Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
В то же время повышенные значения тн н 3 после аналогичной термической обработки сохраняются только в монокристаллах с содержанием углерода (0,8-2) • 10 17 см"3. При концентрациях углерода (0,1-0,8)1017 и (2-7,5)1017 см"3 такого эффекта не наблюдалось. При высоких температурах термической обработки (~ 900 °С) вследствие распада твердого раствора углерода могут образовываться достаточно крупные скопления глубоких термодоноров (Ec = 0,48 эВ), которые в свою очередь являются центрами зародышеобразования при распаде твердых растворов железа и других примесей [211]. Вызванное присутствием углерода сжатие решетки кремния может компенсироваться растягивающими напряжениями за счет введения О, Sb, Al, Ga, In, Tl [212]. Это позволяет повысить уровень легирования и получить малонапряженные кристаллы и пластины-подложки. С повышением концентрации углерода от 1 до 7 • IO17 см'3 в кристаллах кремния повышаются микротвердость и предел текучести [213, 214]. Известно также, что специальное легирование углеродом кремния, предназначенного для целей оптоэлектроники и изготовления солнечных элементов, приводит к повышению к.п.д. приборов на 2,5-4 % по сравнению с использованием низкоуглеродистого кремния2.
1KoeanbnyK В.Б. Исследование электрически активных кислородных комплексов в термообработанном кремнии: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Киев, 1987. — 16 с.
2 Пат. 3109051. ФРГ. 1982.
295
Изготовители БИС и СБИС указывают на чрезвычайно вредное влияние углерода независимо от его концентрации на качество приборов и выход годного [215] и выдвигают требование снизить концентрацию углерода до уровня < (2-5)1016 см-3. По данным [216], при концентрации углерода < 2 • IO16 см"3 дефекты в монокристаллических пластинах не образуются даже при длительных термических обработках, а автор [217] считает, что концентрация углерода по этим же причинам должна составлять < 4 - IO15 см"3.
Основными источниками углерода в монокристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского, являются исходная сырьевая загрузка [в стержнях кремния, полученных в процессе водородного восстановления хлорсиланов, содержится (1-2)-1016 см-3 углерода], пылящие детали графитовой оснастки камеры и газообразные оксиды, образующиеся в процессе выращивания.
Обычно величина концентрации углерода в монокристаллах кремния, получаемых методом Чохральского, изменяется в интервале (2-7)-IO16CM"3.
Нами было установлено, что достижение в бездислокационных . монокристаллах концентраций углерода, больших (3-4)1017 см"3, возможно только при введении его из газовой фазы. Очистка расплава от углерода осложняется тем, что он является слаболетучей примесью: характерная величина коэффициента испарения для метода Чохральского составляет IO"4 см/с [218]. Интенсифицировать процесс испарения углерода из расплава можно, увеличивая испарение кислорода, который является транспортом для слаболетучего углерода.
Современный уровень развития технологии позволяет подбором соответствующих условий (газодинамики в ростовой камере, состава атмосферы выращивания, исходного сырья, качества графитовой оснастки) получать бездислокационные монокристаллы с заданной концентрацией углерода в интервале~ 1 • IO16-7- IO17 см"3.
Отметим, что наиболее достоверно объяснить влияние кислорода и углерода на свойства монокристаллов кремния, а также найти практические методы управления этим влиянием можно, по-видимому, на основе представлений об образовании и распаде пересыщенных твердых растворов указанных примесей в кремнии.
Получение изделий сложной формы из кремния
Одним из наиболее дешевых способов получения кремниевых изделий является литье. Успешно получают кремниевые СЛИТКИ CO столбчатой структурой массой до 120 кг [219] для фотопреобразователей наземного применения [220]. Производство крупных блоков кремния осуществляется методом литья в формы соответствующего размера с последующей направленной кристаллизацией снизу вверх. Эти слитки
296
сечением 43x43 см2 в дальнейшем разрезаются на более мелкие (10x10 см2). Последние разрезаются на пластины толщиной 0,6 мм, на основе которых изготавливают фотопреобразователи. По прогнозам, в 1991 г. 25 % от всего количества выпущенных солнечных батарей будет изготовлено на основе литого кремния. При этом к.п.д. фотопреобразователей достигает 15 %.
По совокупности физико-химических свойств кремний можно отнести к разряду нелитейных материалов. Высокая реакционная способность кремния в расплавленном состоянии вынуждает вести процесс в вакууме или в атмосфере защитного газа. Увеличение объема кремния в процессе кристаллизации требует разработки технологических приемов, исключающих возможность затвердевания свободной поверхности раньше, чем произойдет кристаллизация всего объема отливки. Из-за повышенной хрупкости кремния проводится литье в предварительно подогретую форму, требуется также программное охлаждение отливки.
Выбор материала формы для литья оказывается весьма затруднительным, так как расплав кремния смачивает большинство тугоплавких материалов или при затвердевании вступает в соединение с ними. Применение графита, кварца и других материалов для изготовления литейных форм возможно при условии, что температура в месте контакта расплава с формой не будет превышать допустимую. Именно этим объясняется развитие процесса литья с последующей направленной кристаллизацией вместо более простого на первый взгляд метода использования плавильного контейнера для процесса кристаллизации.
