Fizyka i technologia wzrostu kryształów

Transkrypt

1 Fizyka i technologia wzrostu kryształów Wykład 11. Wzrost kryształów objętościowych z fazy roztopionej (roztopu) Tomasz Słupiński Tomasz.Slupinski@fuw.edu.pl Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 zytkie@ifpan.edu.pl Wykład 2 godz./tydzień czwartek

2 WZROST KRYSZTAŁÓW OBJĘTOŚCIOWYCH Z FAZY ROZTOPIONEJ (ROZTOPU) Tomasz Słupiński Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, Zakład Fizyki Ciała Stałego (Pracownia Fizyki Wzrostu Kryształów) tomslu@fuw.edu.pl Wykład w PTWK, marzec 2006

3 PLAN 1. Termodynamika punkt kongruentny 2. Metoda Czochralskiego 3. Metoda topienia strefowego (Float Zone) 4. Metoda Bridgmana i in. (HB, VB, VGF) 5. Transport ciepła 6. Domieszkowanie; prążki wzrostu (ale o tym już w przyszłym tygodniu)

4 Termodynamika Faza roztopiona (roztop) - ciecz o tym samym składzie chemicznym, co kryształ Wzrost kryształu z roztopu przemiana fazowa ciecz-ciało stałe bez zmiany składu chemicznego (nie licząc domieszek <~0.1 % at.) Równowagi fazowe rozstrzygają o możliwości wzrostu kryształu z roztopu (wykresy fazowe)

5 Przykład: diamenty? - nie można hodować diamentów z roztopu (niestety)

6 Warunek konieczny, aby można było hodować kryształ z roztopu: Występowanie punktu równowagi termodynamicznej pomiędzy fazą ciekłą i fazą stałą przy tych samych składach chemicznych obu faz = = istnienie tzw. punktu kongruentnego na wykresie fazowym T-x (temperatura skład) przy pewnych warunkach ciśnienia (np. p = const)

7 Kontr-przykład: SiC

8 Kontr-przykład 2: SiO 2 w str. α-kwarcu War. konieczny nr 2 dla wzrostu z roztopu: - brak przejść fazowych 1-go rodzaju poniżej temperatury topnienia (więcej na wykładzie o wzroście kryszt. objętościowych z roztworów = next week)

9 Kontr-przykład 3 : Si 1-x Ge x Metodami z roztopu można tu hodować tylko Ge oraz Si (więcej next week)

10 GaAs, InP, GaP - czyli przykład pozytywny inny niż Ge lub Si

11 GaAs - szczegóły

12 Jakie monokryształy i po co? - ELEKTRONIKA i OPTOELEKTRONIKA : Si, (długo, długo nic innego niż Si) GaAs, InP, Ge (renesans Ge!!!), Al 2 O 3, GaSb, InSb, [ SiC ] - DETEKTORY promieniowania: Si, Ge, CdTe, metale (det. cząstek) - przyrządy z falą powierzchniową: LiNbO 3 - piezoelektryk, - rezonatory: [SiO 2 ] - materiały do laserów: Al 2 O 3, YAG - optyka nieliniowa: LiNbO 3 [ADP, KDP] - materiały twarde: Al 2 O 3, [ C ] - itd.. (nawias [ ] ozn. wzrost nie z roztopu)

13 źródło: C. Brice (1986)

14 źródło: C. Brice (1986)

15 Wnioski 1: 1. Metody z roztopu produkują szybko duże objętości monokryształów w rel. niskiej cenie por. do innych metod 2. Podłoża wycinane z kryształów służą jako wzorce struktury krystalicznej do osadzania warstw epitaksjalnych (warstwy epi dają funkcjonalność np. przyrządu półprzewodnikowego) 3. W elektronice niezbędne są monokryształy, bo w polikryształach nie udaje się dostatecznie kontrolować np. przepływu prądu elektrycznego (Shockley, ~1948)

16 Przykład struktury epitaksjalnej 3-złączowe ogniwo słoneczne max. sprawność ~36% (ad. 2005) źródło: Spectrolab Inc.

17

18 Si state of art

19 90% światowej produkcji Si w 5 firmach tys. płytek Si /miesiąc Źródło: Cusack i in.; Penn St. U.

20 Metoda Czochralskiego T = const zarodek monokrystaliczny - wzrost kryształu bez kontaktu z tyglem (mniej defektów) - wiele parametrów technologicznych możliwych do kontroli (uniwersalność, ale wymaga doboru tych parametrów) faza ciekła tygiel elementy grzejne - wzrost i własności kryształu zależą od rozkładu temperatury w strefie wzrostu i chłodzenia kryształu - kontrola średnicy poprzez zmiany mocy grzania, ale trudny nieliniowy proces regulacji średnicy - prędkości liniowe wzrostu ~1 - ~100 mm/h

21 Propozycja idei wyciągania kryształu z fazy roztopionej: Jan Czochralski (prace w latach , badania monokryształów metali np. Sn, Zn, Cu w postaci drutów wyciagniętych z fazy roztopionej) Metoda znacznie rozwinęła się wraz z wynalezieniem i rozwojem tranzystora (Bell Laboratories, , pierwsze monokryształy Ge i Si: Teal, Little, Buehler) Wiele informacji o osobie J. Czochralskiego można znaleźć na stronach PTWK. T. Słupiński, Wydział Fizyki UW Wykład w PTWK,

22 Phys. Rev. 78 (1950) 637 Pierwsze doniesienie z Bell Labs dot. otrzymania monokryształów Ge użytych do konstrukcji pierwszego tranzystora. Teal i Little odwołują się do idei Czochralskiego wyciagania monokryształów, do której dodali ulepszenia konieczne dla kontrolowania własności półprzewodnikowych Ge.

