Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
1 — монокристалл; 2 — расплав в тигле; 3 — нагреватель; 4 — подставка; 5 — экранировка;
6 — прикатодный фокусирующий электрод с катодом; 7 — расплав; 8 — гарнисаж; 9 — индуктор
шток с затравкой или опуская тигель вместе с нагревательной системой. При этом монокристалл и тигель вращаются чаще всего в противоположных направлениях. Так как в процессе выращивания уровень расплава в тигле опускается, то фактическая скорость выращивания выше скорости перемещения штока. В отдельных случаях одновременно с перемещением штока с монокристаллом вверх тигель с расплавом опускается вниз. При этом фактическая скорость выращивания еще больше отличается от скорости подъема штока.
Для стабилизации тепловых условий на фронте кристаллизации часто применяют прием, связанный с поддержанием уровня расплава в одном и том же месте тепловой системы. В этом случае по мере выращивания монокристалла тигель с расплавом перемещается вверх.
Принимая, что отвод тепла кристаллизации осуществляется только через кристалл1 и ряд других допущений, Реньян [1] приводит следующее уравнение теплового баланса:
(I d m/d t) + (кжАх d Г/d X1) = ZctbA2 d Г/d х2, (22)
1 Подробно влияние направления теплоотвода тепла кристаллизации на процесс роста рассмотрено в гл. I.
255
где L - удельная теплота плавления; Am/At - скорость перехода вещества из расплавленного состояния в твердое; к-ж, fcre - коэффициенты теплопроводности расплава и кристалла соответственно; ATZdxl, ATfdx2- градиенты температуры в точках 1 и 2 вблизи границы раздела фаз в расплаве и кристалле соответственно; A1, A2 - площади изотерм в тех же точках 1 и 2.
Из уравнения (22) можно получить максимальную скорость выращивания кристалла при отсутствии градиента температуры в расплаве:
Vmax = кгд/ L P
TB d T/Ах,
где %ах - максимальная скорость выращивания Pre - плотность кремния в твердом состоянии.
Максимальная скорость выращивания в реальных условиях на 30-50 % меньше теоретической.
На рис. 117 приведены теоретическая [167] и экспериментальные [168] зависимости максимальной скорости выращивания от диаметра кристалла по литературным данным и по данным, полученным авторами при выращивании монокристаллов из тигля диам. 200 мм с загрузкой массой 4 кг.
Максимальная скорость выращивания монокристалла заданного диаметра определяется переохлаждением расплава, величина которого связана с кристаллографическим направлением выращивания, наличием дислокаций, концентрацией примесей в расплаве, и температурными градиентами в растущем монокристалле и расплаве. Кроме того, переохлаждение расплава зависит от тепловой системы (включая расположение в ней тигля с расплавом кремния), скорости выращивания и скоростей вращения тигля и кристалла.
Необходимо отметить, что на рост монокристаллов большое влияние может оказывать появление кристаллов кремния на стенках тигля (паразитная кристаллизация). Быстро распространяясь по
Рис. 117. Теоретическая (1) [167] и экспериментальные (2—4) зависимости максимальной скорости вытягивания от диаметра , кристалла:
2,3- по данным [168]; 4 - авторов і
256 і
vmax, /миH
поверхности расплава или отрываясь <?т стенок тигля и уносясь тепловым потоком к фронту кристаллизации, эти кристаллы на практике часто являются основной причиной прекращения роста монокристалла. На появление паразитной кристаллизации при прочих равных условиях влияет качество внутренней поверхности тигля. Чем менее она шероховата, тем более высокие скорости выращивания достигаются.
При выращивании фронт кристаллизации должен быть наиболее холодным местом в области расплава. Это приводит к необходимости отвода теплоты кристаллизации. Регулирование теплоотвода через кристалл или расплав при выращивании является методом управления формой монокристалла. Расширения крйсталла достигают снижением температуры расплава или уменьшением скорости выращивания; уменьшения радиуса кристалла - повышением температуры расплава или скорости выращивания.
При увеличении температуры расплава или скорости выращивания кристалл цилиндрической формы подрезается, т.е. в течение определенного отрезка времени кристалл растет в виде конуса, вершина которого направлена в расплав. Через какое-то время кристалл вновь приобретает цилиндрическую форму, но’его диаметр уже будет меньше. Время, в течение которого после внесения возмущения процесс выращивания становится квазистационарным, зависит от типа экранировки, конструкции нагревателя, массы расплава, соотношения диаметров кристалла и расплава и т.д.
Качество выращиваемых монокристаллов в значительной мере определяется характером тепловых и гидродинамических потоков в расплаве. Как правило, выращивание монокристаллов по Чохральско-му на современных установках осуществляется при вертикальном перемещении тигля с расплавом в тепловом узле со скоростью, компенсирующей понижение уровня расплава в процессе выращивания.
На рис. 118 [24] показаны тепловые потоки в кристалле и расплаве для начальной и конечной стадий процесса выращивания в случае, когда скорость вращения тигля равна нулю, а скорость кристалла близка к такому значению. На начальной стадии выращивания тигель размещается глубоко в нагревателе и тепло передается расплаву через боковую поверхность тигля. В процессе выращивания тигель медленно поднимается относительно нагревателя и теплового экрана, в результате чего поверхность частей тигля, излучающих тепло, над расплавом и тепловым экраном увеличивается, а поверхность элементов, поглощающих тепло, сокращается. По мере поднятия тигля тепло к расплаву все в большей степени подается через донную часть, поэтому для сохранения диаметра выращиваемого монокристалла близким к постоянному нужно уменьшать скорость выращивания, а мощность нагрева увеличивать в течение процесса для компенсации потерь энергии на излучение.
