Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава

Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано преимущественно при получении кристаллов веществ с температурой плавления, превышающей температуру размягчения кварца, например, при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского.

Как правило, выращивание монокристаллов кремния осуществляют с использованием кварцевых тиглей. На сегодняшний день в установках для выращивания монокристаллов кремния именно они нашли наиболее широкое применение. Общим недостатком кварцевых тиглей является то, что при температуре плавления кремния они размягчаются, материал тигля вступает в химические реакции взаимодействия с кремнием, а также с графитовой подставкой. При этом нарушается целостность структуры кварцевого тигля, тигель разрушается, крошится его внутренняя поверхность, тигель теряет свою форму и довольно быстро становится непригодным к использованию в процессе выращивания. Нарушение целостности тигля при наличии в нем расплава кремния может привести к аварийной ситуации. Поэтому для сохранения формы кварцевых тиглей в процессе выращивания монокристаллов, сохранения целостности плавильных устройств с тиглем при охлаждении после проведения процесса выращивания, а также для увеличения ресурса работы тиглей используются различные приспособления.

Известен способ получения монокристаллического кремния, реализуемый при помощи устройства, в котором для обеспечения жесткой фиксации формы кварцевого тигля используется сетка из углеродного волокна, уплотненного пироуглеродом (см. А.с. СССР №1424379, оп. 05.09.1990, МПК⁵ С30В 15/10). Тигель размещают внутри сетки в виде арматуры, фиксирующей форму тигля. Однако наличие сетки не предотвращает изменение геометрической формы тигля и его разрушение в процессе выращивания монокристалла из-за того, что размягченный материал тигля под действием расплава кремния выдавливается в пустоты сетки, что в конечном итоге приводит к разрушению тигля и возможным потерям расплава кремния.

Известен способ получения монокристаллического кремния с использованием сложного тигля, в котором для исключения разрушения на его внутренние стенки наносят защитное покрытие, получаемое из зерен синтетического кристаллического кварца (см. заявка Франции №2461028, МПК С30В 15/10). Однако такое защитное покрытие является источником загрязнения материала расплава и отрицательно сказывается на качестве выращиваемых монокристаллов.

Известен способ выращивания монокристаллов кремния из расплава с использованием кварцевого тигля, размещенного внутри графитовой подставки, жестко закрепленной на штоке (см. патент РФ №2114938, оп. 10.07.1998, МПК⁶ С30В 15/10). Для исключения деформации кварцевого тигля и графитовой подставки, тигель размещают с образованием зазора между ними, который заполняют слоем засыпки из порошка карбида кремния толщиной, локально изменяющейся в соответствии с высотой тигля.

Данное техническое решение не в полной мере обеспечивает целостность тигля при охлаждении после проведения процесса из-за неопределенности величины зазора между кварцевым тиглем и графитовой подставкой.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ выращивания монокристаллов кремния из расплава, при котором кварцевый тигель размещают в графитовой подставке, которую выполняют составной в виде верхнего и нижнего дисков и обечайки (см. патент РФ №2241080, оп. 27.11.2004, МПК⁷ С30В 15/10). В тигель загружают исходное сырье, устанавливают тигель с подставкой в тепловой узел, осуществляют расплавление загрузки, введение кристаллической затравки и вытягивание кристалла из расплава. После завершения процесса выращивания производят дозагрузку тигля, и процесс выращивания повторяют.

Указанный способ благодаря плавильному устройству позволяет обеспечить высокую производительность выращивания монокристаллов кремния. Обечайка обеспечивает сохранение геометрических размеров кварцевого тигля в процессе выращивания, целостность тигля при охлаждении после проведения процесса выращивания, легко поддается демонтажу при замене кварцевого тигля с остатком кремния на новый тигель и используется многократно. Указанный способ позволяет проводить дозагрузку тигля до 2-3 раз, но не более. При осуществлении способа нарушается целостность структуры кварцевого тигля, тигель разрушается, крошится его внутренняя поверхность, и тигель становится непригодным к использованию в процессе выращивания.

