Реферат: Вирощування профільних монокристалів кремнію методом Степанова
Істотно, що з вирощуванні профільованих кристалів способом безтигельного витягування з п'єдесталу важливим параметром є висота фронту кристалізації над поверхнею розплаву. Збільшення або зменшення висоти фронту кристалізації призводить до зміни лінійних розмірів профілю кристала - товщини та ширини. При відхиленні форми індуктора від симетричної спостерігається нерівномірність температури розплаву біля фронту кристалізації, наслідком може бути перекіс фронту але ширині пластини. При цьому в процесі витягування пластина викривляється і йде з щілини в розширену частину індуктора. Форма кристала в цьому випадку відрізняється від індуктором, що задається.
Внаслідок цих експериментів, виконаних у Всесоюзному науково-дослідному інституті струмів високої частоти ім. В. П. Вологдіна, з'ясована можливість проведення розплавлення торця п'єдесталу і профілювання кристала, що вирощується, на одній частоті одним і тим же індуктором.
Схема вирощування профільних кристалів із застосуванням електродинамічного формоутворення (а) та комбінованого контактного та електродинамічного формоутворення (б):
1 - індуктор; 5 - розплав; 3 - сформований стовп розплаву; 4-затравка; 5-тягне шток; б-допоміжний контактний формоутворювач
У Всесоюзному науково-дослідному інституті електротермічного обладнання проведено дослідження різних варіантів управління температурним та електромагнітним полями у зоні формоутворення із застосуванням високотемпературного концентратора. Автори повідомляють, що їм вдалося отримати профільовані кристали кремнію різної форми:
стрижні квадратного перерізу, пластини, тонкі стрічки, а такожциліндричні кристали діаметром, близьким до половини діаметра п'єдесталу.
Схема влаштування теплової технологічної зони-показана на рис.18. Кремнієвий п'єдестал 1 циліндричної форми, виготовлений простою різкою отриманих відновленням стрижнів на мірні заготовки, оточений у верхній частині високочастотним індуктором 2, всередині якого розташований, графітовий концентратор електромагнітної та променистої енергії 3. Конструкція концентратора залежить від форми кристала, що вирощується. Концентратор може бути виготовлений з іншого електропровідного матеріалу, допустимого за умовами технології. Від індуктора концентратор ізольований прокладкою 4. Залежно від необхідної форми поперечного перерізу кристала, що вирощується 5 концентратор може забезпечуватися контактним формоутворювачем 6
Схема влаштування тснловоп зони для вирощування профільних кристалів кремнію з п'єдесталу:
а-контактне формоутворення; б-електромагнітне формоутворення
. У найпростішому випадку такий формоутворювач являє собою пластину з отвором, форма якого відповідає потрібному профілю кристала.
Для підбору сприятливих температурних градієнтів в зоні і для зменшення споживання високочастотної потужності може застосовуватися додатковий підігрів п'єдесталу будь-якими відомими засобами: за допомогою додаткового індуктора, нагрівачів опору, пропусканням струму через п'єдестал і т. п. На рис.18 додатковий підігрів Q .
Під час подачі живлення на індуктор концентратор розігрівається наведеними струмами. Геометрію концентратора і величину напруги підбирають так, щоб робоча температура тіла концентратора перевищувала температуру плавлення п'єдесталу. Таким чином, плавленняторця п'єдесталу в такій системі здійснюється як наведеними високочастотними струмами від індукторів концентратора, так і випромінюванням з поверхні концентратора.
Для здійснення електромагнітного формоутворення кристала концентратор має наскрізний проріз, що проходить від зовнішнього діаметра до отвору в концентраторі, через яке вирощується кристал. Завдяки наскрізному прорізу забезпечується проходження наведеного в концентраторі струму за контуром його внутрішнього отвору. Електродинамічна взаємодія цього струму зі струмом, наведеним у розплаві, призводить до формування стовпа розплаву, близького але формі до отвору в концентраторі. З цього стовпа розплаву можливе безконтактне вирощування кристала, як показано на рис. 18б.
При вирощуванні кристалів кремнію прямокутного перерізу 10Х20 мм2 та 3Х25 мм2 використовували формоутворювачі з кварцу. Встановлено, що з відтворюваності процесу потрібна жорстка фіксація відносного розташування елементів системи індуктор — концентратор — формоутворювач — екрани. Так як кремній при затвердінні зчіплюється з кварцом, фронт кристалізації повинен знаходитися над верхніми формоутворювачами на оптимальній відстані близько 0,5 мм. При більшому піднесенні фронту не забезпечується хороше повторення перерізом кристала форми формоутворювача.
Якщо прийняти швидкість розчинення кварцу 5 - 10 мг/(ч.см2), то при швидкості витягування 3 мм/хв відхилення поперечного розміру кристала від встановленої величини досягає 0,12 мм на довжині 500 мм. Різні варіанти вирощування профільних кристалів кремнію з розплаву в тиглі та з переохолодженого розплаву на п'єдесталі із застосуванням високочастотного концентратора, здійснені на дослідному стенді, виконаному на базі установки"Редмет-1" та генератора ЛЗ-13 з частотою 440 кГц,. У закордонній патентній літературі також є пропозиція про використання сил електромагнітного взаємодії підтримки напівпровідникового розплаву при витягуванні монокристала у вигляді стрічки. Там само відзначається доцільність проведення термообробки стрічки у процесі зростання за допомогою розігрітої плазми інертного газу, індуктивними струмами або тепловипромінюванням.
Розглянуті вище літературні дані показують, як і період 1968—1971 р. у технології вирощування профільних напівпровідникових монокристалів методом Степанова відбувся якісний стрибок:
а) для вирощування германієвих монокристалів різного профілю сконструйована, виготовлена і пройшла дослідно-промислові випробування апаратура, придатна для промислового застосування, причому в основу технології покладено контактне формоутворення за рахунок капілярних сил в незмочуваних формоутворювачах;
б) здійснено вирощування профільних монокристалів кремнію за декількома варіантами електромагнітного безконтактного формоутворення та найбільш успішно із застосуванням контактного, змочуваного розплавом формоутворювача.
Роботи над вирощуванням монокристалів кремнію, мабуть, знаходяться ще на етапі вирішення завдання формоутворення та публікацій, присвячених детальному вивченню властивостей профільних монокристалів кремнію, ще немає. Відомо, однак, що в дослідних лабораторіях деяких великих фірм США "Texas Instrument", "Dow Corning Corp.", "Tyco Laboratories" порівняно давно працюють над отриманням профільних монокристалів кремнію у формі стрічок і пластин, причому отримані навіть бездислокаційні зразки.
Процес безтигельного витягування кремнієвих стрічок з п'єдесталу із застосуванням механічногоформоутворювача, що формує меніск розплаву, розроблений фірмою “Texas Instrument”, дозволяє отримувати стрічки завтовшки 500 мкм, шириною 12 мм і довжиною до 50 см. для витягування бездислокаційних зливків. Витягування стрічок виробляють у напрямку, так що поверхня стрічки відповідає грані (111). Однорідність питомого опору кремнієвих стрічок забезпечується не більше ±10%, поверхня стрічок немає механічних порушень.
Фірма "Dow Corning Corp." використовує для отримання кремнієвих стрічок метод вирощування з плівковим підживленням при крайовому обмеженні росту (метод EFG). Якщо матеріалом формоутворювача служить графіт, кремнієві стрічки містять домішок вуглецю в кількості 10 ат. год на мільйон, домішка кисню в кількості 6 - 40 ат. год на мільйон і менше інших домішок. В даний час доведено можливість отримання бездислокаційних кремнієвих стрічок вказаним способом, але кристалографічні дефекти поверхні залишаються серйозною проблемою.