第二章-硅鍺的區(qū)熔提純ppt課件

1、半導(dǎo)體材料,第2章 硅鍺的區(qū)熔提純,區(qū)熔是1952年 蒲凡 提出的一種物理提純的方法。它是制備超純半導(dǎo)體材料，高純金屬的重要方法,區(qū)熔提純的目的,區(qū)熔提純的目的： 得到半導(dǎo)體級(jí)純度（9到10個(gè)9）的硅，為進(jìn)一步晶體生長作準(zhǔn)備,2-1分凝現(xiàn)象與分凝系數(shù),211 分凝現(xiàn)象（偏析現(xiàn)象） 含量少的雜質(zhì)在晶體和熔體中的濃度不同 分凝系數(shù),用來衡量雜質(zhì)在固相和液相中濃度的不同,一 平衡分凝系數(shù)K0,平衡分凝系數(shù)（適用于假定固相和液相達(dá)到平衡時(shí)的情況） K0=Cs/ Cl,212平衡分凝系數(shù)和有效分凝系數(shù),Cs:雜質(zhì)在固相晶體中的濃度 Cl:雜質(zhì)在液相熔體中的濃度,1) T=TL-Tm 0(TL體系平衡熔點(diǎn)

2、；Tm純組分熔點(diǎn)), CSCL, K0 1 提純時(shí)雜質(zhì)向尾部集中 (2)T=TL-Tm 0, CS CL, K0 1 提純時(shí)雜質(zhì)向頭部集中 (3)T=0, CS=CL, K0 = 1 分布狀態(tài)不變,不能用于去除雜質(zhì),二 有效分凝系數(shù),上面討論的是固液兩相平衡時(shí)的雜質(zhì)分配關(guān)系.但是實(shí)際上,結(jié)晶不可能在接近平衡狀態(tài)下進(jìn)行,而是以一定的速度進(jìn)行,1)當(dāng)K0 1時(shí) CSCL,即雜質(zhì)在固體中的濃度小,從而使結(jié)晶時(shí),固體中的一部分雜質(zhì)被結(jié)晶面排斥出來而積累在熔體中.當(dāng)結(jié)晶的速度雜質(zhì)由界面擴(kuò)散到熔體內(nèi)的速度時(shí),雜質(zhì)就會(huì)在熔體附近的薄層中堆積起來,形成濃度梯度而加快雜質(zhì)向熔體的擴(kuò)散,當(dāng)界面排出的雜質(zhì)量=因擴(kuò)散

3、對流而離開界面的向熔體內(nèi)部流動(dòng)的雜質(zhì)量,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.界面薄層中的濃度梯度不再變化,形成穩(wěn)定分布.這個(gè)雜質(zhì)濃度較高的薄層叫雜質(zhì)富集層 界面附近靠近固體端,雜質(zhì)濃度高, 靠近熔體端,雜質(zhì)濃度低,2) K0 1 CS CL,固體中的雜質(zhì)濃度大,因此固相界面會(huì)吸收一些界面附近的熔體中的雜質(zhì),使得界面處熔體薄層中雜質(zhì)呈缺少狀態(tài),這一薄層稱為貧乏層. 為了描述界面處薄層中的雜質(zhì)濃度與固相中的雜質(zhì)濃度關(guān)系,引出有效分凝系數(shù) Keff=CS/CL0 Cs:固相雜質(zhì)濃度 CL0:界面附近熔體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度 界面不移動(dòng)或者移動(dòng)速度=0, Keff K0 有 一定速度時(shí), CS = KeffCL0,2-1-3BP

4、S公式(描述Keff與 K0關(guān)系 )1. 結(jié)晶過程無限緩慢時(shí)，二者無限接近2. 結(jié)晶過程有一定的速率時(shí)，二者不再相等，有效分凝系數(shù)與平衡分凝系數(shù)符合 BPS(Burton,Prim,Slichter)關(guān)系,1.f 遠(yuǎn)大于D/時(shí), fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中雜質(zhì)濃度差不多.分凝效果不明顯。 2. f 遠(yuǎn)小于D/時(shí), fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明顯,平衡分凝系數(shù),固液交界面移動(dòng)速度 即熔區(qū)移動(dòng)速度,擴(kuò)散層厚度,擴(kuò)散系數(shù),Keff介于ko與1之間， 電磁攪拌或高頻電磁場的攪動(dòng)作用，使擴(kuò)散加速， 變薄，使keff與Ko接近，分