Задачей изобретения является увеличение срока службы тигля, возможность его многократной дозагрузки и, как следствие, снижение себестоимости монокристаллов кремния, а техническим результатом - устранение пустот между внешней поверхностью тигля и внутренней поверхностью подставки за счет более полного сопряжения поверхностей кварцевого тигля и обечайки, а также уменьшение химических разрушающих реакций между материалом тигля и материалом подставки.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в предложенном способе выращивания монокристаллов кремния из расплава, включающем размещение кварцевого тигля в составной подставке, образованной цилиндрической обечайкой, выполненной из материала, допускающего формообразование и совместимого с технологическим процессом выращивания, и диском, установленных соосно друг с другом, загрузку исходного сырья в кварцевый тигель, установку тигля с подставкой в тепловой узел, расплавление загрузки, введение монокристаллической затравки и вытягивание монокристалла из расплава, обечайку выполняют в виде стакана, дно которого образуют путем размещения на диске подставки слоя того же материала, из которого выполнена цилиндрическая часть обечайки. Тигель размещают в обечайке с возможностью скольжения вдоль оси, после чего устанавливают тигель с подставкой в тепловой узел таким образом, чтобы дно тигля оказалось в зоне максимального нагрева, задают режим плавления, обеспечивающий уверенное размягчение сферической донной части кварцевого тигля, выдерживают тигель до расплавления материала загрузки, затем его опускают внутрь теплового узла в положение начала процесса выращивания и устанавливают режим выращивания монокристалла.

В предложенном способе обечайку фиксируют вокруг тигля при помощи колец из композиционного материала.

При этом кольца располагают вокруг обечайки с тиглем по эллиптическим окружностям, исключающим их взаимное пересечение.

В качестве материала обечайки используют фольгу из тонкорасщепленного графита.

Выполнение обечайки в виде стакана, дно которого образуют путем размещения на диске подставки слоя того же материала, из которого выполнена цилиндрическая часть обечайки, изолирует от контакта дно кварцевого тигля и графитовую поверхность диска подставки. При этом уменьшается интенсивность химических реакций между материалом тигля и материалом подставки, разрушающих целостность структуры кварцевого тигля при многократном использовании тигля в процессах выращивания.

Тигель размещают в обечайке с возможностью скольжения вдоль оси для того, чтобы в процессе размягчения сферической донной части кварцевого тигля и выдержки тигля до расплавления материала загрузки тигель без напряжений заполнил все пустоты между внешней поверхностью тигля и внутренней поверхностью подставки за счет более полного сопряжения поверхностей кварцевого тигля и обечайки в виде стакана.

Установка тигля с подставкой в тепловой узел таким образом, чтобы дно тигля оказалось в зоне максимального нагрева, обеспечивает в процессе режима плавления размягчение сферической донной части кварцевого тигля, в результате чего под весом самого тигля и расплава форма тигля полностью сопрягается с формой обечайки. Таким образом, при опускании тигля в тепловой узел в положение начала процесса выращивания, поверхности кварцевого тигля и обечайки в виде стакана полностью сопряжены, что позволяет сохранить при многократном использовании тигля целостность его структуры, прозрачность и первоначальную гладкость внутренней и внешней поверхностей. Тигель остается пригодным к использованию в процессе выращивания при многократной дозагрузке.

Обечайку фиксируют вокруг тигля при помощи колец из композиционного материала, совместимого с процессом выращивания, для обеспечения целостности конструкции в виде обечайки и тигля с расплавом. При этом расположение колец вокруг обечайки с тиглем по эллиптическим окружностям, исключающим их взаимное пересечение, позволяет достаточно просто обеспечить при сборке размещение тигля в обечайке с возможностью скольжения вниз вдоль оси под действием силы тяжести. Это достигается тем, что внутренний диаметр колец несколько превышает внешний диаметр обечайки с тиглем, а смещением плоскости колец вокруг обечайки с тиглем обеспечивается необходимая плотность посадки тигля в обечайке. Кольца из композиционного материала при таком смещении располагаются по эллиптическим окружностям без взаимного пересечения.

