Направленная кристаллизация

В методе Чохральского используется процесс кристаллизации расплава. Кристаллический рост заключается в фазовом переходе из жидкого состояния в кристаллическую твердую фазу. Кристаллизация расплава, при которой тепло отводится от фронта кристаллизации преимущественно в одном направлении, называется направленной. Система с одной фазовой границей (фронтом кристаллизации) называется неконсервативной направленной кристаллизацией (или просто направленной кристаллизацией). Кремневые кристаллы, для подложек выращиваемые по методу Чохральского - эго однокомпонентная неконсервативная направленная кристаллизация, т.е. затвердевание атомов жидкой фазы на границе раздела.

Схема установки для роста кристаллов

Рис. 1.8. Схема установки для роста кристаллов: 1 - нагреватель; 2 - тигель; 3 - вещество; 4 - затравка монокристалла

Консервативная направленная кристаллизация (зонная плавка) характеризуется наличием в системе двух фазовых границ: фронта плавления и фронта кристаллизации.

Направленная кристаллизация протекает в тигле 2 установки, представленной на Рис. 1.8. В расплавленное нагревателем 1 вещество 3, которое находится в тигле 2 и имеет температуру плавления, опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав. Далее приводят в действие подъёмный механизм затравки, при этом затравка смачивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нарастает в виде кристаллической фазы. Получается монокристалл кремния с определённой кристаллографической ориентацией и с минимальным числом дефектов. Однако возникновение структурных дефектов происходит на различных стадиях роста, основными из которых являются:

Затравливание. Для уменьшения дислокаций в кристалле необходимо минимальное содержание их в затравке. Для этого поверхностные повреждения удаляют полированием и химическим травлением. Сечение затравки должно быть минимальным. В момент контакта холодной затравки с поверхностью расплава в ней происходит размножение дислокаций. Поэтому затравку перед погружением прогревают до высоких температур.

После погружения конца затравки в расплав и оплавления её, приступают к операции выращивания «шейки» - тонкого и длинного монокристалла. Диаметр шейки не должен превышать линейного размера поперечного сечения затравки, а ее длина - нескольких её диаметров. Выращивание «шейки» проводят с большой линейной скоростью для вытеснения дислокаций вблизи фронта кристаллизации.

Выход на диаметр. Выход монокристалла на диаметр необходим с малым углом расширения, что снижает термические напряжения, а тем самым и плотность дислокаций. Так при угле в 60° плотность дислокаций составляет ~ 105 см'2, а при угле 10° составляет ~ 10: см'2.

Рост цилиндрической части монокристалла. На этой стадии роста основными являются тепловые условия процесса.

Радиальный градиент температуры (G.., град/см) определяется разностью температуры в сечении кристалла на его поверхности Т„ и в центре Ти

где /• - радиус кристалла.

Осевой градиент температуры в кристалле (Gx, град/см) определяется разностью температур но его длине:

где х - расстояние по длине кристалла, см.; Т - температура кристалла у тигля; Т2- температура кристалла в верхней части.

Радиальный градиент температуры зависит от тепловых потерь с поверхности кристалла.

Вследствие неравномерного распределения температуры по длине и поперечному сечению монокристалла его охлаждение протекает неравномерно. В результате термических напряжений возникают дислокации. Под действием напряжений и градиентов температуры дислокации перемещаются по плоскостям скольжения (111).

Создание «обратного конуса». Перед отрывом выращенного монокристалла от расплава диаметр его плавно уменьшают, создавая обратный конус для предотвращения теплового удара, вызывающего размножение дислокаций при отрыве от поверхности расплава в тигле.

С целью уменьшения термических напряжений монокристалл после отрыва от расплава поднимают над ним на небольшое расстояние и медленно понижают температуру нагревателя.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >