CS270289B1 - Způsob výroby monokrystalů arzenidu galitého dotovaného křemíkem - Google Patents

Abstract

Způsob výroby monokrystalů arzsnidu galitého dotovaného křemíkem v horizontální křemenné lodičce řeái problém odstraňováni strusek z taveniny a tim dosaženi vyšši výtěžnosti monokrystalického růstu. Polykrystal syntetizovaný a vyrobený z galia a arzénu se dotuje křemíkem o 50 až 200 % vyšši koncentraci než má být požadované koncentrace křemíku v připravovaném monokrystalu. Povrch tohoto polykrystalu se mechanicky očisti od vyplavené vrstvy strusek, polykrystal se rozdrti a odstraní se Jeho nestechiometrická koncové část. Zužitkovatelná část se chemicky očisti a pomoci zárodečného krystalu se provede krystalizace roztavené vsázky v požadovaném krystalografickém směru. Řešeni je využitelné při výrobě monokrystalů arzenidu galitého pro podložky, které pak slouži k vý- , robě polovodičových ■ >'oelektronických mikrovlnných součástek a integrovaných obvodů

Description

Vynález se týká způsobu výroby monokrystalů arzenidu galitého dotovaného křemíkem v horizontální křemenné lodičce, určených pro výrobu monokrystalických podložek polovodičových součástek.

lil v ' □e známo, že monokrystaly látek A B připravované z taveniny a dotované různými příměsemi tvoří velmi nákladný základní materiál. Krystalizace objemových monokrystalů látek z taveniny, například arzenidu galitého, se často provádí v horizontální křemenné lodičce tvaru zhruba půlválce Bridgmanovou horizontální metodou, nebo metodou pohyblivého gradientu známého pod názvem gradient freeze.

Z řady příměsi používaných k dotaci se pro fyzikální vlastnosti nejčastěji používá křemík, a to jak pro přípravu krystalů silně dotovaných, tak i pro připravu vysoce čistého materiálu.

Technologický postup výroby monokrystalů se skládá ze dvou základních operací, sice ze syntézy příslušné látky z prvků třetí a páté skupiny periodické soustavy, například arzenidu galitého z galia a arzénu, a návazné krystalizace monokrystalu. Tyto operace lze provádět bu3 v Jednom technologickém cyklu, nebo ve dvou oddělených cyklech. V prvém případě se přidává dotační příměs k základním surovinám, v případě arzenidu galitého ke galiu. V druhém případě se nejprve provede syntéza a zrychlenou krystalizací se vytvoří polokrystal. Oopant se přidá obvykla v dalším cyklu k polykrystalu, vsázka se roztaví a následnou krystalizací, většinou pomoci zárodečného krystalu, se vytvoří monokrystal.

