КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 376-381
РОСТ ^^^^^^^^^^^^^^ КРИСТАЛЛОВ
УДК 669.7675
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА РОСТ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ1
© 2004 г. Г. Н. Кожемякин
Восточно-Украинский национальный университет, Луганск E-mail: gkozh@snu.edu.ua Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Исследовано влияние ультразвука на слоистость в монокристаллах InSb, GaAs и сплавов Bi-Sb, выращенных модифицированным методом Чохральского. Ультразвуковые волны с частотой от 0.15 до 10 МГц вводили в расплав параллельно направлению вытягивания. Установлено, что в монокристаллах, вытянутых в ультразвуковом поле, значительно уменьшается слоистость. Модифицированным методом жидкофазной эпитаксии выращены эпитаксиальные слои GaAs при воздействии ультразвука c частотой 3 МГц. Изучено влияние ультразвука на изменение морфологии поверхности роста эпитаксиальных слоев с помощью установки, позволяющей наблюдать процесс роста под микроскопом в инфракрасной области спектра. Обнаружена зависимость влияния ультразвуковых волн на рост макроступеней. Методом "светового ножа" исследовано влияние ультразвука с частотой 1 МГц на конвективные течения и формирование стоячих волн в дистиллированной воде при различных условиях: изменении градиента температуры, скорости вращения диска и высоты жидкости.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что внешние поля эффективно влияют на процессы массопереноса в расплавах при выращивании монокристаллов полупроводников и уменьшение неоднородности компонентов в них. Одним из перспективных способов, позволяющим снизить слоистость, является выращивание кристаллов в магнитном и электромагнитном полях [1-3]. При изучении кристаллизации воды и некоторых диэлектриков было установлено, что кристаллизация сопровождается появлением широкополосного (от 10 Гц до МГц) электромагнитного и синхронного с ним акустического излучений [4]. Это указывает на тесную связь электромагнитных и акустических процессов в кристаллизующейся среде, а также на перспективность использования ультразвука для выращивания монокристаллов полупроводников.
Влияние ультразвука с частотой 10 кГц на неоднородность компонентов при выращивании монокристаллов ¡пБЬ и 1пхва1 _ -^Ь методом Чохральского подробно были изучены Я. Хаякавой и др. [5-7]. Установлено, что ультразвук мощностью до 30 Вт устраняет "эффект грани" в кристаллах ¡пБЬ, вытянутых в направлении (111). Однако полностью слои в этих кристаллах не исчезают даже при воздействии на расплав ультразвука мощностью до 120 Вт.
В нашей лаборатории в течение 20 лет проводились экспериментальные исследования по изу-
1 Работа была представлена на Национальной конференции
по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
чению влияния ультразвука с частотой до 10 МГц на уменьшение слоистости при выращивании монокристаллов полупроводниковых материалов [8-11]. Однако механизм воздействия ультразвука на слоистость не был подтвержден экспериментально.
Целью настоящей работы является представление результатов исследования выращивания в ультразвуковом поле монокристаллов полупроводниковых материалов методом Чохральского и эпитаксиальных слоев методом жидкофазной эпитаксии, а также моделирование влияния ультразвука на конвекцию в жидкостях.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для введения ультразвука в расплав был разработан модифицированный метод Чохральского, позволяющий передавать ультразвуковые волны в расплаве параллельно направлению вытягивания от дна тигля к границе раздела фаз [12]. Монокристаллы ¡пБЬ, легированные теллуром до 10_3 ат. %, вытягивали в направлении (111). Монокристаллы сплава висмут-сурьма (5 ат. %) выращивали на монокристаллическую затравку, плоскость (111) в которой составляла угол 10° с направлением вытягивания. Монокристаллы этих материалов диаметром до 10 мм выращивали из расплавов массой до 150 г в среде аргона высокой чистоты при избыточном давлении 0.4 атм. Скорость вытягивания кристаллов составляла 0.05 мм/мин при их вращении до 10 об/мин. Тигель с расплавом при этом не вращался. В качест-
ве исходных материалов использовали 1п, Ы, БЪ, ва, особой чистоты (99.9999 мас. %). Ультразвук с частотой 0.15, 0.25, 0.6, 1.2, 2.5, 5 и 10 МГц вводили в расплав от пьезопреобразователя через кварцевый волновод диаметром 10 и длиной 300 мм, вваренный в дно кварцевого тигля диаметром 40 и высотой 30 мм. Монокристаллы ваАв диаметром 50 мм, легированные хромом до 1016 см-3, были вытянуты из расплава массой 1.5 кг с использованием флюса В203 во ВНИИМЭТ В.Г. Косушкиным и С.Ю. Курочки-ным. Вытягивание монокристаллов осуществляли со скоростью 0.17 мм/мин при вращении кристалла со скоростью 5 об/мин и кварцевого тигля с расплавом со скоростью 18 об/мин в противоположных направлениях. Ультразвуковые колебания с частотой 150 кГц вводили через дно кварцевого тигля диаметром 90 мм посредством сочлененного с ним графитового волновода диаметром 30 мм, к нижней части которого крепили пьезопре-образователь. Графитовый волновод фиксировали в специальном устройстве, позволяющем при его вращении подавать электрический сигнал на пьезопреобразователь от ультразвукового генератора.
