Выращивание профильных монокристаллов кремния методом Степанова (стр. 6 из 9)

Сравнивались также формообразователи из графита, кварца и пироуглерода, стенки щели которых были покрыты сажей [НО]. Выяснилось, что сажевое покрытие, играя роль демпфирующего слоя, препятствует образованию поверхностных дефектов на ленте даже при значительном снижении фронта кристаллизации. Нанесение сажевого покрытия позволило использовать для выращивания германиевой ленты формообразователь из кварца, достоинство которого в длительном сохранении его верхней кромки, так как благодаря этому на выращенных лентах отсутствуют поверхностные дефекты в виде продольных полос. Существенным недостатком сажевого покрытия является его недолговечность: через каждые 2—3 процесса необходимо наносить новое покрытие.

Поиски подходящего материала формообразователя оказались особенно трудными при выращивании способом Степанова монокристаллов кремния. Главные требования к этому материалу—несмачиваемость расплавом кремния, отсутствие химического взаимодействия с кремнием и отсутствие примесей, способных переходить в расплав кремния [110, 111].

Изучалась пригодность тугоплавких бескислородных соединений для изготовления тиглей и формообразователей [110, 111]. Были опробованы силицированный графит (смачивается кремнием и частично взаимодействует с ним), карбид кремния (взаимодействует с кремнием и смачивается расплавом германия), алюмонитрид бора (расплавом германия не смачивается, кремний после кристаллизации не отделяется от тигля из алюмонитрида бора), нитрид бора (с кремнием не взаимодействует и не смачивается, но после кристаллизации кремний отделяется от тигля с трудом), азотированный карбонитрид бора (имелись следы постепенного разрушения поверхности тигля вследствие взаимодействия с расплавленным кремнием, в кремний в большом количестве переходил в качестве примеси бор), борированный графит (масса тигля уменьшилась на 0,5% после пяти плавок кремния, расплавленный германий с борированный графитом не взаимодействует).

Конструктивная особенность выращивания профильных монокристаллов

Рассмотрим формообразователь с отверстием произвольного контура из несмачиваемого расплавом материала, например графита (краевой угол смачивания 0 > p/2). Формообразователь постепенно погружается в расплав (рис. 12,а), проходя ряд последовательных положений — от I до V. В положении формообразователь касается расплава нижней плоскостью. Давление, при котором расплав подается в щель (Р), равно нулю, а угол между стенкой щели и поверхностью расплава g=p/2.

При дальнейшем погружении формообразователя угол у увеличивается вплоть до величины q. В момент, когда глубина погружения равна (t₀+t), линия контакта расплава в формообразователе совпадает с его верхней кромкой (положение IV), и при последующем повышении давления должно иметь место условие “зацепления”. При этом угол g растет до значения 0+л/2, т.е. достигает угла смачивания с горизонтальной поверхностью формообразователя. Дальнейшее погружение формообразователя приводит к растеканию капли.

Как следует из приведенного рисунка, положения II—V соответствуют выпуклым столбам расплава, которые могут быть образованы внутри формообразующего отверстия (положения I - III) или над ним (IV—V). Таким образом, образование столба расплава происходит в формообразователе под действием давления расплава без затравки.

Произведем касание затравки с мениском типа IV или V в предположении, что площадь сечения затравки много меньше площади формообразующего отверстия. При этом образуется граница фазовый переход—фронт кристаллизации и устанавливается его начальное положение (VI).

И, наконец, собственно выращивание кристалла включает в себя ряд переходных состояний фронта кристаллизации—от начального положения V! до положения VIII.

РИС. 12.

Последовательные стадии формирования столба расплава при выращивании сплошных (цилиндрических) (а) и полых трубчатых (б) монокристаллов германия :

1—формообразователь;2—расплав; 3—граница раздела фаз;4 — кристалл

Формообразователи могут быть различных видов. Схематически некоторые из возможных видов формообразователей приведены на рис. 13. На рис. 14 представлены примеры различных вариантов размещения расплава,- из которого производится вытягивание кристалла. Для поддержания постоянства уровня расплава но отношению к формообразующему устройству можно применят различные системы регулирования, в том числе уже применяемые в полупроводниковой металлургии (например, плавающий тигель и другие способы подпитки расплава). На рис. 15 показаны возможные схемы поддержания постоянства уровня расплава при выращивании кристаллов способом Степанова.

