Способ определения угла роста нитевидных кристаллов полупроводников

 

Изобретение предназначено для определения основного параметра кристаллизации при выращивании нитевидных кристаллов (НК) угла роста. Это достигается тем, что в процессе выращивания создают начальный конусовидный участок пьедестала кристалла, а угол роста Θ_р определяют из формулы , где r₀ - начальный радиус пьедестала НК, r - конечный радиус пьедестала НК. 1 ил.

Изобретение относится к технологии получения и методам исследования полупроводниковых материалов, предназначено для определения основного параметра кристаллизации при выращивании нитевидных кристаллов (НК) - угол роста.

Известны способы определения углов роста важнейших полупроводниковых материалов - кремния, германия, антимонида, индия и др., выращенных методами Чохральского, Степанова, бестигельной зонной плавки и др., Шашков Ю.М., Мельников Е.В. //Журнал физической химии, 1965, т.39, с. 1364 [1], Антонов П.И. Рост кристаллов, -М.: Наука, 1965, N 6, с. 158 [2], Surek T., Chalmers B//J. Cryst. Growth - 1975, v 29, p. 1. [3], Сурек Т., Кориел С.Р., Чалмерс Б. Рост кристаллов. -М. : Наука, 1980, т. 13, с. 180 [4], Satunkin G.A., Tatarchenko V.A., Shaitanov V.I.//J. Cryst. Growth 1980, v 50, p. 133 [5], Сатункин Г. А. , Татарченко В.А. Расширенные тезисы 6-й Международной конференции по росту кристаллов. - М.: Наука, 1980, т. 2, с. 167 [6], а также способ определения контактного угла смачивания нитевидных кристаллов кремния Щетинин А. А., Бубнов Л.И., Козенков О.Д., Татаренков А.Ф. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. - 1987, т. 23, N 10, с. 1589 - 1592 [7].

В [1 и 2] описан способ прямых измерений угла роста Θ_p по фотографиям столбов расплава при кристаллизации германия и кремния по методу Чохральского. Здесь угол Θ_p измеряли непосредственно по фотографиям менисков в точке сопряжения твердой и жидкой фаз. Особое внимание обращалось на постоянство диаметра кристалла в процессе измерений угла роста. Найденный угол роста для кремния оказался равным ≈ 15^o.

Однако, несмотря на использование скоростной фотосъемки, при кристаллизации наблюдались сильные колебания этой величины. Аналогично в работе [2] из-за несоблюдения условий угол роста оказался значительным ≈ 30^o. Точность определения Θ_p данным способом не является удовлетворительной.

В работах [3 и 4] угол роста определялся по форме закристаллизовавшегося расплавленного диска. На плоской шайбе из кремния или германия с известной кристаллографической ориентацией и толщиной электронным пучком создавали расплавленную зону. В эту зону добавляли определенное количество материала. С учетом начальной массы вещества в зоне вычисляли объем зоны. По известной толщине шайбы и объему зоны рассчитывали некоторый угол Ψ_└ , образованный касательной к расплаву и осью абсцисс. По фотографии закристаллизовавшейся зоны определяли ее профиль, а следовательно, и углы Ψ_└ и Ψ_S . Авторы считают, что наиболее достоверное значение угла для кремния Θ_p= (11±1)^o , для германия Θ_p= (13±1)^o можно найти, когда Ψ_S=0 .

Данный метод позволяет с большей точностью определить угол роста кристалла, чем предыдущий метод. Но и здесь форма профиля расплавленной зоны, по фотографиям которой определялись искомые углы, формировалась в процессе охлаждения расплава, что существенно искажает действительную картину при непосредственном росте кристалла и вносит значительные погрешности в результате метода. Кроме того, возникает значительный разброс величины , когда угол Ψ_S несколько отличается от нуля.

