Монокристаллический кремний

Введение Основной объем монокристаллическогокремния 80-90 потребляемого электронной промышленно-стью,выращиваеться по методу Чохральского.Фактическивесь кремний,используемый для произво-дстваинтегральных схем,производиться этим методом.Кристаллы выращенные этим методом обычно не содержаткраевых дислокаций,но могут включатьнебольшиедислокационные петли,образующиеся приконденсацииизбыточных точечных дефектов.Кристаллическийрост заключаеться в фазовом переходе из жидкого состояния в твердую фазу. Применительнок кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростоваясистема жидкость-твердое тело. Росткристаллов по методу Чохральского заключаетьсявзатвердевании атомов жидкой фазы на границе разделаСкоростьроста определяеться числом мест на поверхности растущего кристалла дляприсоединенияатомов,поступающихиз жидкой фазы,и особенностямитеплопереносана границе раздела фаз.Скорость вытягивания оказывает влияние на форму границыраздела фаз между растущим кристаллом и расплавом, котораяявляеться функцией радиального градиентатемпературыи условий охлаждения боковой поверхности растущего кристалла.

Оборудование для роста кристаллов.

Установка для выращивания кристалловпредставлена нарисунке2,и включает в себя 4 основных узла 1.Печьв которую входят тигель,контейнер, механизм вращения,нагреватель,источник пита- ния и камера.2.Механизмвытягивания кристалла содержащий стержень,или цепь с затравкой,механизмвращения затравки и устройство для зажима затравки.3.Устойстводля управления составом атмосферы, состоящее из газовых источников,расходомеров, системы продувки и вакуумной системы.4.Блокуправления,в который входят микропроцессор,датчики и устройства вывода. Тигель является наиболее важным элементомростовойсистемы.Так как тигель содержит расплав,его материал должен быть химическиинертен по отношению к расплавленному кремнию.Этоосновное требование при выборе материалатигля,таккак электрические свойства кремния чувствительны даже к таким уровням примеси,как10 -7 ат. .Кроме того,материал тигля должениметьвысокую температуру плавления,обладатьтермическойстабильност ью и прочностью.Такжеон должен быть недорогим или обладать способностью к многократномуиспользованию.Ксожалению,ра сплавленный кремний растворяетпочтивсе используемые материалы напримеркарбидытугоплавких металлов TiC или TaC,темсамымспособствуя слишком высокому уровню металлическихпримесей в растущем монокристалле.

Тигли из карбида кремния такженеприемлимы.Несмотряна то что углерод являетьсяэлектрически нейтральной примесью вкремнии,выраститьвысококачественные монокристаллы кремния из расплавов,насыщенныхуглеродом,неудаеться .Отношениедиаметра тигля к его высоте в большихустановках 1 или немного превышает это значениеОбычнодиаметр тигля равен 25,30 или 35 см.дляобъемазагрузки 12,20 и 30 кг. соответственно.Толщинастенок тигля равна 0.25см,однако кварцнедостаточнотверд,чтобы использовать его в качестве контейнера для механической поддержкирасплава.После охлаждения несоответствие термических коэффициентов линейногорасширениямеждуоставшимися в тигле кремнием и кварцомприводитк растрескиванию тигля.

Возможность использования нитрида кремния в ка-чествематериала для тиглей была продемонстрирована при осаждении нитрида изпарогазовыхсмесей на стенки обычного тигля.

Контейнер используеться для поддержки кварце-воготигля . В качестве материала для контейнераслужитграфит,поскольку он обладает хорошимивысокотемпературнымисвойствами.О бычно используют сверхчистый графит.Высокая степень чистотынеобходима для предотвращения загрязнения кристалла,примесями,которыевыделяються из графита при высоких температурах процесса .Контейнерустанавливаютнапьедестал,вал которого соединен с двигателем,обеспечивающимвращение.Все устройство можноподниматьили опускать для поддержания уровнярасплавав одной фиксированной точке, что необходимо для автоматического контролядиаметра растущего слитка.

Камера высокотемпературного узла установкидолжнасоответствовать определенным требованиям.Прежде всего она должна обеспечиватьлегкийдоступ к деталям узла для облегчениязагрузкии очистки.Высокотемпературный узелдолженбыть тщательно герметизирован,дабыпредотвратитьзагрязне ние системы из атмосферыКрометого,должны быть предусмотрены специальные устройства,предотвращяющие нагревлюбогоузла камеры до температуры,при которойдавлениепаров ее материала может привести к загрязнению кристалла.Как правило,наиболеесильнонагреваемыедетали камеры имеют водяное охлаждение,а между нагревателем и стенками камерыустанавливают тепловые экраны.

Для расплавления материала загрузки используютглавным образом высокочастотный индукционный или резистивный нагрев.Индукционныйнагрев применяют при малом объеме загрузки,а резистивный-исключительно вбольших ростовыхустановках.Резистивныенагревател и при уровне мощности порядка нескольких десятков киловаттобычноменьше по размеру,дешевле,легче в изготовлении и более эффективны.Онипредставляют собой графитовый нагреватель,соединенныйс источником постоянного напряжения.

