Способ получения монокристаллического кремния

 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского. Сущность изобретения состоит в способе получения монокристаллического кремния, включающем расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся затравку. Процесс ведут в атмосфере аргона при его расходе после введения затравки, определяемом по формуле Q = KqG, где Q - расход аргона, нл/ч; K - коэффициент турбулентности аргона от 1 до 2; q - удельный расход аргона нл/ч · кг, от 25 до 60 нл/ч · кг; G - вес загрузки, кг. 1 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского.

Известен способ получения монокристаллического кремния с регулируемой концентрацией кислорода, включающий вытягивание из расплава кремния, находящегося в тигле. При этом стержень и тигель вращаются в противоположных направлениях при скорости вращения стержня, превышающей скорость вращения тигля. При увеличении длины стержня увеличивают скорость вращения тигля [1] Недостатком способа является невозможность получения кристаллов кремния с совершенной структурой и низким содержанием углерода, из-за возникающих трудностей в удалении моноокиси углерода из реакционной камеры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения высокочистых монокристаллов кремния с низким содержанием кислорода по методу Чохральского, по которому поликристаллический кремний плавят в тигле, затем в расплав вводят затравочный кристалл, непрерывно вращают его и вытягивают из расплава так, что образуется растущий стержень. При извлечении стержня кристаллического кремния из расплава стержень первоначально вращают со скоростью 3-6 об/мин и затем скорость вращения стержня увеличивают на 0,5-2 об/мин на каждые 10 см стержня [2] Основным недостатком данного способа также является невозможность получения кристаллов кремния с совершенной структурой и низким содержанием углерода из-за возникающих трудностей в удалении моноокиси углерода из реакционной зоны и наличия большого количества дефектов в структуре.

Целью изобретения является разработка способа получения бездислокационного монокристаллического кремния совершенной структуры с пониженным содержанием углерода.

Это решается способом получения монокристаллического кремния, включающего расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся затравку, в котором процесс ведут в атмосфере аргона при его расходе, определяемом по формуле Q K ˙q ˙ G, где Q расход аргона, нл/ч; К коэффициент турбулентности аргона; q удельный расход аргона, нл/ч˙кг G вес загрузки, кг При этом вытягивание кристалла из расплава ведут с переменной скоростью вытягивания вначале со скоростью 3-7 мм/мин до вытягивания шейки монокристалла диаметром 2-5 мм и достижения бездислокационной структуры, затем вытягивают стержень со скоростью 0,1-1,0 мм/мин до достижения заданного диаметра, после чего скорость поддерживают на уровне 1,0-2,5 мм/мин с постепенным снижением ее до 0,4-1,5 мм/мин, а затем с повышением до 1,5-2,5 мм/мин до образования обратного конуса.

Сущность изобретения заключается в том, что процесс выращивания монокристаллов кремния из расплава, находящегося в кварцевом тигле, ведут в потоке аргона при его определенном расходе.

Из теории и практики выращивания кремния методом Чохральского известно, что непосредственно в реакционной зоне и вблизи ее происходят газообразные выделения монооксидов кремния и углерода. Монооксид кремния образуется в результате реакции между расплавом кремния и стенками кварцевого тигля в соответствии с реакцией: Si + SiO₂ 2SiO (газ) (1) Температура конденсации составляет 1200^оС.

Монооксид углерода (CO) образуется в результате следующих основных реакций.

Взаимодействие кварцевого тигля и графитовой подставки
3C + SiO₂ SiC + 2CO (2)
C + SiO₂ SiO + CO (3)
Взаимодействие монооксида кремния, образующегося по реакции (1) с горячими графитовыми элементами теплового узла
SiO + 2C SiC + CO (4)
Окисление графитовых элементов теплового узла кислородом, попадающим внутрь рабочей камеры через уплотнения, микротрещины и т.д.

2C + O₂ 2CO (5)
4C + 3O₂ 2CO + 2CO₂ (6)
Если SiO не удалить из реакционной зоны, то под действием конвективных потоков он будет подниматься вверх и конденсироваться как непосредственно в объеме ростовой камеры, так и на ее стенках, элементах теплового узла, штоке затравки и даже непосредственно на частях выращиваемого слитка, имеющих температуру ниже 1200^оС.

Отслаивающиеся от поверхностей (в силу различия в коэффициентах термического расширения) кусочки SiO, а также сконденсированные в объеме камеры установки частицы SiO попадают в расплав кремния, а затем вследствие гидродинамических течений, вызванных вращающимся кристаллом, устремляются к фронту кристаллизации. При этом мелкие частицы SiO, внедряясь в решетку кристалла, приводят к образованию ростовых микродефектов, а более крупные (размером несколько микрон) к немедленному нарушению бездислокационного роста монокристалла.

Часть монооксида углерода, попадая в расплав кремния, участвует в образовании раствора замещения (Si-C) в решетке кремния, а другая часть поглощается расплавом с образованием карбида кремния в форме L-SiC, который соответственно вкрапляется в решетку кристалла.

Так как углерод, являясь одной из самых неблагоприятных примесей в кремнии, уменьшает параметры решетки и время жизни неосновных носителей заряда, служит центром нуклеации примесей, ответственен за образование полос роста и свирлевых дефектов, а при большой концентрации L-SiC приводит к возникновению дислокаций и двойников, то монокристаллы с повышенным содержанием углерода имеют низкие качественные характеристики и поэтому не могут быть использованы для изготовления современных микросхем или высокоэффективных солнечных элементов.

При осуществлении способа производится пропускание потока аргона через реакционную зону с удельным расходом не менее 25 нл/ч.кг в зависимости от конструкции ростовой камеры и компоновки теплового узла. При этом монооксиды кремния и углероды удаляются из реакционной зоны в нижнюю часть камеры и затем эвакуируются из нее с помощью вакуумного насоса. Более того, при этом происходит дополнительная очистка расплава от углерода за счет удаления с его поверхности летучих соединений углерода, попавших в расплав из исходного поликристаллического кремния.

В результате процесса получаются бездислокационные во всем объеме монокристаллы кремния с низким содержанием углерода и малой плотностью ростовых микродефектов, повышенным временем жизни неосновных носителей заряда и однородным распределением удельного сопротивления по сечению кристалла.

П р и м е р. Загрузку исходного поликристаллического кремния в количестве 16 кг с концентрацией углерода, не превышающей 5˙10^-15 ат/см³, помещают в кварцевый тигель диаметром 270 мм. Закрывают рабочую камеру установки и вакуумируют ее до остаточного давления не более 10^-2 торр. Закрывают клапан на линии откачки и контролируют герметичность рабочей камеры. Величина натекания не должна превышать 5˙10^-3 л.торр/с. После этого вновь открывают клапан на линии откачки и подают в рабочую камеру аргон в количестве 1800 гл/ч (нл нормальный литр, т. е. при температуре 273,15К и давлении 760 торр). Загрузку в течение 30 мин подогревают до 700^оС, а затем за счет увеличения мощности на нагревателе производят ее плавление. После этого мощность нагревателя снижают до значения, соответствующего мощности при вытягивании, и в течение 30 мин расплав стабилизируют до достижения им температуры 1442-1445^оС. Закрывают клапан на линии откачки и с помощью крана на байпасной линии устанавливают давление аргона в камере печи равное 7-10 торр. Расход аргона при этом уменьшают до 1200 нл/ч.

Поднимают тигель, вращающийся со скоростью 5-8 об/мин, в рабочее положение и в расплав на глубину 2-4 мм вводят вращающуюся со скоростью 12-15 об/мин затравку диаметром 12,7 мм. Подбирают номинальную температуру для затравления и производят вытягивание тонкой шейки монокристалла с диаметром 3,5-4 мм до появления на ней бездислокационной структуры. Скорость вытягивания уменьшают до 0,3 мм/мин и понижают температуру расплава до достижения монокристаллом заданного диаметра, составляющего 102 ± 1,5 мм.

Затем скорость вытягивания увеличивает до 2,5 мм/мин и поддерживают ее в течение 3-5 мин для плавного выхода монокристалла на заданный диаметр. Включают систему автоматического регулирования диаметра и устанавливают начальную скорость вытягивания цилиндрической части монокристалла, равную 1,5 мм/мин. Производят вытягивание цилиндрической части монокристалла, при этом скорость вытягивания во избежание переохлаждения расплава и его спонтанной кристаллизации по краю тигля автоматически по заданной программе уменьшается, достигая 0,6 мм/мин в конце процесса.

По окончании выращивания цилиндрической части слитка автоматическую систему отключают и во избежание последствий термического удара при последующем отрыве слитка от расплава изготавливают обратный конус длиной 65-80 мм. Для этого скорость вытягивания слитка плавно увеличивают до 2 мм/мин и/или несколько увеличивают мощность на нагревателе.

Выращенный монокристалл кремния за счет ускоренного перемещения затравки вверх отрывают и удаляют от расплава на 30 мм. Закрывают кран на байпасной линии и рабочую камеру заполняют аргоном до давления 600 торр.

Получают бездислокационный монокристалл кремния массой 15,2 кг с длиной цилиндрической части, равной 660 мм. В зависимости от заданных электрофизических параметров выход в готовую продукцию достигает 78% Концентрация оптически активного углерода при этом не превышает 10¹⁶ ат/cм³.

Расход аргона на протяжении процесса выращивания кристалла поддерживают равным 1200 нл/ч из расчета его по формуле
Q K ˙ q ˙ G, где Q минимально допустимый расход аргона, проходящего через рабочую камеру, нл/ч;
К коэффициент, учитывающий степень турбулентности потока аргона в объеме рабочей камеры, определен экспериментально и составляет от 1,0 до 2,0;
q удельный расход аргона на 1 кг загрузки в тигель, определен экспериментально и составляет от 25,0 до 60,0 нл/ч˙кг;
G масса загрузки в тигель, кг.

Данные по проведению процесса представлены в таблице.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в получении монокристаллического кремния с высоким выходом и пониженным содержанием углерода.

Предлагаемое изобретение обеспечивает при реализации следующие преимущества:
получение высокочистого монокристаллического кремния совершенной структуры, который может быть применен для создания приборов микроэлектроники и высокоэффективных солнечных элементов, являющихся источниками экологически чистой электрической энергии;
обеспечивает устойчивый и воспроизводимый рост бездислокационных монокристаллов кремния с низким содержанием углерода и малой плотностью ростовых микродефектов;
предлагаемая закономерность расхода аргона позволяет заранее рассчитать систему подачи аргона, который необходимо поддерживать в течение процесса выращивания кристалла после введения затравки, а также систему эвакуации аргона для вновь конструируемого оборудования, и для модернизации существующих моделей установок выращивания кристаллов кремния;
сократить сроки ввода установок в эксплуатацию и разработки технологии;
снизить себестоимость целевого продукта.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, включающий расплавление исходного кремния в тигле, введение затравки, вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся затравку, отличающийся тем, что процесс ведут в атмосфере аргона при его расходе после введения затравки, определяемом по формуле
Q = KqG,
где Q - расход аргона в процессе выращивания после введения затравки, нл/ч;
K - коэффициент турбулентности аргона в рабочей камере, составляет от 1,0 до 2,0;
q - удельный расход аргона, нл/ч · кг, составляет от 25 до 60 нл/ч · кг;
G - вес загрузки, кг.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вытягивание кристалла из расплава ведут с переменной скоростью вытягивания, вначале со скоростью 3 - 7 мм/мин до вытягивания шейки монокристалла диаметром 2 - 5 мм и достижения бездислокационной структуры, затем вытягивают стержень со скоростью 0,1 - 1,0 мм/мин до достижения заданного диаметра, после чего скорость поддерживают на уровне 1,0 - 2,5 мм/мин с постепенным снижением ее до 0,4 - 1,5 мм/мин, а затем с повышением до 1,5 - 2,5 мм/мин до образования обратного конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1