Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Иногда удается также выявить фронт кристаллизации обычным химическим глубоким травлением в смеси плавиковой и хромовой кислот. Сопоставление форм фронта кристаллизации, выявленных методом отрыва и химического травления для одних и тех же кристал; лов, показало хорошее соответствие.
Как свидетельствуют результаты исследований, для монокристаллов кремния, полученных по методу Чохральского и бестигельной зонной плавкой, наиболее характерны формы фронта кристаллизации, приведенные на рис. 23. Ho это лишь схемы фронта. В действительности же фронт кристаллизации ограничен не плавной, а ступенчатой поверхностью. Часто на фронте кристаллизации в зависимости от направления выращивания можно наблюдать плоские участки разной протяженности. Кроме этого, в отдельных случаях на фронте кристаллизации образуются макро- и микровпадины, выступы и т.д.
69
Рис. 23. Формы фронта кристаллизации при выращивании монокристаллов кремния:
а ~ выпуклая; б — вогнутая; в ~ плоская; г - волнообразная
а 6 В г
При анализе поверхности фронта кристаллизации монокристаллов кремния, выявленного путем отрыва, прежде всего обращает на себя внимание крупный выступ конусообразной формы, образовавшийся при затвердевании последней капли расплава (рис. 24). Место расположения этой капли зависит от формы фронта кристаллизации и кристаллографического направления, по которому проводится выращивание. Однако, если на фронте кристаллизации есть достаточно большой горизонтальный участок выхода грани (111), капля располагается непосредственно на этом участке.
Кроме крупной капли, на фронте кристаллизации монокристаллов, боковая поверхность которых близка к цилиндрической, часто можно наблюдать образование трех небольших выступов (точек), а для монокристаллов с шестиугольной боковой поверхностью шести точек. Указанные точки наблюдаются непосредственно возле цилиндрической поверхности или на небольшом расстоянии от нее. Для монокристаллов с цилиндрической боковой поверхностью точки располагаются в районе явных, а шестиугольных монокристаллов - явных и неявных граней. Точки несколько сдвинуты относительно центров граней в направлении, противоположном вращению монокристалла.
Место расположения описанных выступов на фронте кристаллизации определяется, по-видимому, межфазным натяжением. Непосредственно перед отрывом переохлаждение на гранях выше, чем в остальных местах, что приводит к стягиванию оставшейся при отрыве пленки расплава к этим местам. Сдвиг точек относительно центра граней вызван центробежной силой, возникающей при вращении монокристалла. В дальнейшем при кристаллизации капель температура в этих местах за счет выделения теплоты затвердевания повышается, что способствует вытягиванию капель в вертикальном направлении. Увеличению размеров выступов на фронте кристаллизации способствует также возрастание удельного объема при затвердевании.
При выращивании монокристаллов кремния по направлению [111] на фронте кристаллизации наряду с округлыми участками возникает плоская молекулярно-гладкая поверхность (рис. 25). В отличие от плоского фронта роста, который достигается при vz = v и, как правило, представляет собой ступенчатую поверхность с малой высотой ступеней, образующаяся грань оказывается зеркально гладкой. Если фронт
70
Рис. 24. Поверхность отрыва монокристаллов кремния, выращенных по направлению [111] при боковой поверхности, близкой к цилиндрической (а) и шестигранной (б) формам. XO,6
Рис. 25. Поверхность отрыва монокристаллов кремния, выращенных по направлению [111] с выходом гранн (111) на вогнутом (о) и выпуклом (б) в сторону кристалла фронтах кристаллизации. Светлое периферийное кольцо (а) и область в центре (б) — грань (111). X 0,5
кристаллизации выпуклый, то грань образуется на возвышенности (в глубине жидкости). Если же фронт вогнут в сторону кристалла, то грань образуется на периферийной части окружности (рис. 25, а).
Установлено, что эта грань совпадает с кристаллографической гранью (111) решетки кремния. Кроме горизонтальной грани (111), на фронт кристаллизации выходят также боковые нижние и верхние грани
71
Рис. 26. Схемы роста при выращивании монокристалла из расплава:
а—г; д—з — продольный и поперечный разрезы соответственно; а—в — выпуклый, вогнутый и плоский фронты кристаллизации; г — граница раздела со сложным изгибом (
(111). При выращивании по направлениям, отличающимся от [111], например по [100], на фронт кристаллизации выходят только боковые грани.
Рассмотрим теперь схемы роста монокристаллов кремния из расплава.
При внесении затравки в перегретую жидкость она несколько оплавляется и утоньшается до момента вытягивания: затем с началом вытягивания на нее накристаллизовывается расплав. Сплавление затравки и толщина, до которой она оплавляется, зависят от времени выдержки и температуры расплава. При достаточно большой выдержке она приобретает форму полусферы и, наконец, может приобрести совсем малую кривизну границы раздела. В зависимости от кривизны границы раздела начальные стадии кристаллизации могут протекать с помощью огромного количества двумерных зародышей при большой кривизне границы раздела либо одиночных разрастающихся зародышей при малой. Для формы фронта [направление выращивания перпендикулярно -грани (111)], представленной на рис. 26, о, рост может обеспечиваться образованием одного двумерного зародыша на выпуклой части кристалла; для формы, приведенной на рис. 26, б, вследствие образования одного или нескольких зародышей на выступающем внешнем ободке