В способе [5 и 6] угол роста кристаллов определяли по форме закристаллизовавшейся капли, возникающей при отрыве кристалла от расплава на фронте кристаллизации из захлестываемой кристаллом пленки расплава. Капля имеет конусовидную форму. Стягивание пленки расплава в каплю связано с неполным смачиванием расплавом кристаллической поверхности. По фотографиям капель отрыва определяли их параметры, а угол роста рассчитывали по уравнению образующей тела вращения, получающегося в результате кристаллизации капли отрыва. Отличие способа состоит в том, что он не требует специального оборудования и позволяет использовать стандартные ростовые установки.

Недостатком способа, как и в предыдущем случае, является измерение параметров застывших капель после охлаждения, в процессе которого искажается величина угла роста, так как по мере затвердевания капли искривляется форма фронта кристаллизации.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является способ определения контактного угла смачивания по фотографиям капель инициирующей примеси на вершине НК [7]. Выращенные НК помещались в оптический или растровый микроскоп, в котором при некотором увеличении делами фотоснимки вершин НК в светопольном или темнопольном режимах. По фотографиям кристаллов в профильной точке границ раздела измеряли искомые углы сопряжения фаз. Во-первых, формирование границ раздела и фотоснимки делали с застывших капель на вершинах НК, но в процессе охлаждения из жидкой фазы выделяется рекристаллизационный слой полупроводникового материала, что приводит к уменьшению объема капли и изменению величины угла роста. Во-вторых, в момент охлаждения выращенных кристаллов нарушается термодинамическое равновесие в тройной точке на границе раздела фаз, что также приводит к отклонению величины от истинного значения. В-третьих существует некоторая субъективность при определении положения точки соприкосновения жидких и твердых на фотографиях кристаллов.

Изобретение направлено на повышение точности определения величины угла роста НК полупроводников, включающего определение угла сопряжения твердой и жидкой фаз на вершине НК.

Это достигается тем, что в процессе выращивания создают начальный конусовидный участок пьедестала кристалла, а угол роста определяют из формулы , где r₀ - начальный радиус пьедестала НК; r - конечный радиус пьедестала НК.

Для описания угла роста создают пьедестал НК в процессе выращивания и изготавливают фотоснимки НК, имеющих конусовидный участок. По фотографиям измеряют начальный r₀ и конечный радиус кристалла r и определяют отношение r/r₀ (чертеж). Затем на основе экспериментально определенного отношения r/r₀ по формуле (1) вычисляют величину угла роста Θ_p .

Выражение (1) получено решением системы уравнений для объема капли расплава на уровне подложки и на вершине кристалла при условиях постоянства температуры и сохранения объема капли в процессе роста НК, и следовательно, постоянства угла роста Θ_p .

Габитусные параметры НК, формирующиеся непосредственно в процессе кристаллизации, сохраняют в себе информацию об угле роста кристалла. Это дает возможность точно определить величины углов Θ_p , практически существующих в момент высокотемпературной газофазной кристаллизации, что невозможно сделать иными известными методами. Уточненные величины Θ_p , полученные в результате проверок выполнения изобретения, в среднем на 20 - 30^o выше значений, ранее вычисленных в работах.

Использование предлагаемого метода расширяет возможность управления процессом выращивания НК полупроводников. Более точное определение фактически существующих значений Θ_p позволит точнее оценивать величины поверхностных энергий границ раздела фаз при кристаллизации. Исследуя параметры конусовидного пьедестала и рассчитывая углы роста, можно определять влияние различных технологических факторов температуры, состава газовой фазы, скорости роста и т. д. на кинетику и морфологию кристаллизации НК. Кроме того, используя значения углов роста, можно задавать параметры будущего кристалла, задавая материал, форму и размеры капли инициирующей примеси, например, при получении необходимых для практики регулярных систем НК.

Формула изобретения

Способ определения угла роста нитевидных кристаллов (НК) полупроводников, включающий определение угла сопряжения твердой и жидкой фаз на вершине НК, отличающийся тем, что в процессе выращивания создают начальный конусовидный участок пьедестала кристалла, а угол роста Θ_p определяют из формулы где r₀ - начальный радиус пьедестала НК; r - конечный радиус пьедестала НК.

РИСУНКИ

Рисунок 1