Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Р„= OiUR1+ IfR2), (37)
где о - поверхностное натяжение на границе расплав - атмосфера внутри камеры (для кремния о = 0,72 Н/м); R1 и R2- радиусы мениска в поперечном и продольном сечениях, м.
Во всех точках зоны расплава Pn должно быть равно по величине и противоположно по направлению давлению Pr (Pr = ~ Fh).
В результате решения уравнений (36) и (37) получено выражение [227] для максимальной высоты зоны расплава в стержне кремния:
ftmax = 2*8 У о/(ужё) = 2,8 / 0,72(2320 • 9,81) = 0,015 м = 1,5 см. (38)
Таким образом, поверхностное натяжение на границе расплав -атмосфера камеры обеспечивает возможность создания зоны расплава высотой до 1,5 см при сохранении ее устойчивости1. Важно отметить, что эта величина не зависит от диаметра проплавляемого стержня. Это и использовано на практике при создании бестигельной зонной плавки кремния.
В качестве источников нагрева при создании зоны расплава могут быть использованы: радиационный, электронно-лучевой, электро-дуговой, индукционный и др. Необходимым условием при выборе источника нагрева является исключение (или минимальная) возможности загрязнения стержня кремния.
Из указанных методов промышленное распространение получил высокочастотный (индукционный) метод нагрева, когда стержень кремния охватывается кольцевым индуктором (см. рис. 19, 6), по которому пропускается электрический ток высокой частоты. Создаваемое этим током переменное магнитное поле вызывает в образце вторичный ток, который нагревает и расплавляет часть стержня кремния. Так как ток, пропускаемый через индуктор, высокочастотный, то вторичный ток в образце создается лишь в поверхностном слое стержня в области
* Кроме поверхностного натяжения на границе расплав — атмосфера камеры, следует также учитывать межфазное натяжение на границе расплав - твердое,. Эта составляющая также оказывает влияние на устойчивость зоны, однако ее вклад значительно меньше сил поверхностного натяжения на границе расплав — атмосфера камеры.
300
индуктора, счет этого удается сконцентрировать электромагнитное излучение на узком участке стержня и разогреть его. Глубина проникновения тока Z в стержень определяется частотой тока и УЭС нагреваемого участка [228]: Z = 530 /р/(ц/), где р - УЭС, Ом-- м; Ц - магнитная проницаемость, Гн/м; /- частота тока, Гц.
Высокочастотный ток оказывает еще и электродинамическое воздействие (давление) на нагреваемую поверхность, что также необходимо учитывать при создании зоны расплава и проведении процесса плавки.
Таким образом, на устойчивость зоны расплава оказывают воздействие три силы: гидростатическое и электродинамическое давление и поверхностное натяжение. Для выращивания кристаллов очень важно определить оптимальное соотношение этих сил, так как при этом не только будет устойчив процесс плавки, HO и появится возможность получения кристаллов кремния с заданными свойствами.
Определяющей при разработке индукционных систем для плавки кристаллов кремния различных диаметров является приведенная максимально допустимая величина высоты зоны расплава (~ 1,5 см). Для стержней «S 30 мм применяют индукторы, диаметры которых больше диаметра кристалла. Однако уже при диам. 30 мм на исходном, плавящемся кристалле образуется конус, вершина которого утоплена в расплаве. 3to вызвано увеличенным теплоотводом с поверхности зоны расплава (по сравнению с плавкой кристалла меньшего диаметра) и ухудшением условий плавления исходного кристалла из-за удаления от индуктора (рис. 135, а). Дальнейшее увеличение диаметра кристалла (соответственно и индуктора) приводит к увеличению высоту конусной части на исходном кристалле до соединения ее с кристаллизующейся частью кристалла. В результате возникает неполное проплавление зоны (подморозка) и процесс плавки прекращается.
Для обеспечения полного проплавления исходного кристалла в области зоны расплава можно сместить исходный стержень в плоскости, перпендикулярной направлению выращивания, и тем самым приблизить индуктор к оси слитка. За счет такого расположения стержня и индуктора усиливается прогрев центральной части стержня1. Недостатком такого приема плавки являются искажение формы зоны расплава и снижение ее устойчивости.
Важным этапом дальнейшего усовершенствования процесса бестигельной зонной плавки было применение индуктора с внутренним диаметром меньше диаметра проплавляемого кристалла 2> 3. (Незави-
1 Пат. 1218404. ФРГ. 1966.
2 Пат. 1148525. ФРГ. 1963.
3 Пат. 3249406. США. 1966.
301
Рис. 135. Зона расплава с твердым конусом на фронте плавления (а) и зонная плавка с индуктором, внутренний диаметр которого меньше диаметра кристалла (б):
1 — исходный стержень; 2 — твердый конус на фронте плавления; 3 — индуктор; 4 — зона расплава; 5 — кристаллизующийся стержень
симо от авторов указанных патентов такой прием был практически одновременно разработан в СССР и внедрен в практику промышленного производства в 1965 г.) В этом варианте обеспечивались надежный прогрев и проплавление стержня, минимальная асимметрия электромагнитного поля индуктора и возможность значительного увеличения диаметра выращиваемого кристалла. В настоящее время усовершенствованный вариант такой плавки широко распространен при получении стержней > 100 мм (рис. 135, б).
