Разработка способа выращивания профильных монокристаллов кремния из расплава методом Чохральского (стр. 3 )

Была предпринята попытка разработать простую технологию выращивания профильных монокристаллов цилиндрической формы с использованием классического метода Чохральского. Теоретические исследования указывали на такую возможность, но на практике было  неизвестно при каком положении тигля относительно нагревателя и при каком способе крепления затравки возможно стабильно выращивать профильные монокристаллы. С этой целью были опробованы различные варианты расположения тигля относительно нагревателя. Затравки во всех случаях были вырезаны механически из слитка и имели форму цилиндров. Для серии опытов предполагалось использовать затравки  различного внешнего диаметра с различной толщиной стенок.  Опытные плавки проводили на установке РЕДМЕТ-10 со стандартным нагревателем диаметром 160 мм  и использовании тигля диаметром 152 мм. Использовали затравки в виде цилиндров, вырезанные механически при помощи цилиндрических металлических фрез-коронок, с алмазным покрытием соответствующего диаметра из слитка выращенного методом Чохральского, кремния марки КЭФ-0,02 плотностью дислокаций , направление роста (111). Затравки подвергали травлению стандартным травителем для кремния для удаления механически нарушенного поверхностного слоя. Во всех случаях затравливания и вытягивания кристалла из расплава при скоростях роста  0,5-2,5 мм/мин, при любом расположении тигля от максимального верхнего до максимально нижнего  и использование профильных затравок различных геометрических размеров, происходило зарастание трубы внутрь на протяжении 1/3-1/2 диаметра затравки и образования сплошного объемного слитка. По результатам экспериментов была предложена новая схема расположения тигля в узле ростовой установки. При такой конструкции основной нагрев тигля с расплавом происходит снизу, что не позволяет трубчатому профилю зарастать вовнутрь. По предложенной схеме был изготовлен макет теплового узла, отличающийся от первоначальных опытов тем, что нагрев порции расплава шихты осуществляется со дна тигля, а уровень зеркала расплава расположен выше среза нагревателя.

На основании математических расчетов и по результатам моделирования  процесса роста  профильного изделия  из  расплава  олова были сделаны  предложения об отказе от применения формообразователя, находящегося в контакте с расплавом, и об использовании  приемов затравливания и роста кристалла, используемых в способе Чохральского для получения монокристаллов кремния. Также, для формирования цилиндрического сечения трубчатого монокристалла необходимо использовать монокристаллическую затравку в виде тонкостенного цилиндра. Контакт такой затравки с поверхностью расплава в тигле без формообразователя обеспечит образование фронта кристаллизации по форме  выращиваемого трубчатого монокристалла. Применение затравки в виде цилиндра с использованием вращения и затравки и тигля дает возможность перемешивания в  расплаве у поверхности фронта кристаллизации и  улучшения массопереноса  легирующей  примеси  по объему расплава.

Применение профильной затравки требует изменения направления конвекционных потоков расплава в плавильном тигле. Это необходимо по следующим причинам: поверхность расплава в тигле при выращивании профильного монокристалла в виде трубы должна быть ровной.  Конвективные потоки расплава в тигле  не должны вызывать колебания температуры в различных точках  фронта кристаллизации выращиваемого трубчатого монокристалла, чтобы избежать срыва режима формирования монокристаллической структуры; конвективные потоки  расплава в тигле должны иметь направление от центра тигля к краям, снизу вверх, для того, чтобы  в полость растущего кристалла подводился  расплав  с  температурой, более высокой, чем  непосредственно у поверхности фронта кристаллизации; градиент температуры  по вертикали  от фронта кристаллизации  в глубину расплава должен иметь стабильное значение, не зависящее от конвективных потоков.

Была  изготовлена соответствующая  дополнительная  графитовая оснастка  для  теплового  узла ростовой  установки  «РЕДМЕТ»  (рисунок 5), которая позволяет стабильно выращивать полый цилиндрический монокристалл на полую цилиндрическую затравку.

Рисунок 5 - Модернизированный тепловой узел для выращивания полых цилиндрических монокристаллов кремния:

1- цилиндрический резистивный нагреватель; 2-подставка-держатель; 3-кварцевый плавильный тигель с плоским дном; 4-графитовая диафрагма под плоским дном тигля; 5-прорези-окна в основании подставки; 6-полая цилиндрическая затравка; 7-подвес затравки; 8-конусный тепловой экран; 9-цилиндрический полый водоохлаждаемый шток.

В измененной схеме уменьшен диаметр опорной платформы с 200 до 60 мм. Изготовлен опорный стакан - подставка высотой 150 мм, величина зазора от дна тигля до поверхности платформы от 80 до 100 мм. Величина зазора между дном тигля и поверхностью опорной платформы на штоке может изменяться с помощью сменных графитовых колец в пределах 25 мм. Величина хода штока для перемещения тигля с расплавом относительно верхнего торца нагревателя составляла 110 мм. Боковой конусный экран предназначен для регулировки величины теплового потока падающего с внешней стороны на стенки затравки растущего кристалла.

