Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
221
Рис. 98. Поперечное сечение кремниевого стержня, полученного в процессе водородного восстановления трихлорсилана при неблагоприятных режимах. X 0,4
Рис. 99. Морфология ростовой поверхности поликристаллического кремния, полученного при средних пересыщениях в процессе водородного восстановления трихлорсилана. Х20
мерностей формообразования кристаллов и в первую очередь в определении закономерности, управляющей переходом роста стержня от дендритного к монокристаллическому. В литературе уже известны попытки получения монокристаллических стержней. Так, в работе
[143] приведены данные о росте из газовой фазы в процессе восстановления хлорсиланов монокристаллического стержня диам. 0,01 м, а в
[144] сообщается о производстве монокристаллических стержней диам. < 0,037 м. Заметим, что промышленное производство таких монокристаллов так и не было организовано.
Еще одним направлением улучшения структуры стержней (при условии использования их для получения монокристаллов по методу Чохральского и бестигельной зонной плавкой) является резкое уменьшение размера дендритов и шероховатости поверхности. Уменьшение размера дендритов должно сопровождаться плотным их срастанием.
Детальный анализ поверхности стержня показывает, что дендриты росли совершенно самостоятельно, каждый из одного зародыша. Вначале они развивались как тонкие стержни, а затем по мере удаления друг от друга выпускали оси второго и третьего порядка. Интересно, что эти дендриты выглядят в сечении округлыми. Сошлифовывание, микроскопическое и рентгеновское исследования показали, что это сросшиеся двойники. Изменяя технологические режимы процесса водородного восстановления хлорсиланов (температуру, отношение хлорсиланов к водороду, расход паро-газовой смеси и др.), а также конструкцию реактора (тепловые условия и т.д.), можно добиться
222
изменения толщины зерен поликристаллических стержней от нескольких микрон для одного сантиметра и более. Однако при этом остаются неизменными структурные особенности стержней: нормальная ориентация зерен к оси стержня, аксиальная двойниковая текстура по (HO).
Поверхность роста поликристаллического стержня в широком диапазоне условий сложена конусообразными фигурами - макроцентрами роста, обладающими указанной двойниковой текстурой. Исследования с помощью оптического и растрового электронного микроскопов позволили изучить морфологию поверхности роста (рис. 99)*. Светлые области на рис. 99 являются выступающими участками поверхности конусообразных фигур роста. В вершине холмов выходят пачки двойниковых границ по (111). При крайне низких или очень высоких пересыщениях поверхность роста приобретает сложное строение.
Отметим еще одну интересную особенность структуры кремниевых стержней. При ведении процесса водородного восстановления во многостержневом реакторе структура участков стержней, обращенных внутрь реактора, заметно отличается от структуры наружных (обращенных к водоохлаждаемому колпаку) участков. Внутренние участки состоят из более крупных дендритов, причем чем ближе расположены друг к другу стержни, тем крупнее дендриты. Этим отличием в структуре можно управлять, изменяя не только расстояние между стержнями, но и конструкцию реактора, скорость и направление паро-газовой смеси и др. В то же время следует отметить, что для каждой конструкции многостержневого реактора существует определенное расстояние между стержнями, при уменьшении которого никакие разумные изменения технологических режимов не приостанавливают процесса бурного развития крупных дендритов.
Рассмотрим результаты исследований влияния внешних параметров на изменение формы роста кристаллов кремния^ Первую часть опытов проводили при постоянной температуре, но при вариации молярной концентрации тетрахлорсилана от процесса к процессу; вторую часть -при постоянной молярной концентрации, но при изменении температуры от 1253 до 1443 К. Таким образом, в некоторой степени независимо изменялись Tan - Tr и Р/Р^ - избыточное парциальное давление (см. гл. I).
Из полученных данных следует, что изменение концентрации хлорида приводит к изменению процесса развития дендритов. С увеличением температуры от 1253 до 1443 К при постоянной молярной концентрации размеры дендритов резко возрастают. Описанные опыты проводили с изменением расходов по линейной программе. В то же время
‘Данные Ю.М. Чащинова.
223
Рис. 100. Поперечное сечение кремниевых стержней, полученных осаждением йа поли-кристаллический пруток-подложку при разных режимах водородного восстановления три- (а, б) и дихлорсилана (в): а, в — дендритная структура; б — моиокристал-лическая область, двойниковые пластины и деидриты. X 0,7
было замечено, что резкое увеличение расхода против обычного в начале процесса восстановления замедляет в дальнейшем образование развитых, крупных дендритов.
Приближение температуры стержня Tr к температуре равновесия при данном парциальном давлении приводит к укрупнению структуры.
На начальных стадиях роста, когда особенно значительно пересыщение, структура' стержня состоит из большого количества тонких дендритов, расположенных так же, как структура затравки (рис. 100). Затем в процессе роста выклиниваются дендриты с неблагоприятными направлениями роста и структура формируется дендритами, расположенными радиально. При приближении режима к оптимальному (К< 1, см. гл. I) в структуре появляются несколько толстых пластин и моно-
