Установка для выращивания монокристаллического кремния

По характеру атмосферы в рабочей камере установки разделяются на вакуумные и газовые. Газовые установки рассчитаны на работу при нормальном и повышенном давлении инертного газа. В установках полунепрерывного выращивания производится непрерывная или периодическая загрузка материала без охлаждения печи.

Обобщённый вариант установки представлен на Рис. 1.13.

Масса установки составляет 17600 кг, а высота - 6,5 л/. Контейнер (тигель) вмещает до 60 кг расплава кремния, что достаточно для выращивания монокристаллов диаметром 100 мм и длиной 3 м.

Установка включает четыре основных узла:

  • - печь, в которую входят тигель, контейнер, механизм вращения, нагреватель, источник питания и камера;
  • - механизм вытягивания кристалла, содержащий стержень или цепь с затравкой, механизм вращения затравки и устройство для зажима затравки;
  • -устройство для управления составом атмосферы, состоящее из газовых источников, расходометров, систем продувки и вакуумной системы;
  • - блок управления, в который входят микропроцессор, датчика и устройства вывода.

Печь. Материал тигля должен: обладать высокой температурой плавления и быть химически инертен по отношению к расплавленному кремнию, т.к. электрические свойства кремния чувствительны даже низким уровням примеси, как ~ 10 7«/?;.%; обладать термической стабильностью и прочностью, т.е. обладать способностью к многократному использованию.

Расплавленный кремний растворяет почти все обычно используемые для высокотемпературных тиглей материалы (карбиды, тугоплавкие металлы), тем самым способствуя слишком

Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского

Рис. 1.13. Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского: 1 - затравочный шток, устройство подъёма и вращения; 2 - верхний кожух; 3 - изолирующий клапан; 4 - газовый выход; 5 - держатель затравки и затравка; 6 - камера высокотемпературной зоны; 7 - расплав; 8 - тигель; 9 - выхлоп; 10 - вакуумный насос; 11 - устройство вращения и подъёма тигля; 12 - система контроля и источник энергии; 13 - датчик температуры; 14 - пьедестал; 15 - нагреватель; 16 - изоляция; 17 - труба для продувки; 18 - смотровое окно; 19 - датчик для контроля диаметра слитка

высокому уровню металлических примесей в растущем монокристалле.

Графит С и карбид кремния SiC также неприемлемы, несмотря на то, что углерод является электрически нейтральной примесью в кремнии. В этих случаях в процессе роста наблюдается двухфазная кристаллизация с образованием SiC, что приводит к образованию дислокаций и срыву монокристаллического роста.

В настоящее время для использования в качестве материалов для тигля наилучшим образом подходят нитрид кремния SbN4 или кварц SiCB. Однако, кварц реагирует с расплавом кремния, растворяя в нем собственные атомы кремния и кислорода. Значительная часть кислорода улетучивается из расплава за счет формирования газообразного монооксида кремния SiO, который конденсируясь на внутренней части камеры, создает проблему её очистки. Кристаллы, выращенные из таких тиглей, содержат значительное количество межузельного кислорода, который может быть как полезным, так и вредным.

Присутствие углерода в расплаве почти в два раза ускоряет скорость растворения кварцевого тигля по реакции:

Отношение диаметра тигля к его высоте приблизительно 1/1. Обычно диаметр равен 25, 30, 35, 45 см для объема загрузки 12, 20, 30, 60 кг соответственно. Толщина стенок тигля равна 0,25 см.

Однако, кварц недостаточно тверд, чтобы использовать его в качестве контейнера для механической поддержки расплава. Несоответствие термических коэффициентов линейного расширения между оставшемся в тигле кремнием и кварцем приводит к растрескиванию тигля. Поэтому для поддержки кварцевого тигля используют контейнер, изготовленный из сверхчистого графита, поскольку он обладает хорошими высокотемпературными свойствами.

Контейнер устанавливается на пьедестал, вал которого соединен с двигателем, обеспечивающим вращение. Все устройство можно поднимать или опускать для поддержания уровня расплава в одной фиксированной точке, что необходимо для автоматического контроля диаметра растущего слитка.

Камера высокотемпературного узла установки должна соответствовать определенным требованиям. Прежде всего, она должна обеспечивать легкий доступ к деталям узла для облегчения загрузки и очистки. Высокотемпературный узел должен быть тщательно герметизирован. Кроме того, должны быть предусмотрены специальные устройства, предотвращающие нагрев любого узла камеры до температуры, при которой давление паров её материала в камере может привести к загрязнению кристалла. Как правило, наиболее сильно нагреваемые детали камеры имеют водяное охлаждение, а между нагревателем и стенками камеры устанавливают тепловые экраны.

Для расплавления материала загрузки используют высокочастотный индукционный нагрев (при малых объемах загрузки), резистивный нагрев (при больших объемах загрузки), электронно-лучевой нагрев.

Механизм вытягивания кристалла должен с минимальной вибрацией и высокой точностью обеспечить реализацию двух параметров процесса: скорость вытягивания и скорость вращения кристалла. Затравочный кристалл изготавливается с точной ориентацией, поэтому держатель затравки и механизм вытягивания должны постоянно удерживать его перпендикулярно поверхности расплава. Для этой цели используют направляющие винты или многожильные тросы.

Кристалл вытягивается из высокотемпературной зоны через систему продувки, где газовый поток (в случае если выращивание производится в газовой атмосфере) движется вдоль поверхности слитка, охлаждая его. Из системы продувки слиток попадает в верхнюю камеру, которая обычно отделена от высокотемпературной зоны изолирующим клапаном.

Устройство для управления составом атмосферы. Рост монокристаллов должен проводиться в инертной среде или вакууме. Это вызвано следующим:

  • - нагретые графитовые узлы должны быть защищены от воздействия кислорода для предотвращения эрозии;
  • - газовая атмосфера не должна вступать в химическую реакцию с расплавом кремния.

Выращивание кристаллов в вакууме удовлетворяет указанным требованиям и, кроме того, имеет ряд преимуществ, в частности, способствует удалению из системы монооксида кремния, тем самым предотвращает её осаждение на стенках камеры. При выращивании слитков в газовой атмосфере чаще всего используют инертные газы - гелий или аргон. Инертные газы могут находиться при атмосферном или пониженном давлении. В промышленном производстве используется аргон, что объясняется его низкой стоимостью. Аргон поступает в камеру при испарении из жидкого источника и должен соответствовать требованиям высокой чистоты в отношении содержания влаги, углеводородов и др.

Блок управлении. Блок управления может включать в себя разные приборы. Он предназначен для контроля и управления такими параметрами процесса, как температура, диаметр кристалла, скорость вытягивания и скорость вращения. Наиболее перспективными управляющими системами являются микропроцессорные системы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >