Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, возникает гладкая критическая поверхность -поверхность, на которой может возникнуть только один двумерный зародыш. Если размер поверхности больше, то на ней может возникнуть несколько зародышей, которые приводят к образованию макроступеней или ветвлению. По-видимому, размер такой поверхности как-то связан с размером трехмерного критического зародыша. Так, если считать, что поверхность плоскогранного критического зародыша достаточна для образования на ней одного двумерного зародыша (в центре грани), то критическая поверхность должна иметь, по крайней мере, вдвое большую величину.
В простейшем случае длина ребра критической поверхности
акр = 2г* = 2А/(Тпл ~ T0).
Соотношение (6) для зависимости скорости роста от параметров системы (переохлаждения, концентрации) и ее свойств (энтропия, диффузия и т.д.) вьюедено без каких-либо предположений о механизме роста, который является частью всего процесса присоединения атомов к выделяющейся фазе. Все сводится к процессу подачи атомов к фронту роста и отводу тепла от него. Закон сохранения энергии требует, чтобы количество тепла, выделившееся благодаря присоединению атомов, соответствовало количеству тепла, которое может отводиться от фронта в данном конкретном месте границы раздела.
Если возможности теплоотвода увеличиваются, возрастает скорость образования двумерных зародышей. Изменения формы роста и ее конфигурации непосредственно связаны со скоростями теплоотвода и присоединения атомов к поверхности. Как уже указывалось, меха-
61
низм этих процессов совершенно разный. Присоединение атомов происходит всегда более медленно. Кроме того, этот процесс зависит от изменения структуры поверхности. Поэтому при изменении условий теплоотвода (например, переохлаждении) пристройка атомов отстает, что немедленно приводит к изменению температуры непосредственно на границе раздела Тт.
Именно эта величина является самым чувствительным индикатором энергетического баланся на границе раздела.
Выращивание из расплава
6 промышленных условиях выращивание монокристаллов кремния из расплава осуществляют методом Чохральского (рис. 19, а) и бести-гельной зонной плавкой (рис. 19, б). В первом случае выращивание проводят из кварцевого тигля с расплавом, в который опускается затравка определенного сечения и заданной ориентации, а затем по мере нарастания кремния затравка поднимается вверх, одновременно вращаясь вокруг вертикальной оси. Часто также вращают и тигель с жидкой фазой. Скорости вращения затравки и тигля, а также вытягивания подбирают эмпирически.
При бестигельной зонной плавке затравка подводится снизу, а конец исходного кремниевого стержня плавится. Расплав удерживается силами поверхностного натяжения. После введения затравки в расплав и начала роста затравка опускается с растущим кристаллом вниз, в том же направлении движется исходный стержень. В этом случае также применяется взаимное осевое вращение затравки и плавящегося стержня. Разновидность метода бестигельной зонной плавки - выращивание с пьедестала (рис. 19, в).
Кроме приведенных методов выращивания монокристаллов кремния, также известны попытки использовать способ Степанова [20] для выращивания монокристаллов кремния различной формы. Принципиально этот способ сводится к применению специальной (обычно графитовой) пластины (фильеры) с отверстием необходимой формы, сквозь которое поднимается капля расплава. Форма капли расплава соответствует форме отверстия. Монокристалл вытягивают с помощью затравки из этой капли, жидкость в которую все время поступает из расположенного под пластиной расплава. К сожалению, пока не найден материал для пластины, который бы не взаимодействовал с расплавленным кремнием. Это обстоятельство является главным препятствием применения способа Степанова в технологии кремния.
В то же время известны успешные попытки применения способа для получения поликристаллических многоугольных (четырех-, шестиугольных) труб, которые могут быть использованы для производства солнечных батарей.
62
В установках для выращивания монокристаллов кремния чрезвычайно сложно создать строго симметричное тепловое поле в расплаве. Практически в расплаве всегда имеются области с разной температурой- При выращивании в такой системе скорость роста в направлении холодной части расплава будет выше, что приведет к искривлению
п п ~гПп~3
Рис. 19. Схемы выращивания монокристаллов кремния из расплава:
а — метод Чохральского (1 — монокристаллическая затравка; 2 — растущий монокристалл; 3 — расплав;
4 — кварцевый тигель; 5 — графитовая подставка; б — нагреватель; 7 — тепловые экраны); б — бестигельная зонная плавка [І - зажим для крепления поликристал-лического стержня (заготовки) 2; 3 — расплавленная зона; 4 — индуктор; 5 — растущий монокристалл; 6 — монокристаллическая затравка; 7 — зажим для крепления затравки]; в — выращивание с пьедестала (обозначения те же, что и на рис. 19,6)
63
кристалла. Именно с целью выравнивания температурного поля кристалл или тигель (или тот и другой вместе) вращает. Это позволяет выращивать монокристаллы кремния с симметричным сечением, даже если в расплаве имеются области с достаточно болыцим отличием По температуре. Тем не менее монокристалл кремния нйкогда не имеет строго цилиндрической формы. Это объясняется следующим. Наиболее плотноупакованными плоскостями в решетке кремния являются плоскости (111). Это означает, что при благоприятных условиях (теплоотвод только через расплав) монокристалл должен вырасти в/ виде октаэдра [т.е. должен быть огранен плоскостями (111)]. В реальных условиях теплоотвод осуществляется как через расплав, так и через твердую фазу, что приводит к получению монокристалла со сложной формой сечения.