23 Pierwsze kryształy wyciąganego Ge (Bell Labs) - raport historyczny w IEEE Trans. on Electr. Dev. ED-23 (1976) 621 Wyciagane monokrystaliczne druty Ge T. Słupiński, Wydział Fizyki UW Jedne z pierwszych złączy p-n otrzymane przez zmienne domieszkowanie przy wyciaganiu Ge Wykład w PTWK,

24 Schemat urządzenia do metody Czochralskiego dla Si Źródło obrazków: SUMCO

25 Etapy metody Cz. Źródło obrazków: SUMCO Kontakt zarodek-roztop Początek wyciagania: przewężenie zarodka, rozszerzanie

26 Etapy metody Cz. Wzrost części walcowej kryształu Monokryształy Si - widoczna krzywizna menisku (jasny pierścień)

27

28 Wzrost kryształu 29 Si met. Cz. Źródło: Abrosimov i in., Inst. of Crystal Growth, Berlin Cryst. Res Technol. 38, 654 (2003)

29 Szafir Al 2 O 3 met. Czochralskiego Wysoka temp. topnienia: 2050 o C grzanie indukcyjne tygiel: Ir, W, Mo atmosfera: Ar, N 2, próżnia prędkość liniowa wzrostu: 1-3 cm/h ITME, Warszawa

30 Metoda LEC do związów III-V rozkładających się poniżej temp. topnienia (GaAs, InAs, InP, GaP) metoda Liquid Encapsulated Czochralski (LEC); Metz, Miller, Mazelski (1962)

31 Urządzenie ciśnieniowe do techniki LEC w Warszawie laboratoria: ITME oraz Wydz. Fizyki UW zainteresowania badawcze w pracowni techniki Czochralskiego na Wydziale Fizyki UW: wysokie domieszkowanie GaAs, granica domieszkowania Wydział Fizyki UW

32 Technika wędrującej strefy Float Zone zalety dla Si: - niska zawartość tlenu jako nieintencjonalnej domieszki - łatwiejsze sterowanie średnicą kryształu niż w met. Cz.

33 Technika Float Zone źródło obrazków. T.F. Ciszek i in., NREL

34 Technika Float Zone źródło obrazków. T.F. Ciszek i in., NREL

35 Technika Float Zone źródło obrazków. T.F. Ciszek i in., NREL

36 Urządzenie do FZ Si Silicon. S.A. Warszawa

37 Techniki Bridgmana (HB, VB) Kryształ styka się z materiałem tygla lub łódki Łatwa automatyzacja procesu wzrostu Niewielkie możliwości kontroli parametrów wzrostu

38 Technika VGF (Vertical Gradient Freezing) źródło: Muller, Birkman; JCG (2002) Układ grzewczy o wielu niezależnie sterowanych grzejnikach pozwala precyzyjnie dobierać rozkład temperatur. Niewielkie gradienty T, małe naprężenia termiczne w krysztale. Wysoki stopień automatyzacji procesu. ALE: wiele zastrzeżeń patentowych (np. dla GaAs firmy AXT)

39 Transport ciepła κ liq T liq z + κ sol T z sol = L ρ sol V growth Κ przewodnictwo cieplne L ciepło przemiany V growth predkość wzrostu T z - gradienty temperatury Możliwość regulacji średnicy przez zmiany pr. wzrostu wykorzystywana głównie dla dużych średnic kryształów (gdy duża pojemność cieplna układu)

40 Wpływ konwekcji na rozkład temperatury Wpływ konwekcji na rozkład temperatur w roztopie silny dla: materiałów o dużej lepkości i małym przewodnictwie cieplnym (np. mat. tlenkowe, Pr - duże) słaby dla: mat. o dużym przewodnictwie cieplnym i małej lepkości (ciekłe metale; Si, Pr - małe) Liczba bezwymiarowa Prandtla: Pr = µ c P κ κ przewodn. cieplne c P ciepło właściwe µ - lepkość

41 Modelowanie numeryczne warunków wzrostu Si Modelowanie: - rozkładu temperatur - rozkładu naprężeń termicznych w krysztale - optymalnej izolacji cieplnej strefy wzrostu - kształtu granicy roztop-kryształ (front krystalizacji) - przepływów cieczy w tyglu źródło rysunków: Semiconductor Technology Research, Inc.

42 Modelowanie LEC źródło rysunków: Semiconductor Technology Research, Inc.

43 Zakończenie Przedstawiony przegląd niektórych metod wzrostu kryształów (gł. półprzewodników) z fazy roztopionej jest bardzo ogólny. Każda z technik wymaga wiele wiedzy i długiego gromadzonych doświadczeń przez zespoły technologiczne. Wykład ten daje jedynie przegląd z lotu ptaka. Autor wyraża podziękowanie PTWK za zaproszenie do przedstawienia niniejszego wykładu.

44