Выращенные монокристаллы разрезали параллельно направлению роста. Разрезанные поверхности шлифовали, полировали и травили в селективных травителях для выявления полос роста, наблюдение которых осуществляли под оптическим и электронным микроскопом Капо-1аЪ-2100. Каждый исследованный монокристалл имел области, вытянутые с воздействием на расплав ультразвука и без него.
Влияние ультразвука с частотой 3 МГц на процесс роста эпитаксиальных слоев ваАв из расплава ва модифицированным методом жидкофазной эпитаксии изучали совместно с Ю. Инатоми в Японском Институте космоса и космических наук. Установка для исследований состояла из ваку-умированной кварцевой ампулы с внутренним диметром 8 мм, внутри которой размещали графитовый тигель с внутренним диаметром 4 мм с приклеенной к нижней его части подложкой ваАв (рис. 1). В графитовый тигель помещали 1 г ва, внутрь которого вводили кварцевый волновод диаметром 3 мм с закрепленным на его противоположной стороне пьезопреобразователем. Нижнюю часть ампулы нагревали кольцеобразной лампой мощностью до 1 кВт. Процесс эпи-таксиального роста наблюдали на границе раздела фаз через дно ампулы с помощью цифровой инфракрасной видеокамеры. Характерные картины роста получали при помощи компьютерной обработки видеозаписей.
Конвекцию в дистиллированной воде с частицами А1 и А1203 исследовали методом "светового ножа" в условиях, подобных росту кристаллов по
Рис. 1. Схема установки эпитаксиального роста: 1 -подложка ОаАз, 2 - раствор Оа, 3 - кварцевая ампула, 4 - графитовый тигель; 5 - кварцевый волновод, 6 -кольцо из ВК, 7 - пьезопреобразователь, 8 - кварцевое стекло, 9 - объектив инфракрасной цифровой видеокамеры.
Рис. 2. Области роста монокристалла 1пБЪ, выращенного при воздействии ультразвука с частотой 0.6 МГц: а - вытянутый монокристалл, б - область периферии "грани", в - область начала воздействия ультразвука, г - область роста с воздействием ультразвука.
8
1
9
(г) (д)
Рис. 3. Распределение Аз в монокристалле ОаАз, выращенном без и при воздействии ультразвука с частотой 0.15 МГц: а - вытянутый монокристалл, б - область роста без ультразвука, в, г, д - области роста в различных областях монокристалла с воздействием ультразвука.
Чохральскому. Размеры тигля, выполненного из нержавеющей стали, и диаметр алюминиевого диска, имитирующего вытягиваемый монокристалл, в 5 раз превышали размеры тиглей для расплавов и диаметры вытягиваемых из них монокристаллов ¡пБЬ и сплавов Ы-БЬ. Картины конвективных течений при воздействии ультразвука изучали с помощью цифровой видеокамеры и компьютерной обработки видеозаписей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В монокристаллах ¡пБЬ наблюдались слои Те, параллельные фронту кристаллизации с расстояниями между ними до 250 мкм. Ширина полос в области грани достигала 15 мкм. После введения ультразвука в расплав в выращенных монокристаллах не было обнаружено слоев в области "грани" (рис. 2). Однако более мелкие слои не удавалось устранить с помощью ультразвука. Подобные результаты наблюдались в монокристаллах ¡пБЬ, выращенных с частотой ультразвука от 0.25 до 10 МГц.
Выявленные слои, обогащенные БЬ, в монокристаллах твердых растворов Ы-БЬ располагались неравномерно во всем объеме, а концентрировались в ограниченных областях и ориентировались в них параллельно или под углом 60° к фронту кристаллизации. Расстояние между ними составляло от 7 до 400 мкм. Воздействие ультразвука полностью устраняло слои БЬ в монокристаллах сплавов постоянного диаметра. В монокристаллах сплавов Ы-БЬ, начальная часть которых была вытянута с ультразвуком, наблюдалось явление его "последействия". Оно состояло в том, что после выключения ультразвука кристаллы постоянного диаметра росли без слоев в течение 2-2.5 ч. Изменение диаметра растущего монокристалла сплава сопровождалось образованием слоев БЬ. Вероятно, это обусловлено изменением тепловых условий расплава, изменяющих характер конвективных течений.
Распределение Аз было изучено в монокристаллах ваАв, вытянутых при воздействии ультразвука с частотой 0.15 МГц. Слои, обогащенные Аз, в исследованных монокристаллах были па-
Рис. 4. Фотографии слоев ОаАв, выращенных при воздействии ультразвука с частотой 3 МГц: а - слои, выращенные без воздействия ультразвука; б - рост слоя с плоской границей раздела фаз в ультразвуковом поле; в - рост с вогнутой границей раздела фаз и воздействием ультразвука; г - слой, выращенный с плоской границей раздела фаз в ультразвуковом поле; д - слои, выращенные с плоской границей раздела фаз при периодическом включении и выключении ультразвука.
■ ы
(а)
J10 мкм
I_I
(б)
100 мкм (в)
100 мкм
I_I
(г)
■т ¡¿г >
• I, -С-'-'
< * ^ . — О Ъ «
% V- • • '
Ж й л / ... ,
^ л ,
" 10_мкм (д)
25 мкм
I_I
раллельны фронту кристаллизации с расстояниями между ними до 140 мкм. На рис. 3 показано распределение Ав в объеме монокристалла ваАв. В ультразвуковом поле снижение неоднородности распределения Ав наблюдается только в области роста с по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.