Использование в качестве материала обечайки, выполненной в виде стакана, фольги из тонкорасщепленного графита обеспечивает совместимость материалов в процессе выращивания монокристаллов кремния, необходимую жесткость конструкции и хороший контакт обечайки с тиглем.

Перечисленные преимущества предложенного способа позволяют значительно увеличить срок службы тигля, возможность его многократной дозагрузки и, как следствие, снизить себестоимость монокристаллов кремния за счет уменьшения удельного расхода тиглей, необходимого для выращивания единицы годной продукции, и снижения удельных затрат на электроэнергию

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично представлен общий вид камеры для выращивания с изображением части элементов устройства, необходимых для раскрытия сущности предложенного способа.

На фиг.2 показан увеличенный фрагмент сопряжения поверхностей тигля и обечайки в момент установки тигля с подставкой в тепловой узел, при которой дно тигля оказывается в зоне максимального нагрева.

На фиг.3 показан увеличенный фрагмент сопряжения поверхностей тигля и обечайки после проведения режима плавления, обеспечивающего уверенное размягчение сферической донной части кварцевого тигля и расплавление материала загрузки.

На фиг.1 изображены кварцевый тигель 1, размещенный внутри составной графитовой подставки, выполненной в виде верхнего диска 2, нижнего диска 3 и обечайки 4, установленных соосно друг другу. Обечайка 4 сформирована в виде стакана, дно которого 5 образовано путем размещения на верхнем диске 2 подставки слоя того же материала, из которого выполнена цилиндрическая часть обечайки 4. Цилиндрическая часть обечайки 4 зафиксирована вокруг кварцевого тигля 1, например, при помощи трех колец 6, равномерно расположенных по высоте кварцевого тигля 1 по эллиптическим окружностям. Концы колец 6 соединены скобами (на чертежах не показаны). Нижний диск 3 жестко закреплен на штоке 7. Верхний диск 2, имеющий больший диаметр, чем нижний диск 3, выполнен с возможностью фиксации по отношению к нижнему диску и тиглю с обечайкой. На фиг.1 также показан нагреватель 8. Стрелками отмечена зона максимального нагрева. Для размещения в тепловой узел и извлечения из него кварцевого тигля 1 вместе со съемной частью графитовой подставки может быть использовано подъемное приспособление 9 в виде кольца, на котором крепятся с возможностью вращения стержни с загибами.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

При выращивании монокристаллов кремния с заданным диаметром d_м=152,5 мм в его цилиндрической части кварцевый тигель 1 диаметром D=356 мм и высотой Н=240 мм устанавливают с возможностью скольжения в графитовой подставке. Съемную часть подставки выполняют составной, состоящей из обечайки 4 и диска 2. Обечайка представляет собой стакан диаметром d=356⁺¹ мм, цилиндрическая часть которого 4 выполнена из графитовой фольги, например из фольги из тонкорасщепленного графита (фольга ТРГ), а дно 5 образовано слоем того же материла, из которого выполнена цилиндрическая часть обечайки, размещенным на диске 2 графитовой подставки. Фольга из тонкорасщепленного графита обладает хорошей способностью к формообразованию и прекрасно совместима с технологическим процессом выращивания монокристаллов. Обечайку фиксируют вокруг тигля при помощи трех колец 6 из композиционного материала многоразового использования, которые охватывают тигель по эллиптическим окружностям, исключающим их взаимное пересечение. При этом цилиндрическая поверхность тигля фиксируется обечайкой и сохраняется возможность скольжения боковых поверхностей тигля вдоль обечайки. Тигель загружают поликристаллическим кремнием (масса загрузки составляет 30 кг) с лигатурой. Подставку с тиглем устанавливают внутрь нагревателя 8 при помощи приспособления 9 в положение, соответствующее исходному положению процесса выращивания. При помощи штока 7 поднимают тигель на высоту h=135 мм относительно исходного положения процесса выращивания, при этом дно кварцевого тигля располагается в зоне максимального нагрева. Осуществляют герметизацию камеры, устанавливают подачу инертного газа (аргона) с расходом 20 л/мин и эвакуацию парогазовой смеси (Ar, SiO) из камеры. Задают режим плавления, установив мощность нагрева, соответствующую силе тока I=1800 А, что на 50-60% выше, чем мощность при выращивании монокристалла. Указанная мощность через 30 мин обеспечивает уверенное размягчение кварца, расплавление загрузки и температуру расплава на 10% выше температуры плавления поликристаллического кремния.

