Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Производство крупногабаритных кремниевых блоков направленной кристаллизацией обеспечивает получение заданной текстуры отливок (рис. 133), необходимую крупность зерен, а также эвакуацию растворенных в расплаве газов в последнюю его порцию. Особые трудности возникают при получении изделий сложной конфигурации с толщиной стенок 6-12 мм [221] (рис. 134, а). Для получения изделий необходимо создать тепловые условия, при которых затвердевание всего объема отливки происходит раньше, чем закристаллизуется свободная поверхность в литниковом устройстве. В противном случае последующая кристаллизация островков жидкой фазы, оставшихся внутри твердой фазы, приведет к неизбежному разрыву отливки и формы. Кроме того, учитывая массу литейной формы, теплоемкость и теплопроводность
материала, из которого она изготовлена, необходимо подобрать темпе-ч ратуру предварительного подогрева формы, чтобы обеспечить оптимальную скорость охлаждения затвердевшей отливки.
Если изделие имеет полость, стержень литейной формы должен быть подвижным или легко разрушающимся под действием возникающих напряжений. На качество тонкостенных отливок влияют также
297
Рис. 133. Тонкая стенка кремниевой отливки. X 2,5
температура заливаемого расплава и динамика заполнения им объема формы. Существенным недостатком литья в закрытые формы является образование раковин в отливках. Обычно раковины располагаются по границам стыка слоев, растущих от различных частей литейной формы. Быстротечный процесс кристаллизации (> 0,5 кг/мин) не позволяет вывести газовые включения за пределы отливки (рис. 134, б). Установлено, что ответственным за образование раковин является водород, содержащийся как в исходном кремниевом сырье (~ 1-9 см3 в 0,1 кг кремния), так и образующийся в процессе химических реакций при наличии влаги.
Кроме этого, развиваются методы получения путем литья заготовок для бестигельной зонной плавки из кускового (порошкообразного) кремния и др. Методом литья могут быть также получены полые цилиндрические изделия (трубы). Возможно также выращивание кремниевых труб в тех же установках, в которых выращивают монокристаллы.
Кремниевые трубы с поликристаллической структурой могут быть выращены в тех же установках, в которых выращивают монокристал-
Рис. 134. Кремниевая отливка, полученная литьем в графитовую форму (а). Фрагмент структуры отливки с раковинами. X 2,5 (б)
298
\
ль» по методу Чохральского. Если отношение удельных тепловых потоков, подводимых к боковым стенкам тигля с расплавом и к его донной части, установить равным 0,4- 0,6, то при этом в расплаве создается устойчивый восходящий поток, формирующий на зеркале расплава переохлажденную кольцевую область (диаметр кольца составляет
0,4-0,8 от диаметра тигля). При введении в эту область кольцевой вращающейся затравки переохлаждение увеличивается. Скорость вращения затравки зависит от диаметра выращиваемой трубы и рассчитывается по формуле: п = (15,5 - 4dTp)/ndTp об/мин, где (Irp - наружный диаметр трубы, мм [222].
Используя приведенную технологию, выращивали трубы диам. 60- 200 мм со скоростью 2,5- 3,2 мм/мин, при использовании монокристаллических затравок выращивали монокристаллические трубы. Толщина стенки зависит от диаметра трубы и составляет 5-7 мм.
2. БЕСТИГЕЛЬНАЯ ЗОННАЯ ПЛАВКА
Общие сведения. Оборудование
Как уже указывалось, одним из основных недостатков получения монокристаллов кремния по методу Чохральского является загрязнение расплава Частично растворяющимся кварцевым тиглем. При этом в расплав в значительных количествах переходят кислород (по реакции Si + SiO2 = 2SiO) и ряд других примесей, имеющихся в кварцевом тигле.
Для устранения этого явления был предложен метод бестигельной зонной плавки1, отличительная особенность которого - создание в стержне зоны расплава без применения контейнера. Затем метод интенсивно развивался [223- 226], и были разработаны основные приемы промышленного выращивания кристаллов кремния.
Схема метода бестигельной зонной плавки приведена на рис. 19, б. Кремниевый стержень закрепляют вертикально в камере установки в специальном держателе. Co стороны одного из концов стержня (обычно с нижнего) располагают затравочный кристалл. Зону расплава
- создают в вертикально расположенном стержне. В этой зоне развивается давление, обусловленное массой расплава. Это давление называется гидростатическим Pt и определяется уравнением
Pt = УжёК (36)
где Уж - плотность расплавленного кремния, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - высота зоны расплава, м.
1 ІТат. 3060123. США. 1962.
299
Зона расплава может быть устойчивой (т.е. может обеспечивать процесс плавки), если поверхность расплава выдерживает гидростатическое давление, т.е. поверхность зоны расплава должна обладать определенной силой (энергией), сдерживающей внутреннее (гидростатическое) давление и обеспечивающей устойчивое состояние зоны расплава. Такой силой является поверхностное натяжение. Как уже отмечалось, давление, создаваемое поверхностным натяжением, Ри, определяется уравнением
