CC BY
33
УДК 543.67:54.064
Сычева Н.В., Можевитина Е.Н., Хомяков А.В., Аветисов И.Х.
АНАЛИЗ ПРИМЕСНОЙ ЧИСТОТЫ КРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ МЕТОДОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ
Сычева Наталья Вячеславовна, магистрант 2 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов кафедры химии и технологии кристаллов
Можевитина Елена Николаевна, к.х.н., старший научный сотрудник кафедры химии и технологии кристаллов Хомяков Андрей Владимирович, ведущий инженер кафедры химии и технологии кристаллов Аветисов Игорь Христофорович, д.х.н., зав. каф. химии и технологии кристаллов, e-mail: aich@rctu.ru: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Настоящая работа посвящена исследованию распределения примесных элементов по объему монокристалла SiC, выращенного методом PVT из поликристаллической порошкообразной шихты известного состава. Для анализа примесной чистоты образцов использован метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП).
Ключевые слова: масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП); SiC; монокристалл.
ANALYSIS OF SINGLE CRYSTAL SILICON CARBIDE BY INDUCTIVELY COUPLED PLASMA MASS SPECTROMETRY
Sycheva N. V., Mozhevitina E. N., Khomyakov A. V., Avetissov I. Ch. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The present work is devoted to the study of the distribution of impurity elements over the volume of a SiC single crystal grown by the PVT method from a polycrystalline powder-like batch of known composition. An inductively coupled plasma mass spectrometry (MS-ICP) method was used to analyze the impurity purity of the samples.
Key words: inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS); SiC; single crystal.
Карбид кремния является перспективным полупроводниковым материалом, физико-химические свойства которого (электрофизические параметры, тепловая и радиационная устойчивость, механическая прочность, химическая инертность) превосходят свойства других материалов современной микроэлектроники [1]. Изготовление полупроводниковых элементов на основе монокристаллов карбида кремния требует жесткого контроля технологии роста кристаллов. Особого внимания требует контроль за примесной чистотой исходных материалов и готовых монокристаллов. В работе [2] была показана возможность использования для анализа примесной чистоты карбида кремния метода МС-ИСП с предварительным автоклавным переводом твердой пробы в раствор. Целью настоящей работы стало исследование распределения примесных элементов по объему монокристалла SiC, выращенного методом PVT из поликристаллической порошкообразной шихты известного состава.
Объектом исследования выступал монокристалл карбида кремния, выращенный методом PVT [3]. В качестве исходной шихты использовали порошкообразный
поликристаллический SiC зеленого цвета производства Saint - Gobain. Для анализа от монокристалла было отобрано 8 проб (Рисунок 1).
? 2?
2Н
ЗН
Рис.1. Схема отбора проб монокристаллического SiC
Кислотное растворение поликристаллического порошкообразного SiC и монокристаллических образцов осуществляли смесью азотной, серной и фтористоводородной кислот, взятых в количестве 1,5:1,5:3 мл, соответственно. Процесс проводили в системе термического автоклавного разложения DAB2 Германия) в течение 168 часов при
температуре 2400С. Предварительно все пробы подвергались термическому удару [2]. Азотная и фтористоводородная кислоты имели чистоту 7Ы7 и 7Ы, соответственно. Серная кислота фирмы Sigma-АЫйЛ имела чистоту
Аналитические измерения растворов, полученных после кислотного автоклавного
разложения проб SiC, проводили на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой NexION 300D (Perkin Elmer, США) с использованием количественного метода анализа с применением стандартного, кинетического и реакционного режимов работы прибора. Анализ проводился по 29 примесным элементам (Таблица 1).
Согласно полученным результатам порошкообразный SiC, выступавший в качестве шихты при росте монокристалла, имел примесную чистоту не более 99,98 мас.% (Таблица 2). Основными примесными элементами оказались Fe, V, As, Ca и Al.
Таблица 2. Концентрация основных примесных элементов в пробах SiC, *10-4 мас.%
Элемент Шихта 1В 1Н 2В 2Н 3В 3Н 4В 4Н
K 0,64 10,62 15,86 5,76 6,11 20,52 7,06 6,50 7,83
Cr 0,57 1,72 7,17 0,22 0,82 3,96 3,48 0,50 0,36
Fe 39,70 10,52 52,17 4,34 9,76 18,72 16,26 <0,10 0,72
V 62,40 396,56 1175,03 599,10 447,18 579,48 586,94 325,08 660,78
As 21,60 95,61 147,81 104,54 78,39 179,52 162,48 59,08 173,25
Ca 19,50 6,98 14,80 <2,01 <2,51 9,12 3,58 <3,05 <3,29
Al 80,70 12,44 42,56 1,43 0,07 13,80 2,23 <0,63 4,32
Cu 0,22 7,74 36,92 8,78 9,21 23,04 17,03 11,50 9,90
Zn 0,33 18,00 79,32 36,11 27,48 30,96 28,26 23,17 52,83
Cd 0,33 2,88 5,19 4,23 3,92 2,52 2,03 3,25 5,31
Ga 0,34 0,25 0,15 0,33 0,27 0,12 0,10 0,17 0,27
Mn 0,16 0,10 0,46 <0,18 <0,23 0,12 0,10 <0,28 <0,30
Ni 9,12 17,80 18,61 21,46 14,70 14,88 15,10 16,42 19,44
Rb 2,30 0,61 0,15 0,71 0,62 0,72 0,77 0,58 0,90
Se 1,12 2,43 11,90 9,38 9,62 47,64 5,81 9,50 14,31
Таблица 1. Режим работы прибора при измерении концентраций элементов_
Режим работы прибора Измеряемые элементы
Стандартный М^ А1, Li, Ве, №, Со, N1, Аэ, Rb, Sr, С4 1п, Сэ, Ва, Т1, РЬ, В1, и
Кинетический Zn (столкновительный газ - гелий)
Реакционный Se, Fe, Са, К, V, Сг, Мп, Си, Ga (реакционный газ - аммиак)
Все проанализированные образцы
монокристалла имели большую по сравнению с исходной шихтой концентрацию К, V, As, Си, Zn и М. Этот факт указывает на то, что источником данных примесей являлось неконтролируемое загрязнение. Минимальную примесную чистоту 99,8 мас.% имела проба 1Н. Однако симметрично отобранная проба 3Н имела чистоту 99,92 мас.%. При этом концентрация некоторых примесей в пробе 1Н в два раза превосходила содержание в пробе 3Н. Сравнение результатов анализа парных проб 1В-1Н и 3В-3Н позволяет предположить, что в процессе роста монокристалла со стороны проб 1 находился источник загрязнений, действие которого ослабевало в ходе ростового процесса. Максимальную примесную чистоту 99,95 мас.% имел образец 4В.
Список литературы
1. Лучинин В.В., Таиров Ю. М. Отечественный полупроводниковый карбид кремния: шаг к паритету // Современная электроника. 2009. №7. С. 4 .
2. Н.В.Сычева, Е.Н. Можевитина, А.В. Хомяков, И.Х. Аветисов Определение примесей в карбиде кремния методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Успехи в химии и химической технологии: сб.науч.тр. Том ХХХ , У78 №3(172). - М: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2016.- С. 128-130.
3. Агеев О. А. и др. Карбид кремния: технология, свойства, применение //Харьков: ИСМА. - 2010. - Т. 532.