Технология получения профильных монокристаллов отрабатывалась на установке «РЕДМЕТ-10» с модернизированным тепловым узлом со стандартным нагревателем и использовании тигля диаметром 60 мм. Было опробовано несколько вариантов крепления затравок. Оптимальной оказалась конструкция в виде графитового держателя затравок, в виде стакана, к которому с помощью подвеса из молибденовых проволок крепилась затравка.

Было решено экспериментально найти такое положение тигля относительно нагревателя, при котором значения температуры максимально соответствовали бы расчетным. Для этого была разработана методика измерения и были проведены непосредственные измерения температуры в тигле с расплавом с помощью семи вольфрам - рениевых термопар. Такое их количество оптимально для измерения распределения теплового поля. Для исключения контакта термопар непосредственно с расплавом (и их разрушения вследствие химической реакции с расплавленным кремнием) каждая была заключена в кварцевую трубку, запаянную с нижнего конца. В результате серии опытов было найдено правильное положение тигля, при котором экспериментальные значения температуры совпали с расчетными и определена мощность нагрева – 45 кВт.

Условия эксперимента по выращиванию профилированных монокристаллов кремния в виде трубы из расплава без формообразователя были следующими: скорость выращивания 0,5 мм/мин; масса загрузки 110 г (кремний марки КЭФ-0,02); вращение тигля и затравки — 6—8 об/мин, вращение осуществляли в одну сторону; проток аргона при расходе 960 л/час при объеме камеры около 0,3 мі и давлении 1100—1600 Па; расположение плавильного тигля на уровне верхней кромки нагревателя.

По описанной методике были выращены для исследований структурного совершенства две партии  образцов: одна партия в условиях роста с использованием графитового экрана с дополнительной теплоизоляцией из углевойлока и другая партия в условиях роста с применением графитового экрана без дополнительной теплоизоляции. Так как изделия каждой партии были идентичны между собой, для дальнейших исследований было взято по два образца из каждой партии, обозначенные далее, как изделия «экран-графит-углевойлок» ЭГУ-1 и ЭГУ-2 и изделия «экран-графит» ЭГ-1 и ЭГ-2. Стабильный рост профиля достигнут в результате: расположения тигля выше кромки нагревателя, что обеспечивает подогрев тигля с расплавом; правильного распределения конвекционных потоков, за счет минимальной загрузки тигля сырьем; четкого распределения тепловых потоков по всему тепловому узлу.

По результатам опытов стало очевидно, что изделия выращенные в условиях роста с применением графитового экрана без дополнительной теплоизоляции  имеют более правильную форму с одинаковой толщиной стенок, чего нельзя сказать про изделия выращенные в условиях роста с использованием графитового экрана с дополнительной теплоизоляцией из углевойлока. Экран с теплоизолирующим материалом лучше удерживает тепло вокруг растущего кристалла. Его внутренняя часть оказывается холоднее внешней. Отсюда следует вывод, что конусный графитовый тепловой экран, без дополнительной теплоизоляции, создает более оптимальное тепловое поле для роста профильного цилиндрического монокристалла.

Кристаллическая структура полученных по разработанной  технологии профильных кристаллов исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования проводили с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН – 3. Рентгеноструктурный анализ цилиндрических образцов из кремния  марки КЭФ-0,02  показал, что полуширина кривых качания для цилиндрических образцов ЭГУ-1 и ЭГУ-2, выращенных в условиях с использованием графитового экрана с дополнительной теплоизоляцией из углевойлока составила в среднем 13-34′′, полуширина кривых качания для цилиндрических образцов ЭГ-1 и ЭГ-2, выращенных в условиях с применением графитового экрана без дополнительной теплоизоляции составила в среднем 10′′. Измерения каждого образца производили в нескольких точках, как по высоте образующей цилиндрической подложки, так и периметру. Разброс величины в пределах одного образца составил 1…2′′, что находиться в пределах точности прибора. Результаты съемки кривых качания показали высокое кристаллографическое совершенство образцов ЭГ-1 и ЭГ-2.

Для исследования плотности дислокации по длине и сечению, из каждого образца механической резкой вырезаны  кольца высотой 5 мм. Одно кольцо вырезалось из нижнего края образца, второе из середины и третье из верхнего края (в том месте, где была затравка). Распределение ямок травления исследовали под микроскопом Neophot 21. Средние значения плотности дислокаций в верхней, центральной и нижней частях кристалла для изделий ЭГУ-1 и ЭГУ-2 составляют от  4·105 до 7·105 см-2. Средние значения плотности дислокаций в верхней, центральной и нижней частях кристалла для изделий для изделий II-1и II. I-1 составляют от 8·102 до 1·103 см-2.