshlang'ich bosqichi; / - barqaror rejimda suyulgan zona o'tishi; /-sterjen; 2-sterjenning qizigan sohasi; 3-yuqori chastotali induktor; 4-monokristali xamirturush; 5-suyulgan tomchisi; 6-suyulgan zona. fronti yanada n o to kg‘ri shaklga ega bo'ladi, oqibatda suyulgan zona m arkaziy qismiga suyulma ingichka oqim b o iib quyiladi. 0 ‘qlar b o ‘yicha katta tem peratura gradientlari m onokristallarda katta term ik kuchlanishlar paydo qiladi, binobarin, dislokatsiyalar zichligini katta qiladi ( > 104 sm-2), Shuning uchun m azkur usul bilan m ukam m al (dislokatsiyasiz) katta kremniy kristallari ( d > 60 m m) olish uchun qurilmaga suyulgan zonadagi issiqlik sharoitlarini faol boshqaradigan qismlar kiritish talab qilindi. Bu faol qismlar: q o ‘shim cha isitgichlar kiritishdi, sterjen va monokristall o ‘qlari bir-biriga nisbatan siljishiladi. Bu holda m onokristallar, Choxralskiy usuliga nisbatan, kam roq m ikronuqsonli b o iad i. Dislokatsiyasiz kremniy monokristallarida m ikronuqsonlar eng ko‘p o 4rganilgan. Ularning ikki (A va B) asosiy turlari farq qilinadi: 1) A yassi dislokatsion sirtm oqlar (bukilgan halqalar shaklida) ular kristall hajm ida kirishm alar to Jplamlari so‘rilishi oqibatida hosil b o ia d i, o ic h a m i katta, ulam i yedirish usullari bilan oshkorlash m um kin; 2) В turdagi m ikronuqsonlar kirishm alar yoki ularning birikmalari ( S iC yoki a — S i0 7 ) to'plam laridan iborat. Krem niy kristallarida m ikronuqsonlar zichligi ularni o ‘stirish usuli va sharoitiga bogiiq. 148 Tigelsiz zonaviy suyultirish usulida o ‘stirilgan m onokristallarda A tur mikronuqsonlar o‘rtacha zichligi 107 sm-3, Choxralskiy usulida esa 109 sm -2. В tur mikronuqsonlar A turdan bir-ikki tartib qadar ko'proq (108 -109 sm-3). Dislokatsiyasiz kremniy kristallarida m ikronuqsonlarni kamaytirish uchun asosan suyulmada kislorod va uglerod kirishmalari m iqdorini kamaytirish kerak. Bu maqsad uchun argon muhiti eng qulay b o iad i. Agar unga kislorodni bogiovchi 10% vodorod q o ‘shilsa, natija yana ham yaxshi b o iad i. M onokristallni sovitish optimal (maqbul) tezligini tanlash, suyulmani kristallanish fronti sohasida tez-tez aralashtirib turish yarim oikazgichlar monokristallarida m ikronuqsonlar paydo bo iishini bartaraf qiladigan choralardir. Tigelsiz zonaviy suyultirish usulida qoilan adig an yuqori chastotali qizdirish y o ii bilan aralashtirish Choxralskiy usulidagi konvektiv aralashtirishdan ko‘p m arta tezroq va samaraliroqdir. 8.4.4. Brijmen gorizontal usuli Bu usul galliy arsenidi texnologiyasida katta qoilanishga ega. U ndan suyuqlik bilan jips yopish usulida dastlabki modda b oiadigan polikristall birikmani sintez qilish uchun ham , monokristall o'stirish bilan biriashtirilgan sintez uchun ham foydalanish mumkin. Bu usul qurilmasi yetarlicha sodda va Choxralskiy usulidagi kabi murakkab avtomatlashgan boshqarish tizimini talab qilmaydi. M azkur usul bilan, Choxralskiy usulida o ‘stirilganiga nisbatan bir jinsliroq, kuchli legirlangan galliy arsenidi monokristallari olish mumkin. Brijmen gorizontal usuli vakuumlangan va kavsharlangan kvars ampulalarda amalga oshiriladi, ampulalarning bir chetida arsenikli kvars qayiqchani, ikkinchi chetida galliy solingan qayiqchani joylashtiriladi ( 11. 18,tf-rasm). Ampulada talab qilinadigan arsenik b u g i kerakli bosimi uning kondensirlangan fazasini term ostatga ulab tutib turiladi. Kondensirlangan fazaning (suyulmaning) m utlaq tem peraturasi (610°C — 625°C) jarayonning issiqlik sharoitiga, suyulmaning talab qilingan tarkibiga va kristallanish tezligiga b ogiiq bo iad i. 149 Usui qurilmasining pechlar b o iim i (bloki) am pula uzunligi bo'yicha kerakli tem peratura taqsim otini ta ’minlaydi va elektr qarshilik pechlaridan iborat. Pechlar bloki kuzatish derazasi bilan ta ’minlangan. (II.18,6-rasm ). Pechlar blokini q o ^ a l m a s ampulaga nisbatan siljitib borish y o ii bilan galliy-arsenik suyulmasi b o ig a n qayiqcha b o 'y la b kristallanish fronti harakatlantiriladi. Brijmen usulida m onokristallar o'stirilganda o ‘qlar b o ‘ylab tem peratura gradienti uncha katta emas (<10°C /sm ) ularda dislokatsiyalar zichligi suyuqlik bilan jips yopish usulida olingan monokristallardagidek ( « 5 • 10~ъsm "2). Sharsimon qayiqchalarda kichik tem peratura gradientlari b o ig an d a uncha katta b o im ag an kesimli dislokatsiyasiz m onokristallar olish mumkin. Monokristallarning tuzilishi mukammalligi monokristall xam irturush sifatiga, kristallanish tezligi va uning frontidagi tem peratura gradienti orasidagi munosabatga bogiiq . Agar kristallanish tezligi 0,25 m m /m in dan katta b o im asa, gradient 8-10°C /sm b o isa , kristallanish fronti deyarli yassi (egri emas!) b o ia d i, bu esa kichik burchakli chegaralar deb ataluvchi nuqsonlar hosil b o iish in i istisno qiladi. Galliy arsenidi monokristallari [013] yo‘nalishda o ‘stirilsa, ularda dislokatsiyalar kam b o ia d i (bu yo‘nalish dislokatsiyalar sirpanishi tekisligi bilan - 27° burchak tashkil qiladi), vaholanki, Choxralskiy usuli uchun maqbul yo‘nalishlar [111] va [100] edi. Brijmen gorizontal usuli am alda dislokatsiyasiz m onokristallar olish imkonini berishligini tajribalar tasdiqlaydi. 8.5. Yuqori darajada toza monokristallar o ‘stirish Y arim o'tkazgich m oddalar va asboblar ishlab chiqarishda epitaksial texnologiyaning rivojlanishi hajmiy m onokristallar tozaligiga qattiq talablar qo‘ydi, chunki ulardan tagliklar tayyorlash uchun foydalaniladi. Shu tagliklar asosida gaz (G e, Si, GaAs, InAs, G ap, InP ) yoki suyuqlik (GaAs, InAs, G ap, InP ) epitaksiya usullari bilan yarim oikazgichli asbob yoki integral sxemaning ishchi qatlami tayyorlanadi. Epitaksial texnologiya hozir yuqori darajada toza qatlam lar olish imkonini beradi. 150 8.5.1. Elementar yarimo‘tkazgichlar (Ge, Si, Те, Se)da kislorod Elem entar yarim oikazgichlarda asosiy nazorat qilinmaydigan kirishma kislorod b o iib , lining miqdori ko‘pchilik hollarda legirlovchi kirishma m iqdoridan ortiq b o iad i. Germ aniyda kislorod sezilarli ta ’sir qilmaydi. Choxralskiy usuli bilan o ‘stirilgan kremniy m onokristallarida kislorod miqdori ayniqsa katta, u monokristallning turli qismlarida solishtirma elektr qarshilkni kamaytiradi (term odonor effekt). Xona tem peraturasida ionlanadigan term odonorlar (donor markazlar) kremniy monokristallariga 400-600°C da term ik (issiqlik) ishlov berilganda vujudga keladi, bu hodisa kremniyda kislorodning оЧа to'yingan qattiq eritmasi parchalanishi oqibatidir. Suyulmadan o ‘stirilayotgan kremniy kristalli yuqori tem peraturada ortiqcha miqdorda kislorodni yutadi. Uning bir qismi SiC>2 oksid hosil qiladi: bu oksid kremniy hajmida 1-50 mkm o ich am li ikkinchi faza ajralmalari sifatida 1- 107 sm-3 zichlik bilan tekis taqsimlanadi. SiC>2 ning yana bir qismi kremniyga mexanik y o i bilan kirib oladi. Biroq kislorodning katta qismi 2- 1018 ato m /sm 3 zichlikda kislorod- kremniy qattiq eritmasi tarkibiga kiradi. Bu holatdagi kislorod kirishmasi kremniy elektr o4kazuvchanligiga ta ’sir ko‘rsatmaydi. Lekin, kremniyni 400-600°C gacha sovitilgandan keyin shu tem peraturalarda uni kamida 1 soat tutib turilsa, qattiq eritm a parchalanib S i- O n (n = 1 -f- 4) turdagi birlashma (kompleks) ajraladi. Ularning b a’zilari ( s i - 0 4) elektr jihatdan