Nedostatkem dosavadního stavu, který podstatně ovlivňuje výtěžnost monokrystalického růstu. Je výskyt drobných nerozpustných částic, to je strusak v tavenině. Strusky při krystalizací taveniny vytvářejí nukleační centra, a způsobují tak vznik polykrystalu/který se ve většině případů nehodí k výrobě polovodičových součástek. Jejich původ může být v nedostatečné čistotě výchozích surovin, případně povrchu použitého křemenného skla, to Je lodičky a ampule, nebo i v chemických reakcích mezi taveninou a lodičkou, ale také, jak bylo například zjištěno u arzenidu galitého, v použití volného křemíku Jako dotační příměsi. Tato skutečnost byla ověřena nepatrným výskytem strusek v případě, kdy tavenina nebyla vůbec dotována, nebo byla dotována telurem. Spektrální analýzou a elektronovou mikroanalýzou bylo zjištěno, že hlavni složkou strusek Je skutečně křemík. Lze přepokládat, že příčinou strusek Je oxidace křemíkového dopantu. Je totiž známo, že volný křemík za teplot vyšších než 900 °C velmi snadno oxiduje v přítomnosti kyslíku a vodní páry. Stopy kyslíku a vodní páry lze velmi obtížně z technologického proceeu vyloučit, protože například u arzenidu galitého Je povrch samotného polykrystalu pokryt tenkou vrstvou oxidů. Podobně i stopy vodních par usazených na povrchu křemenného skla, které se užívá v technologickém procesu, se obtížně odstraňuji. Vzniklé oxidy křemíku se v tavenině nerozpouštějí a vytvářejí nerozpuetné strusky.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby monokrystalů arzenidu galitého dotovaného křemíkem podle vynálezu, prováděný v horizontálni křemenné lodičce ve dvou technologických cyklech bu3 horizontální Bridgmanovou metodou, nebo metodou pohyblivého gradientu, případně kombinací těchto metod. Podstata vynálezu spočívá v tom, že v prvním technologickém cyklu vyrobený polykrystal arzenidu galitého se dotuje křemíkem o 50 až 200 % vyšší koncentraci, než má být v připravovaném monokrystalu. V druhém technologickém cyklu se povrch křemíkem dotovaného polykrystalu mechanicky očisti od vyplavené vrstvy strusek, odstraní se Jeho nestechiometrická koncová část. Zužitkovatelná část se dále chemicky očisti a pomocí zárodečného krystalu se provede krystalizace roztavené vsázky v požadovaném krystalografickém směru.

Vyšší technický účinek způsobu výroby monokrystalů arzenidu galitého dotovaného křemíkem v horizontální křemenná lodičce podle vynálezu epočívá v tom, že použitým dvoucyklovým technologickým postupem lze poměrně Jednoduše a spolehlivě omezit vznik strusek snižujících výtěžnost monokrystalů. Pro vyřešeni daného problému bylo účelně využito známého technologického postupu, přičemž pro dosaženi vyššího účinku, to je zvýšené

CS 270 289 Bl .

výtěžnosti monokrystalického růstu z dosavadních cca 50 % na dosahovaných 70 % bylo úspěšně využito změny sledu určitých kroků technologického postupu. Oproti známému stavu techniky je přitom významnou skutečnosti, že polykrystal syntetizovaný a vyrobený v horizontální peci se dotuje křemíkem o 50 až 200 % vyšší koncentraci, než má být požadovaná koncentrace křemiku v připravovaném monokrystalu.

Z ekonomického hlediska je dosahováno vyššího účinku značnou úsporou základních, velmi drahých materiálů, především arzénu, galia a křemenného skla, jakož i úsporou pracovní kapacity dosahovanou v době nepřesahující dosavadní časovou náročnost celkového pracovního postupu.

Způsob výroby monokrystalů arzenidu galitého dotovaného křemíkem v horizontální křemenné lodičce připraveného metodou pohyblivého gradientu bude blíže popsán v příkladovém provedení.

^Ά Do křemenné lodičky o vnitřním průměru cca 50 mm a délce cca 270 mm, jejíž povrch byl zdrsněn pískováním korundovým piskem a chemicky očištěn, se naleje 580 g roztavené_x ho galia čistoty 6 N. Oo roztaveného galia se přidá 0,212 g elementárního křemiku čistoty minimálně 6 N, který slouží k dotaci vsázky, aby bylo na počátku krystalu dosaženo 18 3 koncentrace dotační příměsi cca 2.10^x cm . Lodička se vloží do křemenné ampule na opačný konec, než je umístěno stechiometrickému poměru odpovidajicí množství arzénu čistoty 6 N, to je 623 g, zvětšené o 3 až 6 g. Po evakuování ampule a jejím zatavení se provede syntéza v horizontální peci vhodné pro růst arzenidu galitého metodou pohyblivého gradientu. Touto syntézou se získá asi 1 200 g polykrystalického arzenidu galitého. dotovaného křemíkem. Polykrystal je pokryt na povrch vyplavenou vrstvou strusek. Kromě toho v důsledku segregace příměsí koncová část polykrystalu obsahuje vysoké množství těchto příměsi, z nichž některé jsou nežádoucí. Zároveň v důsledku tvaru růstového rozhraní, kdy tuhnuti v krystalu na jeho konci probíhá tak, že zatuhne nejprve volný povrch a pak objem pod povrchem, není zachován správný stechiometrický poměr mezi galiem a arzénem, o nějž je koncová část polykrystalu ochuzena. . .....

