微重力环境和外加磁场对晶体生长中杂质分凝的影响-中国科学院力学.PDFVIP

第 29 卷 　第 2 期 力 　学 　进 　展 Vol. 29 　No. 2 1999 年 5 月 25 日 ADVANCES IN MECHAN ICS May 25 , 1999 微重力环境和外加磁场对晶体生长中 杂质分凝的影响 李 　　凯 　徐自亮 中国科学院力学研究所微重力实验室 , 北京 　100080 摘 　要 　浮区结晶法是生长体单晶的重要方法之一 . 本文从理论和实验两方面综述了浮区结晶 法中熔体内宏观场对体单晶中杂质分布均匀性影响的定性和定量研究 , 并从改善体单晶杂质分 布均匀性的角度出发 , 总结了目前所采取的两种重要方法 : 微重力环境和外加磁场的研究现状. 关键词 　晶体生长 , 浮区结晶法 , 杂质分凝 , 微重力环境 , 外加磁场 1 　前 　言 　　半导体体单晶在电子 、通讯 、信息等产业中具有广泛的应用背景. 例如 , 硅单晶是制造大 规模集成电路最重要的材料 ; 砷化镓由于其高电子迁移率而应用于超高速集成电路中信息元件 的制造 ; 磷化铟则在制造适用于特定波长范围的 光纤通讯器件方面具有特殊的地位. 熔体生长是 工业生产半导体体单晶最常用和最重要的方法 , 它具有生长快 、生长的单晶纯度和完整性高等优 点. 熔体生长方法中 , 浮区结晶法[1 ] 是一种无坩 埚的生长方式 ( 图 1) : 在生长过程中 , 处于多晶 柱和单晶柱之间一定长度的熔体完全依靠 自身表 面张力来维持熔区不破裂 , 这不但避免了坩埚材 料对熔体的污染和对所生长体单晶熔点的限制 , 有利于高熔点和熔体化学性质比较活泼的半导体 单晶的生长 ; 而且还避免了非受控不均匀成核过 程的发生以及与坩埚壁相接触造成的位错等晶体 图 1 　浮区结晶法示意图 不完整性[2 ,3 ] . 正因为具有以上优点 , 20 工业应 用的高质量硅单晶必须通过浮区结晶法生长以满足特殊的品质要求. 收稿 日期 : 1997 - 11 - 19 , 修回日期 : 1998 - 04 - 27 　 2·21 · © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 　　熔体生长的体单晶中总含有一定量的杂质, 根据应用要求而有意掺杂的晶体中杂质浓度更 高, 而且杂质分布的不均匀性是很典型的. 杂质分布的不均匀性是制约体单晶质量的主要因素 之一, 它导致的材料光学 、电学性质的不均匀性将最终损害半导体 电子和光 电子器件的性 能[ 2] . 因此, 要想充分利用浮区结晶法的优点生长出高品质的体单晶, 就必须采取有效措施来 避免杂质分布的不均匀性. 为达到上述 目的, 首先必须了解杂质分布不均匀性的起源和形成, 即晶体生长中的杂质分 凝现象. 本文主要以硅单晶的浮区法生长为例, 分析守恒性杂质的行为, 这不影响讨论的普适 性. 2 　熔体中的宏观场和分凝的关系 　　体单晶的熔体生长宏观上是有效控制液固相变的过程. 从微观角度上讲, 杂质在晶体生长 过程中的行为包括杂质在熔区内的输运过程 、杂质在生长界面处结合进入晶体的界面动力学过 程以及杂质在晶体内的扩散过程.