Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
При малой скорости выращивания (1-2 мм/мин) зона расплава имеет малую длину и большой температурный градиент в растущей части кристалла. Кроме того, уменьшается расстояние между зоной расплава и индуктором. В этом случае электродинамическое воздействие деформирует зону расплава, что приводит к искривлению растущего кристалла (винтообразная форма) и возможному проливу зоны расплава.
При увеличении скорости выращивания повышается количество выделяемого в единицу времени тепла кристаллизации и температурный градиент в растущем монокристалле уменьшается. Зона расплава принимает устойчивую и симметричную форму, а это в свою очередь повышает устойчивость и воспроизводимость роста монокристаллов без дислокаций.
Однако существует критическая скорость выращивания, превышение которой приводит к прекращению монокристаллического роста и появлению поликристалла. Зависимость этой критической скорости выращивания от диаметра показана на рис. 146 и описывается эмпирическим выражением [240]: vKp = 3/(2/5).
На практике установлено, что оптимальной для устойчивого и 318
0,1 0,3 0,5 1,0 3,0 7,0
d,CM
Рис. 146. Зависимость критической скорости выращивания в вакууме от диаметра кристалла
Рис. 147. Схема, иллюстрирующая влияние скорости вращения на форму фронта кристаллизации [Ot1, Ota — углы между осью кристалла (!) и касательной к поверхности мениска расплава (2) в трехфазной точке у фронта кристаллизации]
воспроизводимого выращивания бездислокационных монокристаллов диаметром до 60 мм является скорость 3- 5 мм/мин.
Скорость вращения также оказывает влияние на форму зоны расплава и устойчивость роста бездислокационных монокристаллов [239]. Возрастание скорости вращения растущего монокристалла приводит к увеличению диаметра зоны расплава у фронта кристаллизации - зона расплава как бы распухает. Это состояние зоны расплава можно охарактеризовать двумя параметрами (рис. 147): углом отклонения видимой границы фронта кристаллизации от горизонтали ? и величиной разности между максимальным и минимальным углами, образованными осью кристалла и касательной к поверхности мениска расплава в трехфазной точке у фронта кристаллизаци б а. С увеличением скорости вращения угол ? уменьшается независимо от диаметра растущего монокристалла. В то же время изменение б а существенно зависит от диаметра монокристалла. Изменение б а вызвано воздействием центробежных сил и электродинамического давления на зону расплава, оно приводит к нарушению симметричности зоны расплава и значительно снижает устойчивость роста бездислокационных монокристаллов.
Среда выращивания (вакуум, инертный газ - аргон, водород, смесь водорода и аргона) играет важную роль при выращивании бездислокационных монокристаллов. Практика выращивания бездислокационных монокристаллов кремния показывает, что при использовании вакуума добиться достаточно высокого выхода в готовую продукцию можно
319
только при выращивании монокристаллов диам. < 30 мм. При увеличении диаметра монокристаллов выход резко снижается и производство становится экономически невыгодным. Это связано с тем, что при выращивании бездислокационных монокристаллов диам. > 30 мм применяют индукторы тарельчатой формы с внутренним диаметром меньше диаметра монокристалла. При таком способе выращивания большая часть холодного индуктора находится над зоной расплава и на ней осаждаются испаряющийся из расплава кремний и примеси. Осадок (гарнисаж) по структуре является рыхлым и может отслаиваться и попадать обратно в зону расплава. Даже мельчайшая частица гарнисажа, попадая на фронт кристаллизации при выращивании бездислокационных монокристаллов, может явиться причиной зарождения и развития дислокаций [2]. Изучение -скорости движения дислокаций после их зарождения путем нанесения царапины на поверхности в процессе роста бездислокационных монокристаллов [241] показало значительную зависимость ее от температуры. Установлено, что в интервале температур от 1300 К до температуры плавления кремния средняя скорость перемещения дислокаций к фронту кристаллизации изменяется от 0,04 до 0,12 см/с.
Для уменьшения испарений из зоны расплава и образования ґарни-сажа выращивание проводят в среде защитного газа при атмосферном или избыточном давлении. При выборе защитного газа основными требованиями являются степень его чистоты (для исключения загрязнений), величина пробивного напряжения (диэлектрической проницаемости) и минимальная растворимость в жидком и твердом кремнии. В качестве защитного газа используют водород, аргон и смесь водорода с аргоном. Существует информация о применении аргона с добавкой азота1 [242]. ч
Выращивание в среде водорода или смеси водорода с аргоном проводят крайне редко - при необходимости придания монокристаллам кремния специальных свойств (например, высокого тн.н.3)- Обладая высоким пробивным напряжением (выше на 2 кВ, чем у аргона, см. кривые Пашеиа [231]), водород в то же время имеет большую растворимость в жидком кремнии. Это приводит к образованию в выращенных монокристаллах дефектов в виде газовых включений, которые проявляются как дефекты аномального травления (рис. 148). Такие монокристаллы, как правило, непригодны для изготовления приборов. Многочисленные эксперименты показали, что наилучших результатов по воспроизводимости выращивания бездислокационных монокристаллов можно добиться, используя в качестве защитного газа аргон, дополнительно