5、凝的效果也越顯著 凝固速 度 f 越慢，keff與Ko接近，分凝的效果也越顯著,2-2 區(qū)熔原理,2-2-1正常凝固 材料錠條全部熔化后,使其從一端向另一端逐漸凝固,這樣的凝固方式叫正常凝固,正常凝固過程中存在分凝現(xiàn)象,所以錠條中雜質(zhì)分布不均勻,1) K0 1 提純時(shí)雜質(zhì)向尾部集中 (2) K0 1 提純時(shí)雜質(zhì)向頭部集中 (3) K0 = 1 分布狀態(tài)不變,不能用于去除雜質(zhì),正常凝固固相雜質(zhì)濃度CS沿錠長的分布公式,Cs=KC0(1-g)k-1,C0:材料凝固前的雜質(zhì)濃度,K,分凝系數(shù).不同雜質(zhì)的不同K值可以通過查表得出,雜質(zhì)分布規(guī)律:圖2-6,K1時(shí) 分布曲線接近水平,即雜質(zhì)濃度沿錠長變化不

6、大. K與1相差較大時(shí)(小于0.1或大于3) 雜質(zhì)濃度隨錠長變化較快,雜質(zhì)向錠的一端集中,提純效果好. (正常凝固有一定的提純作用) 雜質(zhì)濃度過大, 半導(dǎo)體材料與雜質(zhì)形成合金狀態(tài),分布公式不成立,分布不再服從正常凝固定律。,正常凝固法的缺點(diǎn) K小于1的雜質(zhì)在錠尾，K大于1的雜質(zhì)在錠頭，多次提純，每次頭尾去除，造成材料的浪費(fèi)且效率低,區(qū)熔提純: 它是把材料的一小部分熔化, 并使熔區(qū)從錠條的一端移到另一端,解決辦法,2-2-2一次區(qū)熔提純,一次區(qū)熔提純時(shí)，錠中的雜質(zhì)分布情況， CS=C01-(1-K) e-Kx/l C0:錠條的原始雜質(zhì)濃度 X:已區(qū)熔部分長度 K:分凝系數(shù) L:熔區(qū)長度,一次區(qū)熔

7、提純與正常凝固的效果比較,單就一次提純的效果而言，正常凝固的效果好(怎么看?) l越大，Cs越小, 即熔區(qū)越寬，一次區(qū)熔提純的效果越好 對于最后一個(gè)熔區(qū),屬于正常凝固,不服從一次區(qū)熔規(guī)律,2-2-3多次區(qū)熔與極限分布,一次區(qū)熔后,材料的純度仍然達(dá)不到半導(dǎo)體器件的純度要求,所以要進(jìn)行多次區(qū)熔,使得各種雜質(zhì)盡可能的趕到錠條的兩頭,極限分布,經(jīng)過多次區(qū)熔提純后,雜質(zhì)分布狀態(tài)達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定且不再改變的狀態(tài),這種極限狀態(tài)叫極限分布,也叫最終分布,CS(x)=AeBx K=Bl/(eBl-1) A=C0BL/(eBL-1) CS(x):極限分布時(shí)在x處固相中雜質(zhì)濃度 K:分凝系數(shù), l:熔區(qū)長度 X:錠

8、的任何位置 C0:初始雜質(zhì)濃度 L:材料的錠長度 若知道KB A CS(x,達(dá)到極限分布時(shí)雜質(zhì)在錠中分布的關(guān)系式,多次區(qū)熔規(guī)律: (圖2-10,2-11,K越小, 兩頭雜質(zhì)濃度越小,即Cs(x)越小 l越小 Cs(x)越小,K越小,l越小,區(qū)熔提純效果越好,影響雜質(zhì)濃度極限分布的主要因素是雜質(zhì)的分凝系數(shù)和熔區(qū)長度,2-2-4影響區(qū)熔提純的因素,1.熔區(qū)長度 (1)一次區(qū)熔時(shí) Cs=C01-(1-K)e-kx/l l 大,Cs 小提純效果好 l越大越好 (2)極限分布時(shí)(K一定) l 大,B 小A 大Cs(x) 大提純效果差 l越小越好,一次區(qū)熔的效果，l 越大越好 極限分布時(shí)，l越小，A越小，