При этом размягченная сферическая донная часть тигля под собственным весом и весом расплава загрузки благодаря скользящей посадке тигля в цилиндрической обечайке, полностью заполняет все пустоты, существующие до нагрева, между тиглем и обечайкой.

После этого тигель опускают в тепловую зону в положение начала процесса выращивания и осуществляют процесс выращивания монокристалла.

По окончании процесса выращивания производят дозагрузку тигля, масса которой составляет 25-30 кг. Вновь загруженный кварцевый тигель с обечайкой и графитовым диском помещают подъемным приспособлением в исходное положение и процесс выращивания повторяют.

Описанный способ выращивания монокристаллов позволяет существенно увеличить ресурс работы кварцевого тигля (до 200-х часов) и позволяет осуществлять многократную (5-10 раз) дозагрузку тигля.

Известные способы выращивания монокристаллов кремния и способ, принятый за прототип, позволяют 2-3 раза осуществлять дозагрузку сырья, а предложенный способ за счет технологической подготовки тигля к процессу выращивания увеличивает ресурс кварцевого тигля и позволяет осуществлять дозагрузку его сырьем 5-10 раз. Тигель сохраняет свою работоспособность в течение 150-250 часов.

Предложенный способ использован с получением положительных результатов для характерного ряда диаметров d_м монокристаллов 100, 150, 200 мм и диаметров D тиглей 270, 330, 356, 406, 457 и 615 мм. Себестоимость получения годной продукции (бездислокационных монокристаллов кремния с заданными техническими характеристиками) снижена по сравнению с прототипом в среднем на 20%.

Таким образом, предложенный способ выращивания монокристаллов кремния из расплава позволяет снизить себестоимость монокристаллов кремния за счет увеличения срока службы тигля, возможности его многократной дозагрузки исходным сырьем и снижения удельных затрат электроэнергии.

1. Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава, включающий размещение кварцевого тигля в составной подставке, образованной цилиндрической обечайкой, выполненной из материала, допускающего формообразование и совместимого с технологическим процессом выращивания, и диском, загрузку исходного сырья в кварцевый тигель, установку тигля с подставкой в тепловой узел, расплавление загрузки, введение монокристаллической затравки и вытягивание монокристалла из расплава, отличающийся тем, что обечайку выполняют в виде стакана, дно которого образуют путем размещения на диске подставки слоя того же материала, из которого выполнена цилиндрическая часть обечайки, размещают тигель в обечайке с возможностью скольжения, устанавливают тигель в тепловой узел таким образом, чтобы дно тигля оказалось в зоне максимального нагрева, задают режим плавления, обеспечивающий уверенное размягчение сферической донной части кварцевого тигля, выдерживают тигель до расплавления материала загрузки, затем его опускают внутрь теплового узла в положение начала процесса выращивания и устанавливают режим выращивания монокристалла.

2. Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава по п.1, отличающийся тем, что обечайку фиксируют вокруг тигля при помощи колец из композиционного материала.

3. Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава по п.2, отличающийся тем, что кольца располагают вокруг обечайки с тиглем по эллиптическим окружностям, исключающим их взаимное пересечение.

4. Способ выращивания монокристаллов кремния из расплава по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала обечайки используют фольгу из тонкорасщепленного графита.