Реферат: Выращивание монокристаллов методом Чохральского (монокристаллический кремень)

Введение

Основнойобъем монокристаллического кремния (80-90%) потребляемого электроннойпромышленно-

стью, выращиваеться по методуЧохральского.

Фактически весь кремний, используемыйдля произво-

дства интегральных схем, производитьсяэтим методом.

Кристаллы выращенные этим методом обычно не содержаткраевых дислокаций, но могут включать

небольшие дислокационныепетли, образующиеся при

конденсации избыточных точечныхдефектов.

Кристаллический рост заключаеться вфазовом переходе из жидкого состояния в твердую фазу.

Применительно к кремнию этот процессможет быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая системажидкость-твердое тело.

Рост кристаллов по методуЧохральского заключаеться

в затвердевании атомовжидкой фазы на границе раздела

Скорость роста определяетьсячислом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения

атомов, поступающих из жидкойфазы, и особенностями

теплопереноса на границераздела фаз.Скорость вытягивания оказывает влияние на форму границы раздела фазмежду растущим кристаллом и расплавом,

которая являеться функциейрадиального градиента

температуры и условийохлаждения боковой поверхности растущего кристалла.

Оборудование для роста кристаллов.

Установка для выращивания кристалловпредставлена на

рисунке 2, и включает в себя4 основных узла:

1.Печь в которую входяттигель, контейнер,

механизм вращения, нагреватель, источник пита-

ния и камера.

2.Механизм вытягивания кристалласодержащий

стержень, или цепь с затравкой, механизм вращения

затравки и устройство для зажима затравки.

3.Устойство для управления составоматмосферы,

состоящее из газовых источников, расходомеров,

системы продувки и вакуумной системы.

4.Блок управления, в который входятмикропроцессор, датчики и устройства вывода.

Тигель является наиболее важным элементом

ростовой системы.Так как тигельсодержит расплав, его материал должен быть химически инертен по отношению красплавленному кремнию.

Это основное требование при выборематериала

тигля, так как электрические свойствакремния чувствительны даже к таким уровням примеси,

как 10(-7)ат.%.Кроме того, материалтигля должен

иметь высокую температуруплавления, обладать

термической стабильностью и прочностью.

Также он должен быть недорогим илиобладать способностью к многократному использованию.

К сожалению, расплавленный кремнийрастворяет

почти все используемые материалы(например

карбиды тугоплавких металлов TiC илиTaC, тем

самым способствуя слишком высокомууровню

металлических примесей в растущеммонокристалле.Тигли из карбида кремния также

неприемлимы.Несмотря на то что углерод

являеться электрически нейтральнойпримесью в

кремнии, вырастить высококачественныемонокристаллы кремния из расплавов, насыщенных

углеродом, не удаеться.

Отношение диаметра тигля к его высоте вбольших

установках =1 или немного превышает этозначение

Обычно диаметр тигля равен 25,30 или 35см.для

объема загрузки 12,20 и 30 кг.соответственно.

Толщина стенок тигля равна0.25см, однако кварц

недостаточно тверд, чтобы использоватьего в качестве контейнера для механической поддержки расплава.После охлаждениянесоответствие термических коэффициентов линейного расширения

между оставшимися в тигле кремнием икварцом

приводит к растрескиванию тигля.

Возможность использования нитрида кремния в ка-

честве материала для тиглей былапродемонстрирована при осаждении нитрида из

парогазовых смесей на стенки обычноготигля.

Контейнер используеться для поддержки кварце-

вого тигля.В качестве материала дляконтейнера

служит графит, поскольку он обладаетхорошими

высокотемпературными свойствами.Обычноиспользуют сверхчистый графит.Высокая степень чистоты необходима дляпредотвращения загрязнения кристалла, примесями, которые выделяються из графитапри высоких температурах процесса.Контейнер устанавливают

на пьедестал, вал которого соединен сдвигателем,

обеспечивающим вращение.Все устройствоможно

поднимать или опускать для поддержанияуровня

расплава в одной фиксированнойточке, что необходимо для автоматического контроля диаметра растущего слитка.

Камера высокотемпературного узла установки

должна соответствовать определеннымтребованиям.Прежде всего она должна обеспечивать

легкий доступ к деталям узла дляоблегчения

загрузки и очистки.Высокотемпературныйузел

должен быть тщательногерметизирован, дабы

предотвратить загрязнение системы изатмосферы

Кроме того, должны быть предусмотреныспециальные устройства, предотвращяющие нагрев

любого узла камеры до температуры, прикоторой

давление паров ее материала можетпривести к загрязнению кристалла.Как правило, наиболее сильно

нагреваемые детали камеры имеют водяноеохлаждение, а между нагревателем и стенками камеры устанавливают тепловыеэкраны.

Для расплавления материала загрузки используютглавным образом высокочастотный индукционный или резистивныйнагрев.Индукционный нагрев применяют при малом объеме загрузки, арезистивный-исключительно в больших ростовых

установках.Резистивные нагреватели приуровне мощности порядка нескольких десятков киловатт

обычно меньше по размеру, дешевле, легчев изготовлении и более эффективны.Они представляют собой графитовый нагреватель

, соединенный с источником постоянногонапряжения.

Механизм вытягивания кристалла.

Механизм вытягивания кристалла должен сминима-

льной вибрацией и высокой точностьюобеспечить

реализацию двух параметров процессароста:

-скорости вытягивания;

-скорости вращения кристалла.

Затравочный кристалл изготавливаеться сточной

(в пределах установленногодопуска)ориентацией,

поэтому держатель затравки и механизмвытягивания должны постоянно удерживать его

перпендикулярно поверхности расплава.

Направляющие винты часто используютьсядля

подъема и вращения слитка. Этот методпозво-

ляет безошибочно центрировать кристаллотно-

сительно тигля, однако при выращиваниислитков

большой длины может оказаться необходимой

слишком большая высотаустановки.Поэтому,

когда поддержание необходимой точностипри вы-

ращивании длинных слитков необеспечиваеться

винтовым устройством, приходитьсяприменять многожильные тросы.В этом случае центровка

положения монокристалла и тиглязатруднена.

Более того, в процессе наматывания тросавозможно

возникновение маятникого эффекта.Тем неменее

применение тросов обеспечивает плавноевытя-

гивание слитка из расплавава, а приусловии их

наматывания на барабан высота установокзначительно уменьшаеться. Кристалл выходит из

высокотемпературной зоны через системупродувки

, где газовый поток-в случае есливыращивание про-

изводиться в газовойатмосфере-движеться вдоль

поверхности слитка, приводя к егоохлаждению.

Из системы продувки слиток попадает вверхнюю

камеру, которая обычно отделена отвысокотемпературной зоны изолирующим клапаном.

Устройстводля управления составом атмосферы.

Рост монокристалла по методуЧохральского должен

проводиться в инертной среде иливакууме, что вызвано следующими причинами:

1) Нагретые графитовые узлы должны быть

защищены от воздействия кислорода для

предотвращения эррозии;

2) Газовая атмосфера не должна вступатьв

химическую реакцию с расплавом кремния.

Выращивание кристаллов в вакуумеудовлетворяет указанным требованиям и, кроме того, имеет ряд

преимуществ, в частности, способствуетудалению

из системы моноокиси кремния, тем самымпредо-

твращаяет ее осаждение на стенкахкамеры.При

выращивании в газовой атмосфере чащевсего используют инертные газы: аргон и гелий.

Инертные газы могот находиться приатмосферном или пониженном давлении.В промышленных производстве для этих целейиспользуются аргон

что объясняеться его низкой стоимостью.

Оптимальный расход газа составляет1500л на 1кг

выращенного кремния.Аргон поступает вкамеру при

испарении из жидкого источника и долженсоответствовать требованиям высокой чистоты

в отношении содержаниявлаги, углеводородов,

и других примесей.

Блокуправления.

Блок управления может включать в себяразные

приборы.Он предназначен для контроля и

управления такими параметрамипроцесса, как

температура, диаметр кристалла, скоростьвытягивания и скорость вращения.Контроль

может проводиться по замкнутомуили разомкнутомуконтуру.Параметры, включающие

скорости вытягивания и вращения, имеютбольшую

скорость отклика и чаще всегоконтролируються

по принципу замкнутого контура собратной связью.

Большая тепловая масса обычно нетребует

кратковременного контролятемпературы.Например

для контроля диаметра растущегокристалла ин-

фракрасный датчик температуры можетбыть сфокусирован на границе раздела фаз расплав-

монокристалл и использован дляопределения температуры мениска.Выход датчика связан с

механизмом вытягивающего устройства иконтро-

лирует диаметр слитка путем измененияскорости вытягивания.Наиболее перспективными управляющими являються цифровыемикропроцессорные системы.Они позволяют уменьшить непосредственное участиеоператора в

процессе выращивания и дают возможность

организовать програмное управлениемногими этапами технологического процесса.

Схема установки для выращивания кристаллов.

1.затравочный шток 2.верхний кожух3.изолирующий клапан

4.газовый вход 5.держатель затравки изатравка 6.камера

высокотемпературной зоны 7.расплав8.тигель 9.выхлоп

10.вакуумный насос 11.устройствовращения и подъема тигля

12.система контроля и источник энергии13.датчик температуры

14.пьедестал 15.нагреватель 16.изоляция17.труба для продувки

18.смотровое окно 19.датчик дляконтроля диаметра растущего

слитка.

Список литературы: