Способ получения кристаллического полупроводникового материала и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и предназначено для получения особо чистых кристаллов кремния. Выращивание ведут из вращающегося расплава при одновременном воздействии на него постоянного магнитного поля. Постоянное магнитное поле создают регулируемым по направлению и/или величине, его силовые линии направлены тангенциально радиальной составляющей вращающегося расплава. Устройство содержит тигель, соединенный со средством вращения. Вокруг тигля размещены нагреватель и магнитная катушка, соединенная с источником постоянного тока. Витки катушки расположены по образующим цилиндричекого каркаса. Источник постоянного тока выполнен с реверсируемой полярностью и/или регулируемой амплитудой. Цилиндрический каркас может быть выполнен полым. В полости установлена дополнительная магнитная катушка, соединенная с источником переменного тока. 2 н. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к металлургии редких металлов, а именно к способу получения кристаллического полупроводникового материала и устройству для его осуществления, и особенно успешно может быть использовано при получении кристаллов кремния по Чохральскому.

Известен способ получения кристаллического полупроводникового материала, при котором расплав полупроводникового материала вращают и во время его вращения осуществляют вытягивание кристалла. При этом для получения кристаллов с различными свойствами на расплав воздействуют осевым и/или поперечным магнитным полем различной напряженности.

Экспериментально установлено, что влияние магнитных полей на концентрацию и распределение кислорода и других примесей в получаемом кристалле кремния различно для осевого и поперечного полей. Более того, взаимозависимость между осевым и поперечным полями, а также скоростью вращения расплава носит чрезвычайно сложный характер, что затрудняет процесс регулирования качественного состава получаемого кристалла. Кроме того, следует иметь ввиду, что осевые поля, как правило, сопровождаются наличием довольно существенной поперечной составляющей, влияние которой сложно учесть, особенно в связи с тем, что ее величина изменяется с изменением напряженности магнитного поля.

Для получения кристаллического полупроводникового материала обычно используют устройство, содержащее вакуумную камеру с размещенным в ней тиглем для расплава, кристаллизатор для вытягивания кристалла из расплава и блок вращения расплава. В качестве блока вращения расплава используют либо механический привод, либо вращающееся магнитное поле. В таком устройстве практически не решается проблема удаления примесей, находящихся в расплаве, и качество получаемых полупроводниковых кристаллов оказывается не всегда удовлетворительным.

Поэтому в более совершенных конструкциях предусматривается использование аксиального и поперечного магнитных полей, создаваемых с помощью специальных магнитных катушек, размещенных в обойме и окружающих вакуумную камеру. Однако наличие таких катушек приводит к увеличению габаритов устройства в целом.

Целью изобретения является повышение качества получаемого материала без увеличения габаритов устройства.

Указанная цель достигается тем, что по способу получения кристаллического полупроводникового материала, включающему расплавлению исходного материала, вращение расплава при одновременном воздействии на него постоянным магнитным полем и вытягивание кристалла из расплава, согласно изобретению постоянное магнитное поле содержит создают регулируемый по направлению и/или величине и его силовые линии направлены тангенциально радиальной составляющей вращающегося расплава.

При взаимодействии вращающегося расплава с ориентированным указанным образом магнитным полем согласно правилу Флеминга возникают физические силы, которые приводят к формированию выходящих и/или нисходящих потоков в расплаве. Под действием этих сил кислород и другие примеси перемещаются к поверхности расплава и могут легко удаляться путем испарения. Напряженности поля определяют величину физических сил и, следовательно, величины потоков, чем определяется уровень очистки расплава от растворенного в нем кислорода, а также и других примесей. Путем реверсирования тока источника питания можно регулировать направления потоков.

Указанная цель достигается также тем, что в устройстве для получения кристаллического полупроводникового материала, содержащем тигель для расплава, соединенный со средством вращения, нагреватель, кристаллодержатель и магнитную катушку, снабженную цилиндрическим каркасом, размещенную вокруг тигля и соединенную с источником постоянного тока, согласно изобретению витки катушки расположены по образующим цилиндрического каркаса, а источник постоянного тока выполнен с реверсируемой полярностью и/или регулируемой амплитудой.

Предлагаемое устройство обеспечивает создание за счет взаимодействия магнитного поля с вращающимся расплавом усилий, вызывающих образование восходящих и/или нисходящих потоков, благодаря которым, как уже указывалось, обеспечивается вынос к поверхности расплава растворенных в нем газов, которые легко удаляются с его поверхности. При этом следует обратить внимание, что в предлагаемой конструкции не используются ни осевое, ни поперечное поля, в результате чего в значительной мере могут быть уменьшены габариты устройства. Однако, даже при использовании тангенциального поля габариты устройства практически не увеличиваются, поскольку катушка может быть расположена на том же каркасе, что и другие катушки для создания осевого и поперечного полей.

В случае использования для вращения массы расплава катушки, записываемой источником переменного тока, эта катушка может быть размещена на том же каркасе, что и катушка тангенциального поля.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для получения полупроводникового кристалла, разрез; на фиг. 2 - магнитная система в устройстве, аксонометрия; на фиг. 3 - схема потоков в массе расплава при использовании предлагаемого способа; на фиг. 4 - вариант выполнения магнитной системы в устройстве, аксонометрия.

Рассмотрим в первую очередь конструкцию предлагаемого устройства и принцип его работы, из которого станет ясна сущность предлагаемого способа.

Устройство для получения кристаллического полупроводникового материала содержит герметичную камеру 1 роста кристалла, внутри которого установлен тигель 2, снабженный регулируемым приводом 3 для его вращения. Тигель 2 находится внутри нагревателя 4, пpедназначенного для разогрева находящегося в тигле полупроводникового материала и образования расплава 5. Полупроводниковый кристалл вытягивается с помощью кристаллодержателя 6, снабженного приводом 7 вращения и перемещения вытягиваемого из расплава монокристалла 8. Во избежание разогрева стенок камеры 1 роста установлены тепловые камеры 9. В целом камера 1 роста и находящиеся в ней узлы выполнены стандартным образом, поэтому подробно не рассматриваются.

Снаружи камеры 1, охватывая ее, расположена магнитная система 10, образованная катушкой 11, намотанной на каркас 12, выполненный в виде цилиндрической втулки (фиг. 2). Витки катушки 11 расположены вдоль образующей цилиндрической втулки. Катушка 11 подключена к регулируемому источнику постоянного тока (не показан), который имеет возможность регулирования величины и направления тока.

Рассмотрим работу описанного устройства.

Расплавляют помещенный в тигель 2 полупроводниковый материал, в результате чего образуется расплав 5, который вращают путем вращения тигля приводом 3, при этом кристаллодержателем 6 вытягивают монокристалл 8. В обмотки катушки 11 подают ток от источника питания. При протекании тока в катушке 11 возникает магнитное поле, магнитные силовые линии которого расположены нормально к виткам катушки, а следовательно, по касательной к вращающемуся расплаву 5. В результате в соответствии с правилом Флеминга при взаимодействии вращающегося расплава и магнитного поля возникают в расплаве осевые усилия, которые приводят к образованию потока в расплаве, условно показанные на фиг. 3 сплошными линиями со стрелками. Эти потоки захватывают растворенный в объеме расплава кислород и другие газы, которые выносятся к поверхности расплава и испаряются под действием высокой температуры. Регулируя величину тока катушки 11 и его направление, можно контролировать содержание кислорода в расплаве и, следовательно, в кристалле.

Таким образом, суть предлагаемого способа заключается в создании магнитного поля, силовые линии которого расположены тангенциально к радиальной составляющей вращающегося расплава, в результате чего образуются потоки в расплаве, влияющие на распpеделение и содержание кислорода в объеме расплава.

Изобретение может быть легко реализовано и в устройстве для получения полупроводниковых кристаллов, которые используют вращающееся магнитное поле для вращения расплава, а также осевое и поперечное поля для регулирования газового расплава. Такой вариант осуществления изобретения отличается от описанного только выполнением магнитной системы, которая показана на фиг. 4.

В этом варианте в магнитной системе каркас 12 выполнен полым, внутри него помещены катушка 13 для создания продольного и поперечного магнитных полей и катушка 14 для создания вращающегося магнитного поля, обеспечивающего вращение расплава. Обмотка 11 расположена снаружи каркаса 12, так что фактически габариты магнитной системы не увеличиваются.

Практически целесообразно использовать катушки со следующими параметрами; катушка постоянного тока для создания радиального (поперечного) магнитного потока В = 0,1 Тл, катушка переменного магнитного поля для создания вращающегося поля В = 0,011 Тл и катушка для создания тангенциального магнитного потока 0,5-0,2 Тл.

Таким образом, изобретение может быть легко использовано в уже имеющихся устройствах для получения полупроводниковых кристаллов практически без увеличения габаритов и каких-либо существенных конструктивных переделок, обеспечивая существенное улучшение качественного состава получаемых при этом полупроводниковых кристаллов.

Формула изобретения

1. Способ получения кристаллического полупроводникового материала, включающий расплавление исходного материала, вращение расплава при одновременном воздействии на него постоянным магнитным полем и вытягивание кристалла из расплава, отличающийся тем, что с целью повышения качества получаемого материала, постоянное магнитное поле создают регулируемым по направлению и/или величине и его силовые линии направлены тангенциально радиальной составляющей вращающегося расплава.

2. Устройство для получения кристаллического полупроводникового материала, содержащее тигель для расплва, соединенный со средством вращения, нагреватель, кристаллодержатель и магнитную катушку, снабженную цилиндрическим каркасом, размещенную вокруг тигля и соединенную с источником постоянного тока, отличающееся тем, что с целью повышения качества получаемого материала, витки катушки расположены по образующим цилиндрического каркаса, а источник постоянного тока выполнен с реверсируемой полярностью и/или регулируемой амплитудой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции магнитной системы, цилиндрический каркас имеет полость, в которой установлена дополнительная магнитная катушка, соединенная с источником переменного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4