ТМиЭТ_3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «ТМиЭТ»

Тема: Зонная плавка

Студент гр. 5209		Хабибулин А.Р.
		Дерий И.А..
Преподаватель		Александрова О.А.

Санкт-Петербург

2018

Цель работы: моделирование условий очистки и выращивания кристаллов методом зонной плавки; расчет режимов выращивания однородно легированных кристаллов заданной марки.

Метод зонной плавки.

Метод зонной плавки используется для очистки материалов, а также для

получения однородно легированных слитков. Сущность метода зонной плавки состоит в следующем. Очищаемый материал в форме мелких кусков или заранее подготовленного поликристаллического слитка помещают в тигель, заключенный в герметичную камеру, которая наполняется защитным газом. С помощью высокочастотного индуктора создается узкая расплавленная зона шириной 30…50 мм, медленно перемещаемая вдоль слитка (рис. 2.7, а).

При бесконтейнерном (бестигельном) варианте зонной плавки очищаемый материал в форме стержня помещают вертикально (рис. 2.7, б). Узкая

расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет

сил поверхностного натяжения.

Максимальная длина расплавленной зоны определяется силами поверхностного натяжения, которые удерживают столбик расплава без разрыва жидкой зоны. Длина зоны, при которой она остается стабильной, тем больше, чем больше отношение поверхностного натяжения расплава к его плотности. На стабильность расплавленной зоны влияет и направление ее движения относительно проплавляемой заготовки. Установлено, что наибольшая стабильность расплавленной зоны обеспечивается при ее движении по кристаллу снизу вверх.

Обработка результатов.

1. Проанализировать процесс прохождения зоны через однородный в среднем образец (С₀=С_п).

   1. Проанализировать влияние эффективного коэффициента распределения на процесс очистки методом зонной перекристаллизации. Выбрать способ проведения зонной плавки. Материал – Ge, примесь Al, Bi, Zn. Длина слитка 60 см. Длина расплавленной зоны L_­0­ = 3 см. Скорость движения зоны f = 0.5 мм/мин. C_­0­ = 5 10¹⁶ см^-3. Процесс проводится в вакууме (С_­р­ = 0). Диаметр кристалла 50 мм.

Рис. 1. График распределения примесей вдоль слитка, примесь 1 – Al, примесь 2 – Bi, примесь 3 – Zn.

Таблица 1.

Примесь	k0 табл.	k рассчит.	D табл. [cм2/с]
Al	0,073	0,153	10-4
Bi	0,00004	9,2E-5	10-4
Zn	0,0004	9,2E-4	10-4

2. Построить распределение легирующей примеси Zn в Ge в случае различной длины расплавленной зоны L_­0­ = 3; 10 см.

Рис. 2. Графи распределения примеси вдоль слитка, показывающий влияние длины расплавленной зоны на процесс очистки. Примесь 1 – Zn c L_­0=0, Примесь 2 – Zn c L_­0=3 см, Примесь 3 – Zn с L_­0­=10 см.

3. Построить распределение легирующей примеси Zn для Si при различных скоростях прохождения зоны f = 0,5; 5; 15 мм/мин.

Рис. 3. График распределение примеси вдоль слитка, показывающий влияние скорости движения зоны на процесс очистки. Примесь 1 – f=0,5; Примесь 2 – f= 5; Примесь 3 – f=15 мм/мин.

Таблица 2

Значение скорости f, [мм/мин]	Расчетное значение k
0,5	1,01E-5
5	1,09E-5
15	1,28E-5

4. Проанализировать влияние испарения примеси на процесс очистки материала Ge с примесью P.

Рис. 4. График распределение вдоль примеси, показывающий влияние испарения примеси на процесс очистки. Примесь 1 – летучая; Примесь 2 – нелетучая.

Таблица 3

k	kи	kоб	F, см	α, см/c
0,315	0,22	0,535	15	1,2·10­­-4

5. Проанализировать эффективность очистки Ge от примеси Ga при многократном проходе зоны при длине расплавленной зоны L_­0­ = 8 cм.

Рис. 5. График распределения примеси вдоль слитка, показывающий эффективность очистки Ge от примеси Ga при многократном проходе зоны при L_­0­=8см. Примесь 1 – один проход; Примесь 2 – многократный проход.

2. Проанализировать прохождение легирующей зоны через чистый исходный образец. Построить распределение примеси вдоль слитка.

1. ГЭС-3

2. ГДГ-5,6

Рис. 6. График распределения примеси вдоль слитка, показывающий прохождение легирующей зоны через чистый исходный образец (С_п=0). Примесь 1 – ГДГ-5,6; Примесь 2- ГЭС-3.

Проведем оценку годного материала.

Таблица 4

Материал	GeGa	GeSb
k	0,239	0,0135
C0, м­­-3
Cтв, м‑3
∆ρ/ρ=25%
X годного,см	27,5	7,5

3. Метод целевой загрузки для однородно легированного кристалла ГДГ-5,6.

Суть метода целевой загрузки состоит в создании требуемого соотношения между концентрациями С₀, С_р, С_п (или С₀ и С_п, если процесс проводится в вакууме) для получения постоянной концентрации примеси в твердой фазе. Процесс будет проходить в вакууме, следовательно, C_­р=0. Условимся, что C_­T­=C_­п

Т.к. задано однородное легирование, то:

Длина слитка х, см	60
Длина расплавленной зоны L­0­, см	3
Скорость движения зоны f, мм/мин	0,5
Диаметр кристалла D­кр­, мм	50
Коэффициент диффузии D, см­2/с
Равновесный коэффициент распределения k­0	0,087
Подвижность дырок μ, см­­­2­/В·с	1760
Толщина диффузионного слоя δ, см	0,03
Эффективный коэффициент распределения, k	0,238
Площадь поперечного сечения кристалла S, см2	19,6
Концентрация примеси в твердой фазе C­Т­, см-3
Концентрация примеси в жидкой фазе C­0­, см-3

Предложенные условия выращивания однородно легированного кристалла ГДГ-5,6 методов целевой загрузки (при ГЗП):

ВЫВОД: Был исследован метод зонной плавки. Так, выбран способ проведения зонной плавки – ГЗП, исследована влияние различных параметров на процесс очистки кристалла. Например, влияние длины расплавленной зоны, скорости движения зоны, влияние испарения примеси: летучесть (или нелетучесть) материала легирования. Исследована эффективность очистки Ge от примеси при многократном проходе зоны, в сравнении с примесью после одного прохода.

Исследовано прохождение легирующей зоны через чистый исходный образец с различными кристаллами, проведена оценка выхода годного материала.

Кроме того, были предложены условия выращивания кристалла методом целевой загрузки.