V druhém technologickém cyklu se polykrystal přetváří na monokrystal. Mechanicky se odstraní, nejlépe pískováním, strusky z povrchu polykrystalu, dále se po rozdrcení polykrystalu odstraní jeho nastechiometrická koncová část, která obsahuje zvýšené množství nežádoucích příměsí a která je ochuzena o arzén. Použitelné zlomky se chemicky očistí. Při této operaci se hmotnost polykrystalu zmenší o 5 až 20 %. Oelikož distribuční koeficient křemíku je menši než 1, odstraní se s koncovou části polykrystalu zároveň i určité množství této dotační příměsi. S ohledem na hmotnostní úbytek polykrystalu Je proto nutno dotovat polykrystal již ve fázi syntézy o 50 až 200 % vyšší koncentraci, aby bylo dosaženo požadované koncentrace křemíku v připravovaném monokrystalu. Pak se polykrystalická křemíkem dotovaná vsázka o hmotnosti cca 1 100 g vloží do křemenné lodičky, jejíž rozměry a povrchová úprava jsou stejné, jak je uvedeno při popisu syntézy arzenidu galitého. Růst monokrystalu je iniciován podél osy lodičky zárodečným krystalem arzenidu galitého orientace (III). Lodička se vsázkou se opět vloží do křemenné ampule, na jejímž opačném konci je uloženo 3 až 6 g arzénu čistoty 6 N, a po evakuování se ampule zataví.

* Takto připravená vsázka se vloží do horizontální pece, v niž gradient teploty podél lodičky je mezi 1 až 3 °C/cm, přičemž část lodičky se zárodečným krystalem je v oblasti F teploty o 2 až 3 °C nižší, než je bod tání arzenidu galitého. Směrová krystalizace roztavené vsázky v požadovaném krystalografickém směru se provádí rychlosti 3 až 7 mm/hod. Po ukončené krystalizaci a definovaném zchlazeni ampule na pokojovou teplotu se vyjmutý krystal dále zpracovává na monokrystalické podložky.

Krystaly vyrobené uvedeným způsobem jsou z 60 až 100 % monokrystaly. Při tomto způsobu výroby krystalů z křemíkem již předem dotovaného polykrystalu se dosahuje minimálně 70 % výtěžnosti monokrystalů oproti cca 50 % výtěžnosti dosahované dosavadním způsobem, kdy se elementární křemík přidává až k polykrystalickému arzenidu galitému.

CS 270 289 Bl

Popsané řešeni je využitelné při výrobě krystalů pro polovodičové monokrystalické podložky, zejména z arzenldu galitého, které slouží k výrobě polovodičových optoelektronických a mikrovlnných součástek a integrovaných obvodů.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob výroby monokrystalů arzenldu galitého dotovaného křemíkem v horizontální křemenné lodičce, prováděný ve dvou technologických cyklech buď horizontální Bridgmanovou metodou, nebo metodou pohyblivého gradientu, případně kombinaci těchto metod, vyznačený tím, že v prvním technologickém cyklu vyrobený polykrystal arzenldu galitého se dotuje křemíkem o 50 až 200 % vyšši koncentraci, než má být v připravovaném monokrystalu, načež v druhém technologickém cyklu se povrch křemíkem dotovaného polykrystalu mechanicky očistí od vyplavené vrstvy strusek, odstraní se jeho nestechiometrická koncová část, zužitkovatelná část se dále chemicky očisti a pomoci zárodečného krystalu se provede krystalizace roztavené vsázky v požadovaném krystalografickém směru.