Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского

Около 75% всего производства монокристаллического Si ведет­ся по методу Чохральского, который обеспечивает должный уровень качества, необходимый при изготовлении БИС (интегральных микро­схем большой степени интеграции).

Метод Чохральского основан на направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава.

Современная установка для выращивания по Чохральскому (рисунок 3.1) представляет большой агрегат высотой более 5 м, включающий рабочую камеру, электронагреватель, прецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования и газораспределения, устройства контроля и управления через ЭВМ.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов следующая.

      3.5.1.1 Подготовка и загрузка исходных материалов. В тигель помещают поликристаллический Si, полученный хлоридным методом, легирующую примесь, отходы монокристаллов, вакуумируют рабочую камеру, расплавляют материалы в тигле и выдерживают при Т > Т_плавл
чтобы испарились летучие примеси.

3.5.1.2 Прогрев затравки. Затравка - это монокристаллический
стержень из Si малого диаметра, служащий центром кристаллизации.
Поперечное сечение затравки определяет ориентацию монокристалла: Δ - (III), □ - (100), ▬ - (110).

Рисунок 3.10 – Схема установки для выращивания слитков Si по методу Чохральского.

Прогревают затравку при высоких температурах, чтобы предотвратить термоудар, появление структурных несовершенств при опускании ее в расплав.

3.5.1.3 Выращивание шейки. Затравку опускают в расплав и с вы­сокой скоростью поднимают, при этом из расплава "вытягивается"
тонкий кристалл малого диаметра - шейка.

3.5.1.4 Разращивание и "выход на диаметр". За счет снижения
скорости "подъема до (1,5-3) мм/мин осуществляется увеличение
диаметра до заданного номинала.

3.5.1.5 Выращивание цилиндрической части в автоматическом ре­жиме. ЭВМ обеспечивает управление системами поддержания температуры, скорости вытягивания, подъема и опускания штока с затравкой,
вращения тигля.

3.5.1.6 Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава.

3.5.1.7 Медленное охлаждение кристалла, чтобы свести до минимума дефекты его структуры. Диаметр монокристаллических слитков
(75-100) мм, длина 1,5 м. Возможно выращивание слитков диаметром 150 мм и более. В заданную марку по удельному сопротивлению попа­дает обычно не более 50% длины слитка, остальная часть распределяется на другие марки или направляется снова в тигель для расплавления.

Недостатки метода Чохральского:

- растворение кварцевого тигля в расплаве Si со скоростью 10^-6 г/(cм². с), что обусловливает высокое содержание кислорода в слитке и малое удельное электрическое сопротивление, не более 10⁴ Ом∙м;

- неравномерное распределение примесей, дефектов по длине слит­ка и по площади кристалла.

Для выращивания высокочистых монокристаллов Si г применяют ме­тод бестигельной зонной плавки.

3.5.2. Зонная плавка кремния и германия

Метод бестигельной зонной плавки кремния основан на плавлении небольшой зоны поликремниевой цилиндрической заготовки, находящей­ся в вертикальном положении (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 – Зонная очистка Si.

Узкая расплавленная зона создается с помощью ВЧ-индуктора (5,28 МГц). Тепло за счет вихревых токов выделяется непосредст­венно в Si, что приводит к быстрому расплавлению конца заготов­ки и образованию капли, которая из-за высокого поверхностного на­тяжения удерживается на слитке. Снизу к этой капле подводят затравку и далее, как в методике Чохральского, вытягивается шейка, а затем цилиндр монокристалла. Таким методом можно получить Si с предельно высоким удельным сопротивлением 10⁷ Ом∙м, но после нес­кольких проходов зоны, т.е. за счет бестигельной зонной очистки. Зонная очистка представляет собой кристаллизационный метод очист­ки, основанный на различии растворимости примеси в жидкой и твер­дой фазах, т.е. на явлении сегрегации. Отношение концентраций примеси в контактирующих твердой и жидкой фазах называют коэффи­циентом распределения Кр. Этот коэффициент меньше единицы, если введение примесного компонента понижает температуру плавления чи­стого вещества. В Si подавляющее большинство примесей имеет коэффициенты распределения намного меньше единицы (таблица 3.3), и в процессе направленной кристаллизации такие примеси оттесняются в объем расплава.

Таблица 3.3

Процесс зонной плавки Ge аналогичен процессу зонной плавки Si (рисунок 3.12), только при этом Ge - слиток 3 находится в тигле-графитовой лодочке 4, заключенной в кварцевой трубке I, по которой проходит водород или инертный газ. С помощью индуктора 2, пи­таемого от ВЧ-генератора, получают узкую расплавленную зону 5 ши­риной 40-50 мм, медленно перемещающуюся вдоль образца со скоростью 50-100 мкм/с с помощью подвижной каретки 6.

В ходе зонной плавки все примеси, имеющие коэффициент распределения меньше единицы, собираются в хвостовой части слитка, которая обрезается по окончании процесса. Контроль качества слитков после данной плавки осуществляется измерением удельного сопротивления материала.

Рисунок 3.12 – Зонная очистка Ge.

Приведенные методы зонной плавки для Si и Ge являются наи­более эффективными. Вертикальная бестигельная зонная плавка для Ge невозможна, так как коэффициент поверхностного натяжения жид­кого Ge в отличие от Si очень мал. Узкая расплавленная зона Si удерживается между твердыми частями слитка за счет больших сил поверхно­стного натяжения (рисунок 3.11).

Процесс горизонтальной зонной плавки ПП слитка по схеме рисунка 3.12 для Si не используется. Графитовая лодочка может стать ис­точником реакции расплава Si с углеродом, что не позволит полу­чить слитки Si высокой степени чистоты.