88593 Img00182

186

3.52. Najważniejszą technologią oczyszczania materiałów półprzewodnikowych do tzw. czystości półprzewodnikowej jest oczyszczanie za pomocą tzw. topienia strefowego. Poddaje się jej materiały, które zostały wstępnie oczyszczone różnymi metodami chemicznymi i fizycznymi.

Przy topieniu strefowym wykorzystuje się zasadę, że rozpuszczalność zanieczyszczeń w półprzewodniku w stanie ciekłym nie jest na ogół taka sama, jak w stanie stałym półprzewodnika. Jeśli na przykład zanieczyszczenia rozpuszczają się lepiej w fazie ciekłej półprzewodnika, to w procesie krystalizacji faza ta jest bogatsza w zanieczyszczenia w porównaniu z fazą stałą. Procesy wymiany zanieczyszczeń między fazami przebiegają tak długo, aż ustali się równowaga wyrażająca się zależnością

^ = k    (3-52-1)

^ci

gdzie c_s i c, są koncentracjami równowagowymi zanieczyszczeń, odpowiednio: w fazie stałej i ciekłej półprzewodnika, a k jest stałą, charakterystyczną dla różnych atomów zanieczyszczeń, zależną od temperatury. Oczyszczanie tą metodą jest możliwe, gdy k dla określonych atomów zanieczyszczeń jest mniejsza od jedności.

Wszystkie zanieczyszczenia w Si i Ge mają wartości współczynnika segregacji k znacznie mniejsze od jedności. Jedynym wyjątkiem jest bor w germanie, który trzeba usuwać innymi metodami.

3.53.    Jeśli krystalizacja stopionego w podłużnej wlewce półprzewodnika postępuje wzdłuż wlewki przesuwając się wraz z granicą między ciekłą i stałą fazą, nazywana jest krystalizacją kierunkową. Przepływ ciepła zachodzi wzdłuż osi wlewki (rys. 3.53-la) w kierunku przeciwnym do kierunku krystalizacji, a zanieczyszczenia obniżające temperaturę topnienia roztworu ciekłego pozostają w dużej mierze w cieczy. W początkowym okresie krystalizacji wzrasta ich stężenie w cieczy, w końcowym — w fazie stałej. W wyniku następuje jak gdyby „wyciskanie” zanieczyszczeń do strefy końcowej wlewki.

3.54.    W procesie oczyszczania metodą topienia strefowego pręt polikrystalicznego półprzewodnika umieszczony jest zazwyczaj we wlewce (np. grafitowej) wewnątrz rury kwarcowej, którą przepływa gaz obojętny (np. argon). Krótki odcinek półprzewodnika jest topiony prądem wysokiej częstotliwości, wytwarzanym przez cewkę indukcyjną otaczającą rurę kwarcową i przesuwającą się powoli wzdłuż rury (rys. 3.53-1 b). Strefa ciekłego materiału ograniczona z obu stron powierzchniami rozdziału faz przesuwa się wzdłuż długości wlewki. Wielokrotne powtórzenie procesu przetapiania strefowego doprowadza do usunięcia niepożądanych zanieczyszczeń do końca pręta — na początkowym odcinku pręta uzyskuje się materiał o bardzo dużej czystości.