Монокристаллический кремень

Введение

Основной объем монокристаллического кремния (80−90%) потребляемого электронной промышленностью, выращивается по методу Чохральского.

Фактически весь кремний, используемый для производства интегральных схем, производиться этим методом.

Кристаллы выращенные этим методом обычно не содержат краевых дислокаций, но могут включать небольшие дислокационные петли, образующиеся при конденсации избыточных точечных дефектов.

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

Применительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость-твердое тело.

Рост кристаллов по методу Чохральского заключается в затвердевании атомов жидкой фазы на границе раздела Скорость роста определяется числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, поступающих из жидкой фазы, и особенностями теплопереноса на границе раздела фаз. Скорость вытягивания оказывает влияние на форму границы раздела фаз между растущим кристаллом и расплавом, которая является функцией радиального градиента температуры и условий охлаждения боковой поверхности растущего кристалла.

Оборудование для роста кристаллов.

Установка для выращивания кристаллов представлена на рисунке 2, и включает в себя 4 основных узла:

1. Печь в которую входят тигель, контейнер, механизм вращения, нагреватель, источник питания и камера.

2. Механизм вытягивания кристалла содержащий стержень, или цепь с затравкой, механизм вращения затравки и устройство для зажима затравки.

3. Устройство для управления составом атмосферы, состоящее из газовых источников, расходомеров, системы продувки и вакуумной системы.

4. Блок управления, в который входят микропроцессор, датчики и устройства вывода.

Тигель является наиболее важным элементом ростовой системы. Так как тигель содержит расплав, его материал должен быть химически инертен по отношению к расплавленному кремнию.

Это основное требование при выборе материала тигля, так как электрические свойства кремния чувствительны даже к таким уровням примеси, как 10(-7) ат. %. Кроме того, материал тигля должен иметь высокую температуру плавления, обладать термической стабильностью и прочностью.

Также он должен быть недорогим или обладать способностью к многократному использованию.

К сожалению, расплавленный кремний растворяет почти все используемые материалы (например, карбиды тугоплавких металлов TiC или TaC, тем самым способствуя слишком высокому уровню металлических примесей в растущем монокристалле. Тигли из карбида кремния также неприемлемы. Несмотря на то, что углерод является электрически нейтральной примесью в кремнии, вырастить высококачественные монокристаллы кремния из расплавов, насыщенных углеродом, не удается.

Отношение диаметра тигля к его высоте в больших установках =1 или немного превышает это значение Обычно диаметр тигля равен 25,30 или 35 см. для объема загрузки 12,20 и 30 кг. соответственно.

Толщина стенок тигля равна 0.25см, однако кварц недостаточно тверд, чтобы использовать его в качестве контейнера для механической поддержки расплава. После охлаждения несоответствие термических коэффициентов линейного расширения между оставшимися в тигле кремнием и кварцем приводит к растрескиванию тигля.

Возможность использования нитрида кремния в качестве материала для тиглей была продемонстрирована при осаждении нитрида из парогазовых смесей на стенки обычного тигля.

Контейнер используется для поддержки кварцевого тигля. В качестве материала для контейнера служит графит, поскольку он обладает хорошими высокотемпературными свойствами. Обычно используют сверхчистый графит. Высокая степень чистоты необходима для предотвращения загрязнения кристалла, примесями, которые выделяются из графита при высоких температурах процесса. Контейнер устанавливают на пьедестал, вал которого соединен с двигателем, обеспечивающим вращение. Все устройство можно поднимать или опускать для поддержания уровня расплава в одной фиксированной точке, что необходимо для автоматического контроля диаметра растущего слитка.