Механизм вытягивания кристалла.Механизмвытягивания кристалла должен с минима-льнойвибрацией и высокой точностью обеспечить реализациюдвух параметров процесса роста -скоростивытягивания -скоростивращения кристалла.Затравочныйкристалл изготавливаеться с точной впределах установленного допуска ориентацией, поэтомудержатель затравки и механизм вытягивания должны постоянно удерживать егоперпендикулярноповерхности расплава.Направляющиевинты часто используються дляподъемаи вращения слитка.

Этот метод позво-ляетбезошибочно центрировать кристалл отно-сительнотигля , однако при выращивании слитковбольшойдлины может оказаться необходимойслишкомбольшая высота установки.Поэтому,когдаподдержание необходимой точности при вы-ращиваниидлинных слитков не обеспечиваетьсявинтовымустройством, прихо диться применять многожильные тросы.В этом случае центровкаположениямонокристалла и тигля затруднена.Болеетого,в процессе наматывания троса возможновозникновениемаятникого эффекта.Тем не менееприменениетросов обеспечивает плавное вытя-гиваниеслитка из расплавава , а при условии ихнаматыванияна барабан высота установок значительно уменьшаеться.

Кристалл выходит извысокотемпературнойзоны через систему продувки,гдегазовый поток-в случае если выращивание про-изводитьсяв газовой атмосфере-движеться вдольповерхностислитка,приводя к его охлаждению.Изсистемы продувки слиток попадает в верхнююкамеру,котораяобычно отделена от высокотемпературной зоны изолирующим клапаном.

Устройстводля управления составом атмосферы.Ростмонокристалла по методу Чохральского долженпроводитьсяв инертной среде или вакууме,что вызвано следующими причинами 1 Нагретые графитовые узлы должны быть защищены от воздействия кислорода для предотвращения эррозии 2 Газовая атмосфера не должна вступать в химическую реакцию с расплавом кремния.Выращиваниекристаллов в вакууме удовлетворяет указанным требованиям и , кроме того, имеетряд преимуществ,вчастности ,способствует удалениюизсистемы моноокиси кремния, тем самым предо-твращаяетее осаждение на стенках камеры.Привыращиваниив газовой атмосфере чаще всего используют инертные газы аргон и гелий.Инертныегазы могот находиться при атмосферном или пониженном давлении.

В промышленныхпроизводстве для этих целей используются аргончтообъясняеться его низкой стоимостью.Оптимальныйрасход газа составляет 1500л на 1кгвыращенногокремния.Аргон поступает в камеру прииспарениииз жидкого источника и должен соответствовать требованиям высокой чистотывотношении содержания влаги,углеводородов,идругих примесей.

Блокуправления.

Блокуправления может включать в себя разныеприборы.

Онпредназначен для контроля и управлениятакими параметрами процесса,кактемпература,диаметркристалла ,скорость вытягивания и скорость вращения.Контрольможетпроводиться по замкнутому или разомкнутому контуру.Параметры,включающиескоростивытя гивания и вращения,имеют большуюскоростьотклика и чаще всего контролируютьсяпопринципу замкнутого контура с обратной связью.Большаятепловая масса обычно не требует кратковременногоконтроля температуры.Напримердляконтроля диаметра растущего кристалла ин-фракрасныйдатчик температуры может быть сфокусирован на границе раздела фаз расплав-монокристалли использован для определения температуры мениска.Выход датчика связан с механизмомвытягивающего устройства и контро-лируетдиаметр слитка путем изменения скорости вытягивания.Наиболее перспективнымиуправляющими являються цифровые микропроцессорные системы.Они позволяютуменьшить непосредственное участие оператора впроцессевыращивания и дают возможность организоватьпрограмное управление многими этапами технологического процесса. Схема установки для выращивания кристаллов. 1.затравочныйшток 2.верхний кожух 3.изолирующий клапан4.газовыйвход 5.держатель затравки и затравка 6.камеравысокотемпературнойзоны 7.расплав 8.тигель 9.выхлоп10.вакуумныйнасос 11.устройство вращения и подъема тигля12.системаконтроля и источник энергии 13.датчик температуры14.пьедестал15.нагреватель 16.изоляция 17.труба для продувки18.смотровоеокно 19.датчик для контроля диаметра растущегослитка.

Списоклитературы 1.ТехнологияСБИС под редакцией С. ЗИ МОСКВА МИР 19862.Оборудованиеполупроводникового производства Блинов,Кожитов, МАШИНОСТРОЕНИЕ 1986 Учебно-исследовательская работа на тему Выращивание монокристаллов методом Чохральского ст.пр. Каменев А.Б. студ.гр.Э-92 Васильев А.Е. Москва,1996.