faol b o iad i. Ba’zan ular 600°C dan yuqorida ham hosil b o iish i m umkin. Katta diametrli va katta massali kremniy monokristallari sekin sovitiladi. Shuning uchun bunday m onokristallarning yuqorigi qismi 2 soat chamasida term odonorlar hosil b o iad ig an tem peratura oralig id a b o iad i. Oqibatda monokristallning boshlan gich qismi ko‘proq yuqori tem peraturada turadi, bu joyda term odonor effekt vujudga keladi. Kremniy monokristallari ko'ndalang kesimidagi term odonor effekt monokristall chetlaridagi solishtirma qarshilikni kamaytiradi. Termodonor effektni susaytirish asosan kremniydagi kislorod zichligini kamaytirishdir. Bundan tashqari, monokristallning bo sh lang ich qismi term odonorlar hosil boiad ig an tem peraturada juda kam turadigan qilish zarur. Yana bir chora — kremniy monokristallarini 1 soat yoki undan 151 ortiq 700-800°C da tutib turiladi. Bunda faol S i - O n birlashmalar parchalanib, SiC>4 hosil b o ‘ladi (kislorod bog‘lanadi). Kislorod kristallda qanday paydo bo'ladi? Kislorod kremniyda suyulmaning atmosfera bilan va yana konteyner kvarsi bilan ta ’sirlashishdan, ya’ni S iО 2 (к) "i" *^(v) ^ (II. 63) reaksiya oqibatida paydo bo'ladi. SiO yuqori tem peraturalarda uchuvchan b o iad i. Uning bir qismi suyulmada erib, kremniyni kislorod bilan ifloslaydi. Kislorodning eng ko'p zichligi 4- 1018 ato m /sm 3 bo‘ladi. Vakuumda 0 ‘stirilgan kremniyda kislorod zichligi pastroq. Krem niy monokristallarida kislorod miqdori qanday bo'lishi suyulmani aralashtirish sharoitiga ham bog'liq. Tez aralashtirish kislorodni kvars tigel devoridan (uning paydo bo'lish joyidan) kristallanish fronti tom onga kolchiradi. N atijada kislorod va u bilan bog'liq m ikronuqsonlar zichligi ortadi. M onokristall diametri oshgan sari kislorod zichligi ham oshadi. Shu sabablargi ko'ra, kam miqdordagi kislorodli kremniy va germaniy monokristallari olish uchun o ‘stirish jarayonini: -yuqori (I* 10"6 mm sim. ust) vakuumda. -konteynersiz variantda (tigelsiz zonaviy suyultirish yoki Choxralskiy garnissaj usulida); -toza vodorod muhitida; -toza argonda olib borish kerak. Choxralskiy garnissaj usulida o ‘stirilgan kremniy monokristallarida kislorod zichligi 5 1015 atom /sm 3 gacha pasaytirilishi mumkin. Ba’zi hollarda elem entar yarim o4kazgichlar m ono-kristallarida kislorod miqdorini kamaytirish uchun ularning kremniy suyulmalariga kislorodga yaqinligi katta elem entlar (G e, Sn, Pb, Ca, Al) kiritiladi. Am m o bu kirishmalarning m onokristallar xossalariga ta ’siri e ’tiborga olinishi kerak. 8 .5 .2 . Elementar yarimoHkazgichlar (G e, Si, Те, Se)da uglerod Uglerod ham nazorat qilinmaydigan kirishma bo'lib, uning zichligi 2* 1018 ato m /sm 3 ga yetadi. Uning yarim o‘tkazgichlarga kirib qolish yo'llari: 152 yom on tozalangan germaniy tetraxloridi va xlorsilanlardan; grafit qayiqchalarda G e 0 2 oksidni vodorod bilan tiklash jarayonlaridan; Choxralskiy usulida yoki tigelsiz zonaviy suyultirish usulida m onokristallar o ‘stirish jarayonida uglevodorod va SO shaklida qurilm a kamerasining pechlar bolim ig a kirishdan. Elem entar yarim o‘tkazgichlarda uglerod elektr jihatdan neytral kirishmadir. Kremniyning uglerod bilan boyigan suyulmasi kristallanishida monokristallarda a — S iC ajralmalari paydo b o iish i mumkin. Ular kremniy panjarasida mahalliy kuchlanishlar, В tur mikronuqsonlar hosil qiladi ham da dislokatsiyalar paydo bo lish iga yordamlshadi. Uglerod elem entar yarim o4tkazgichlardagi kislorod bilan birga moddaning elektr xossalariga ham ta ’sir qilishi mumkin. M asalan, ko‘p miqdordagi kislorod b o ‘lgan kremniyga kiritilgan uglerod kislorod bilan bo g lan ib komplekslar