Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Зависимость скорости осаждения кремния от концентрации трихлорсилана в водороде при температуре 1350 К приведена на рис. 106, б.
Зависимость выхода кремния от концентрации трихлорсилана в исходной паро-газовой смеси иллюстрирует рис. 106, в.
При осаждении кремния в промышленных реакторах происходит перенос тепла и массы, оказывающей влияние на показатели процесса. К сожалению, однозначной количественной оценки этого процесса пока установить не удалось.
Известно, что перенос тепла может происходить посредством передачи энергии от частицы к частице (см. гл. I), а перенос массы -с помощью диффузии. Может также происходить одновременный перенос тепла и массы посредством конвекции. В случае движения, вызванного внешними силами, имеет место вынужденная конвекция, а при движении, вызванном разностью температур или концентраций, происходит естественная конвекция.
Размеры реактора и степень его заполнения стержнями кремния при прочих равных условиях будут оказывать влияние на процессы переноса в реакционном объеме, а следовательно, и на показатели осаждения кремния.
Увеличение в опытном реакторе размера металлического водоохлаждаемого колпака при сохранении количества стержней привело к снижению скорости осаждения кремния на 2 % [131]. При использовании в качестве реакционной камеры неохлаждаемого кварцевого колпака аналогичного размера снижение скорости осаждения составляло уже ~ 6,1 %. При установке кварцевого неохлаждаемого экрана внутрь промышленного водоохлаждаемого металлического реактора
237
o \
_____I____I-----J______L_S
O 8 16 2b o 4 8 12 16 18
H2:SiCU H2-SiHCl3
Рис. 106. Зависимость удельной скорости осаждения кремния Гуд от мольного отношения
О Ч в 12 H2-StHCl3 2' SiCI« hS' SfflCl3 (б)
- и зависимость выхода крем-
ния от мольного отношения H2:
SiHCl^ (в); б, в — для промышленного реактора. Температура 1350 К
нами также обнаружено снижение скорости осаждения кремния, но на 10-12 %.
Приведенные примеры указывают на то, что процессы осаждения связаны с процессами тепломассопереноса в реакционном объеме.
По данным, полученным при введении радиоактивных изотопов в реактор [149], реакционная среда непрерывно перемешивается, и структура потоков в аппарате близка режиму идеального перемешивания.
Потоки паро-газовой смеси двигаются вдоль нагретых стержней кремния вверх и опускаются вдоль охлаждаемых стенок реактора вниз, создавая интенсивное перемешивание реакционной смеси в объеме между стержнями.
С ростом диаметра стержней и увеличением расхода паро-газовой смеси степень перемешивания среды в реакционном объеме повышается [149], а движущая сила процесса снижается (уменьшается ууд).
Характер изменения ууд от диаметра, имеющий для каждого из типов реакторов свою особенность, требует в каждом конкретном случае особых режимов проведения процесса и поиска наиболее совершенной конструкции реактора.
Вспомогательные технологические операции
Принятая технология монокристаллического кремния требует получения механически прочных поликристаллических стержней большого диаметра. Наличие трещин в них приводит к неконтролируемому загрязнению стержней во время дальнейших механической и химической обработок и исключает возможность последующей бестигельной зонной плавки.
238
0,7
0,6
0,5
0,4
Ряс. 107. Предполагаемое распределение напряжений 0 в поперечном сечении кремниевого стрежня; R — радиус стержня
Исследование трещинообразования в стержнях кремния, выполненное авторами [150], показало, что основными причинами возникновения напряжений в стержнях кремния являются неоднородность теплового поля в поперечном сечении стержней при их росте и различие коэффициентов теплового линейного расширения поликристаллического кремния с неодинаковой структурой. Поскольку нагрев стержней осуществляется пропусканием тока, то в поперечном сечении стержней по мере роста возникают температурные градиенты, которые приводят к значительным температурным напряжениям.
В результате фрактографических исследований установлено [150], что трещины зарождаются в центральных частях стержней, где развиты касательные напряжения растяжения. В то же время краевые периферийные части стержней находятся в сжатом состоянии и препятствуют выходу трещин (рис. 107).
Возможности изменения температурных режимов осаждения ограничены, так как они жестко регламентируются требованиями экономического характера и структурой стержней, поэтому существенное внимание уделяют процессу охлаждения уже выращенных стержней, в ходе которого пытаются снять возникшие термические напряжения.
Опыт работы авторов показал, что для многостержневых металлических реакторов скорость охлаждения должна быть в пределах 423-523К/ч до температуры 1163-1193 К. Далее целесообразно провести отжиг стержней при этих температурах в течение некоторого времени и затем охлаждать стержни с той же скоростью. При этом лучшие результаты получают, используя в качестве среды охлаждения аргон или азот.
При получении стержней кремния в металлических водоохлаждаемых реакторах на стенках камеры в процессе осаждения образуется слой полисиланхлоридов [(SiClrJn ' H2 и SiCl2n + последние в зависимости от структуры полимерных молекул представляют собой маслянистые бесцветные жидкости или вязкую, однородную массу. При 533-553 К полисиланхлориды закипают с образованием пены и выделением паров; при более высокой температуре (573-583 К) пена имеет оранжевый цвет. При этом происходят следующие реакции [151]:
