Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Cl)к ft — U
Ряс. 118. Тепловые потоки в кристалле и расплаве при выращивании монокристаллов по Чохральскому [24] в начале (в) и в конце (б) процесса:
1 — тигель с подставкой; 2 — нагреватель; 3 ~ экранировка; 4 — расплав; 5 — монокристалл
Для анализа процесса роста кристалла введено понятие осевого и радиального градиентов температуры в кристалле и расплаве.
Радиальный градиент температуры Gr (К/м) определяется перепадом температур в двух точках в поперечном сечении кристалла или расплава от центра Гц к периферии Гп:
Gr= ДГг/Дг = (Гц- Гп)/Дг,
где Ar- расстояние между точками по радиусу кристалла, м.
Осевой градиент температуры в кристалле (расплаве) определяется перепадом температур по его длине (глубине), К/м:
Gx = Д T3/А X = (T1 - TJHx2 -X1),
где Ax - расстояние между выбранными точками X1 и X2 по длине кристалла, м.
В процессе выращивания монокристалла градиенты температуры как в кристалле, так и в расплаве не остаются постоянными вследствие изменения тепловых условий, связанных с уменьшением объема расплава в тигле и увеличением массы и поверхности растущего монокристалла, через которую отводится тепло. Изменение осевых и радиальных градиентов в расплаве может привести к изменению мениска и связанных с ним высоты и формы столбика расплава в под-
а ff
в
Рис. 119. Влияние скорости выращивания и температуры расплава на диаметр монокристалла и высоту столбика расплава в подкристальной области при стационарном режиме (в) и режимах вытягивания (б, в):
а — скорость выращивания температура расплава T1, диаметр монокристалла постоянный; б — I2 >i»i, T2 > T1, h2 > hu кристалл подрезается; в - у3< уь T3 < T1, Л3 < Zi1, диаметр кристалла растет. Для упрощения фронт кристаллизации принят плоским
кристальной области и, как следствие, к изменению в течение процесса фронта кристаллизации.
Как уже отмечалось, при увеличении скорости выращивания или температуры расплава радиус растущего кристалла будет уменьшаться (при прочих равных условиях роста). Высота и форма столбика расплава при этом изменяются, столбик расплава становится выше, а силы поверхностного натяжения сжимают его. При уменьшении скорости выращивания и температуры расплава радиус кристалла увеличивается и высота столбика расплава уменьшается (рис. 119).
При больших скоростях выращивания фронт кристаллизации вогнутый в сторону затравки, при уменьшении скорости выращивания величина прогиба уменьшается, и при малых скоростях фронт становится выпуклым.
Фронт кристаллизации растущего монокристалла при прочих, равных условиях формируется потоками в расплаве, геометрия которых определяется тепловой и принудительной (вынужденной, связанной с вращением тигля и кристалла) конвекцией. Эти потоки во многом определяют распределение примесей в выращиваемом монокристалле. Характеристики потоков в расплаве резко изменяются в зависимости от направления и скоростей вращения кристалла и тигля [24].
С увеличением скорости вращения кристалла (рис. 120, а, б) характер потоков меняется, увеличивается перемешивание в средней и осевой частях расплава. С увеличением скорости вращения тигля (см. рис. 120, в) при практически неподвижном кристалле потоки наблюдаются преимущественно в осевой области. Ускоренное вращение тигля с одновременным вращением кристалла способствует переносу атомов кислорода от стенок тигля к выращиваемому кристаллу.
При взаимодействии тигля с расплавом образуется монооксид кремния, имеющий высокую упругость собственных паров при температуре расплава. Испаряющийся монооксид кремния захватывается потоком
259
UJk - большая
аргона, подаваемого в верхнюю часть камеры, и откачивается вакуумным агрегатом.
Оборудование
Современная установка для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского является сложным комплексом технических средств, который состоит из камеры с механизмами вращения и перемещения верхнего и нижнего штоков, вакуумного агрегата, системы электропитания, блока очистки, подачи и регулирования расхода инертного газа, блока водяного охлаждения и системы автоматаческо-го управления процессом.
Установки выращивания можно классифицировать по массе загружаемого в тигель материала (<10 кг; 10-20; 20-60; > 60); по методу работы установки: периодический - за один цикл проводят один процесс, полунепрерывный - последовательно проводят от трех до пяти процессов; по конструкции привода вращения и перемещения кристалла: подвеска затравки на гибком элементе или трубчатый полый водо-
260
Рис. 121. Блок-схема установки выращивания монокристаллов из расплава по Чохральскому:
1 - вакуумный агрегат; 2 - блок подачи и регулирования инертного газа; 3 — камера с шиберным устройством; 4,5 — системы автоматического управления и электропитания соответственно; 6 — блок воляиого охлаждения
охлаждаемый шток, длина которого соизмерима с длиной кристалла; по конструкции нагревателя: однофазный, трехфазный [169].
Основные тенденции в развитии конструкций установок (рис. 121) получения монокристаллов из расплава связаны с увеличением массы единичной загрузки до и более 69 кг, полной автоматизацией процесса выращивания начиная с закрытия камеры печи после ее загрузки и кончая охлаждением выращенного монокристалла. Увеличение массы загрузки, автоматизация процесса позволяют существенно повысить экономическую эффективность процесса в целом. Установлена зависимость себестоимости выращиваемых монокристаллов от величины загрузки и диаметра монокристалла. Оказалось, что себестоимость монокристаллов минимальная при выращивании их диаметром 150 мм из загрузки 60 кг.
