Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия). Электрические, магнитные, оптические, акустические, м еханические и др. свойства монокристалла связаны между собой и обусловлены кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов.
Монокристаллы для полупроводниковой промышленности (кремний, германий, рубин, гранаты, фосфид и арсенид галлия, ниобат лития и др.) изготавливаются, как правило, методом Чохральского путем вытягивания из расплава с помощью затравки. На рис. 3 приведена схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского. Тигель с расплавом 1 размещается в печи 2. Затравка 3, охлаждаемая холодильником 4, медленно поднимается под действием механизма вытягивания 5, увлекая за собой монокристалл полупроводникового материала. Монокристалл растет на затравке со скоростью до 80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами поверхностного натяжения. Температуру расплава и скорость кристаллизации можно изменять независимо. Отсутствие прямого контакта растущего монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы позволяет получать бездислокационные монокристаллы. Можно вырастить (вытянуть) из расплава слиток, кристалл кремния с удельным сопротивлением до 250 Ом·см, длиной до 2 м и величиной диаметра до 200 мм. Кристаллографическая ориентация поперечного сечения слитка задается кристаллографической ориентацией затравки. Часто используются слитки с поперечным сечением, которое лежит в плоскости <111> или <100>. Для получения слитков кремния с заданной величиной удельного сопротивления и р- или n- типа проводимости в расплав вводят примесь в виде определенного количества сильно легированных гранул кремния.
Получение монокристаллического кремния методом бестигельной зонной плавки
В методе бестигельной зонной плавки исключен контакт расплава кремния с тиглем, что позволяет получать монокристаллические слитки значительно более чистые, чем выращенные методом Чохральского. Схема установки, в которой реализован метод бестигельной зонной плавки, представлена на рис. 2.2. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – исходный поликристаллический слиток кремний; 2 – зона расплава; 3 – монокристаллический кремний; 4 – кристалл-затравка; 5 – держатель слитка.
Суть метода заключается в следующем. Отливка в форме стержня из поликристаллического кремния прикрепляется одним концом к затравочному кристаллу с нужной кристаллографической ориентацией. Область контакта стержня с кристаллом-затравкой разогревается до плавления с помощью СВЧ-индуктора или электронным лучом, после чего узкая зона расплава перемещается по стержню к противоположному концу, оставляя за собой монокристаллический кремний. Вследствие явления сегрегации примеси вместе с зоной расплава перемещается и значительная доля примесных атомов. Перемещая зону расплава по всему слитку несколько раз, можно добиться того, что большая часть примесных атомов будет скапливаться вблизи торцов слитка. Эти области отрезаются и в результате получается монокристаллический слиток с малым содержанием примесных атомов.
Метод не свободен от недостатков. В частности, в нем может быть значительной концентрация дислокаций, поскольку вокруг расплавленной зоны возникают механические напряжения. Есть проблемы выращивания слитков большого диаметра. Удельное сопротивление слитков кремния, выращенных методом Чохральского, редко превышает величину 25 Ом×см вследствие загрязнения слитка неконтролируемыми примесными атомами (в первую очередь кислородом). Удельное сопротивление кристаллов, выращенных методом бестигельной зонной плавки, может изменяться в широких пределах, достигая величины 200 Ом×см. При выращивании в вакууме можно получить кристаллы с очень высоким удельным сопротивлением — до 30 000 Ом×см.
Метод безтигельной зонной плавки используется для изготовления пластин и высокоомных монокристаллических слитков с удельным сопротивлением до 2000 Омсм.
Промышленность выпускает несколько групп марок монокристаллического кремния: для силовых полупроводниковых приборов, общего назначения (пятнадцать групп, которые различаются типом проводимости, удельным сопротивлением и его неравномерностью по длине слитка), для осаждения эпитаксиальных слоёв и др.
Получаемые методом Чохральского монокристаллы имеют форму цилиндра длиной до 1 метра и более и диаметром 20…300 мм.
Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного размера с точностью ± 1 мм. Затем производится травление его поверхности на глубину 0,3…0,5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для Si, например, чаще всего по оси <111>), чтобы получить после разрезки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине приборов методом диффузии, эпитаксии и др.