9、B越大，錠頭雜質(zhì)濃度 越低，純度越高 應(yīng)用：前幾次用寬熔區(qū)，后幾次用窄熔區(qū),2.熔區(qū)的移動(dòng)速度 BPS公式,f越小，keff越接近k0，提純效果好, 區(qū)熔次數(shù)少, 但是過低 的f使得生產(chǎn)效率低 過快的f使得提純效果差, 區(qū)熔次數(shù)增多,f與區(qū)熔次數(shù)產(chǎn)生矛盾? 如何解決,對策：用盡量少的區(qū)熔次數(shù)和盡量快的區(qū)熔速度來區(qū)熔,即 使n/(f/D)最小 實(shí)際操作中的對策: 實(shí)際區(qū)熔速度的操作規(guī)劃是選f/D近似于1,3.區(qū)熔次數(shù)的選擇,區(qū)熔次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 n=(11.5)L/l n:區(qū)熔次數(shù) L:錠長 l:熔區(qū)長度 20次左右最好,4.質(zhì)量輸運(yùn)(質(zhì)量遷移,現(xiàn)象：一頭增粗，一頭變細(xì) 原因：熔體與固體的密度不同

10、， 對策：在水平區(qū)熔時(shí)，將錠料傾斜一個(gè)角度，(經(jīng)驗(yàn)表明，3-5度）以重力作用消除輸運(yùn)效應(yīng),2-3鍺、硅的區(qū)熔提純,區(qū)熔法晶體生長 crystal growth by zone melting method 利用多晶錠分區(qū)熔化和結(jié)晶來生長單晶體的方法。將棒狀多晶錠熔化一窄區(qū),其余部分保持固態(tài),然后使這一熔區(qū)沿錠的長度方向移動(dòng)，使整個(gè)晶錠的其余部分依次熔化后又結(jié)晶,在頭部放置一小塊單晶即籽晶(seed crystal)，并在籽晶和原料晶錠相連區(qū)域建立熔區(qū)，移動(dòng)晶錠或加熱器使熔區(qū)朝晶錠長度方向不斷移動(dòng)，使單晶不斷長大。 分類: 水平區(qū)熔 懸浮區(qū)熔,鍺的水平區(qū)熔法,Ge中所含的雜質(zhì) K大于1，B K小

11、于1，Ni, Fe, Cu, Mn, As 提純裝置(34頁) 提純步驟 根據(jù)提純要求確定熔區(qū)長度、區(qū)熔速度和次數(shù) 清洗石墨舟、石英管、鍺錠 將舟裝入石英管、通氫氣或抽真空，排氣 熔區(qū)的產(chǎn)生：電阻加熱爐，高頻線圈(附加電磁攪拌作用) 區(qū)熔若干次,硅的懸浮區(qū)熔提純,采用懸浮區(qū)熔的原因： 高溫下硅很活潑,易反應(yīng)， 懸浮區(qū)熔可使之不與任何材料接觸； 利用熔硅表面張力大 而密度小的特點(diǎn)，可使熔區(qū)懸浮,1.什么是分凝現(xiàn)象？平衡分凝系數(shù)？有效分凝系數(shù)？ 2.寫出BPS公式及各個(gè)物理量的含義，并討論影響分凝系數(shù)的因素。 3.分別寫出正常凝固過程、一次區(qū)熔過程錠條中 雜質(zhì)濃度Cs公式,并說明各個(gè)物理量的含義。

12、 4.說明為什么實(shí)際區(qū)熔時(shí)，最初幾次要選擇大熔 區(qū)后幾次用小熔區(qū)的工藝條件,答案,1.分凝現(xiàn)象：含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)再結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度不同，這種現(xiàn)象叫分凝現(xiàn)象。 平衡分凝系數(shù)： 固液兩相達(dá)到平衡時(shí)，固相中的雜質(zhì)濃度和液相中的雜質(zhì)濃度是不同的，把它們的比值稱為平衡分凝系數(shù)，用K0表示。 K0Cs/CL 有效分凝系數(shù)：為了描述界面處薄層中雜質(zhì)濃度偏離固相對固相中雜質(zhì)濃度的影響，通常把固相雜質(zhì)濃度Cs與熔體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度CL0的比值定義為有效分凝系數(shù)Keff KeffCs/ CL0,2.f 遠(yuǎn)大于D/時(shí), fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中雜質(zhì)濃度差不多.分凝效果不明顯。 f 遠(yuǎn)小于D/時(shí), fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明顯,平衡分凝系數(shù),固液交界面移動(dòng)速度 即熔區(qū)移動(dòng)速度,擴(kuò)散層厚度,擴(kuò)散系數(shù),3. 正常凝固過程： Cs=KC0(1-g)k-1 C0:材料凝固前的雜質(zhì)濃度 K,分凝系數(shù).不同雜質(zhì)的不同K值可以通