硅锗的区熔提纯课件.ppt

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1、半导体材料第2章硅锗的区熔提纯区熔是1952年蒲凡提出的一种物理提纯的方法。它是制备超纯半导体材料，高纯金属的重要方法。区熔提纯的目的区熔提纯的目的：得到半导体级纯度（9到10个9）的硅，为进一步晶体生长作准备2-1分凝现象与分凝系数2－1－1分凝现象（偏析现象）含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同分凝系数:用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同一平衡分凝系数K0平衡分凝系数（适用于假定固相和液相达到平衡时的情况）K0=Cs/Cl2－1－2平衡分凝系数和有效分凝系数Cs:杂质在固相晶体中的浓度Cl:杂质在液相熔体中的浓度(1)△T=TL-Tm＜0

2、(TL体系平衡熔点；Tm纯组分熔点),CS＜CL,K0＜1提纯时杂质向尾部集中(2)△T=TL-Tm＞0,CS＞CL,K0＞1提纯时杂质向头部集中(3)△T=0,CS=CL,K0=1分布状态不变,不能用于去除杂质二有效分凝系数上面讨论的是固液两相平衡时的杂质分配关系.但是实际上,结晶不可能在接近平衡状态下进行,而是以一定的速度进行.(1)当K0＜1时CS＜CL,即杂质在固体中的浓度小,从而使结晶时,固体中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中.当结晶的速度＞杂质由界面扩散到熔体内的速度时,杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来,形成浓度梯度而加

3、快杂质向熔体的扩散,当界面排出的杂质量=因扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量,达到动态平衡.界面薄层中的浓度梯度不再变化,形成稳定分布.这个杂质浓度较高的薄层叫杂质富集层界面附近靠近固体端,杂质浓度高,靠近熔体端,杂质浓度低.(2)K0＞1CS＞CL,固体中的杂质浓度大,因此固相界面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质,使得界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态,这一薄层称为贫乏层.为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中的杂质浓度关系,引出有效分凝系数Keff=CS/CL0Cs:固相杂质浓度CL0:界面附近熔体内部的杂质浓度界面不移动或者移动速度=

4、0,Keff→K0有一定速度时,CS=KeffCL02-1-3BPS公式(描述Keff与K0关系)1.结晶过程无限缓慢时，二者无限接近2.结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效分凝系数与平衡分凝系数符合BPS(Burton,Prim,Slichter)关系1.f远大于D/δ时,fD/δ→+∞,exp(-fD/δ)→0,Keff→1,即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。2.f远小于D/δ时,fD/δ→0,exp(-fD/δ)→1,Keff→K0,分凝效果明显平衡分凝系数固液交界面移动速度即熔区移动速度扩散层厚度扩散系数Keff介于ko与1

5、之间，电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速，δ变薄，使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著凝固速度f越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著2-2区熔原理2-2-1正常凝固材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固.正常凝固过程中存在分凝现象,所以锭条中杂质分布不均匀.(1)K0＜1提纯时杂质向尾部集中(2)K0＞1提纯时杂质向头部集中(3)K0=1分布状态不变,不能用于去除杂质正常凝固固相杂质浓度CS沿锭长的分布公式Cs=KC0(1-g)k-1C0:材料凝固前的杂质浓度K,分凝系数.不同杂质的不同K值

6、可以通过查表得出杂质分布规律:图2-6K≈1时分布曲线接近水平,即杂质浓度沿锭长变化不大.K与1相差较大时(小于0.1或大于3)杂质浓度随锭长变化较快,杂质向锭的一端集中,提纯效果好.(正常凝固有一定的提纯作用)杂质浓度过大,半导体材料与杂质形成合金状态,分布公式不成立,分布不再服从正常凝固定律。.正常凝固法的缺点K小于1的杂质在锭尾，K大于1的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低.区熔提纯:它是把材料的一小部分熔化,并使熔区从锭条的一端移到另一端.解决办法：2-2-2一次区熔提纯一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况，CS=

7、C0[1-(1-K)e-Kx/l]C0:锭条的原始杂质浓度X:已区熔部分长度K:分凝系数L:熔区长度一次区熔提纯与正常凝固的效果比较单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好(怎么看?)l越大，Cs越小,即熔区越宽，一次区熔提纯的效果越好对于最后一个熔区,属于正常凝固,不服从一次区熔规律2-2-3多次区熔与极限分布一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头.极限分布经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布,也叫最终分布.CS(x)=A

8、eBxK=Bl/(eBl-1)A=C0BL/(eBL-1)CS(x):极限分布时在x处固相中杂质浓度K:分凝系数,l:熔区长度X:锭的任何位置C0:初