hosil qiladi va shu bilan term odonorlar paydo bolishiga y o l qo‘ymaydi. Bu komplekslarning b a’zilari donor, b a ’zilari esa neytral b o iad i. Uglerod kremniy monokristallari asosida tayyorlangan asboblar xossalariga ham ta ’sir qiladi. SO oksid q o ‘shilgan argon m uhitida o ‘stirilgan m onokristallarni tadqiqlash ko‘rsatishicha, monokristallarga termoishlov berilgandan so‘ng uglerod o ‘ta to ‘yingan eritm adan ajralib chiqadi. Ajralib chiqqan uglerod miqdori oshgan sari p - n o lish n in g teshilish kuchlanishi pasayib boradi, sirqish toki oshib boradi. 8.5 .3 . Yarimo'tkazgich birikmalarda kremniy Galliy arsenidi va fosfidi (GaAs, G aP) monokristallarida asosiy nazorat qilinmaydigan kirishmalar kremniy va kislorod b o iad i. Ular asosan kvars konteynerlar (qayiqchalar va reaktorlar)dan suyulmaga kirib qoladi. Kremniy bilan bir vaqtda eriyotgan kvarsdan suyulmaga boshqa kirishm alar ham kiradi. Masalan, GaAs kristalliga sintetik kvarsdan 153 Afa - 5 • 1 0 13, См - 2 • 1 0 13, S 6 - 5 1 0 12, Л м - 3 - Ю 10 atom /sm 3 zichlikda o ‘tib oladi. Bu holda yuz beradigan reaksiyalar: 4Ga{s) + S iO j^ Si + 2 G^?2£^(g) (II* 64) Si(sj + 5r/ 0 2(/t) Reaksiya zonasidan ketayotgan uchuvchan G a20 uni o ‘ngga siljitadi, oqibatda suyulma kremniy bilan boyiydi. Ikkinchi reaksiya oqibatida reaksiya zonasidan uchuvchan SiO reaksiyani o ‘ngga siljitadi, galliy suyulmasida kremniy kamayadi. Krem niyning GaAs suyulmasidagi zichligi galliy va kremniy oksidlarining parsial (ulushiy) bosimlari kattaligiga bog iiq . U lar qancha yuqori b o isa , galliy suyulmasida kremniy shuncha kam b o ia d i. Parsial bosim lar G a va Si joylashgan konteynerning erkin hajmiga b o g iiq , bu hajm qancha katta b o isa , parsial bosim lar shuncha kam va galliy suyulmasida kremniy shuncha ko‘p. Agar erkin hajm kam b o is a , parsial bosim lar katta va suyulmada kremniy oz b o ia d i. Buning uchun erkin hajm kam b o iad ig an qilinishi kerak. Flyus qatlam i ostidan m onokristallar o ‘stirish usulida suyulma ustida erkin (gaz) hajm nolga teng, uning vazifasini bajaradigan flyus oksidlarni yutib yuqoridagi reaksyalami o'ngga siljitadi. Bundan tashqari, flyus sifatida ishlatiladigan bor angidridi B2O 3 kvars bilan ta ’sirlashadi. Galliy arsenidi monokristallarini kvars tigellarda (flyus ostidan) o ‘stirilgandan so'ng flyusdagi kremniy zichligi (massa b o ‘yicha) 0,2 % ni tashkil qiladi. Bu kremniy qisman galliy suyulmasiga o'tadi. GaAs va G aP yuqorida aytilgan flyus ostidan kvars tigellarda o ‘stirilganda kremniy zichligi 1* 1016 ato m /sm 3 tartibida b o iad i. GaAs m onokristallarini Brijmen gorizontal usulida o cstirilganda suyulmada kremniy m iqdorini G a20 oksidning suyulma atrofidagi m uhitda bosim ini orttirish y o ii bilan, shuningdek, uning reaktor soviq qism ida kondensatsiyalanishini bartaraf qilish bilan kamaytiriladi. Buning uchun reaktorga yetarli m iqdorda kislorod kiritiladi. U reaktorga G a va 154 G a2C>3 aralashmasi ko‘rinishida kiritilishi mum kin, uni qizdirganda uchuvchan G a20 oksid hosil bo ‘ladi (uning bug'i bosimi kattalashadi): 4Ga(y) + G a 20 3(k) <-» 3 G a 20 ^ (II. 66) Kichik hajmli reaktorlarni qo ‘llanib, devorlari tem peraturasini 1000°C gacha ko‘tarib va kristallanish zonasini qolgan hajm dan kapillar to ‘siqlar bilan ajratib (bu G a20 ko‘chishini to ‘xtatadi) GaAs dagi kremniy kirishmasi miqdorini bir tartibdan ko'proq pasaytirish m um kin bo ‘ladi. Bu shartlar bajarilganda GaAs da Si zichligi 1015 atom /s m 3 dan kam va elektronlar harakatchanligi 8000 sm 2 /V- s qilinishi m um kin (300 K). Download 94.09 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|