Одновременно с выращиванием монокристалла предполагаются возможными последовательная н непрерывная термообработка или нанесение слоев других веществ. В процессе кристаллизации можно получить многослойные структуры с распределенными p n переходами. Следует отметить, что для получения монокристаллических слоистых структур совмещение этих процессов является рациональным лишь при выращивании профилированных кристаллов необходимой формы и с достаточно высоким качеством поверхности. Способ непрерывного выращиванием p n перехода.

РИС. 13.

Схема некоторых возможных видов формообразователей:

а — дополнительное регулирование температуры в зоне формообразования за счет отдельною подогрева щели формообразователя; б—формообразователь—экран помещен под поверхность расплава так, чтобы на поверхности жидкости был изгиб необходимой формы;1—расплав; 2—формообразователь; 3— крышка, закрывающая поверхность расплава; 4— нагреватель

(рис.14)Примеры размещения расплавов

а — в тигле; б — на поверхности твердого куска, из которого выращивают монокристалл; в—в расплавленной зоне, образованной поддерживающим огнеупорным цилиндром;

г—на “пьедестале”;

1 — растущий кристалл; 2 — формообразователь; 3 — расплав; 4 — твердый материал для плавки; 5—тигель; 6—держатель расплава; 7—индуктор для плавления; 8—опора, для формообразователя.

Выращивание полупроводникового кристалла с р— л-переходом начинают с одновременного введения в формующие отверстия необходимой формы двух раздельно укрепленных затравок. В формообразователи подается расплав с определенной легирующей добавкой. Столбики расплава от обеих затравок соединяются вместе, в результате чего вытягивается единый слиток с р—/г-переходом вдоль вертикальной оси. Поскольку кристаллизация расплава происходит несколько выше края формующего устройства, получающиеся кристаллы обладают совершенной структурой.

Далеко не все из приведенных на рис. 13—15 вариантов аппаратурных решений применяются в настоящее время на практике. Но это свидетельствует лишь о больших, еще не исследованных, потенциальных возможностях способа Степанова. Основным отличием способа Степанова от способа Чохральского является применение того или иного формообразователя, роль которого не ограничивается управлением капиллярными условиями кристаллизации. Формообразователь выравнивает тепловое поле вблизи области столба расплава, экранирует тепловое поле расплава в тигле от теплового поля в столбе расплава и в растущем кристалле, уменьшая тем самым колебания температуры вблизи фронта кристаллизации; обеспечивает создание любой желаемой симметрии теплового поля, что особенно важно при выращивании монокристаллов различной ориентации; влияет на распределение дислокации и примесей в вытягиваемом кристалле.

рис. 15.

Схемы поддержания постоянства уровня расплава по отношению к формообразователю:

а—система с опусканием формообразователя; б—система с подъемом тигля; в — регулирование уровня расплава; г—подпитка расплава;

1—растущий кристалл; 2—формообразователь; 3—расплав; 4—электромеханический привод; 5—пневматическая система регулирования уровня расплава; 6—система подпитки расплава

Область применения профильных монокристаллов

Несмотря на успехи, достигнутые в области выращивания профильных полупроводниковых монокристаллов, и в первую очередь — германия, применение таких монокристаллов в полупроводниковом приборостроении еще сопряжено со значительными трудностями, которые обусловлены несколькими причинами.

Во-первых, технология выращивания германия и кремния методом Чохральского совершенствовалась десятилетиями, и профилированный материал вряд ли сможет превзойти по качеству стандартные слитки. При этом следует учитывать, что технология наиболее массовых типов германиевых диодов и транзисторов детально отработана применительно к этому стандартному исходному материалу, и прибористы совершенно не заинтересованы в дополнительных капиталовложениях на корректировку технологии изготовления приборов для перехода на профильные монокристаллы, если только это не приводит к существенному повышению выхода годных приборов или снижению их себестоимости.

Вторая причина трудностей заключается в том, что весовая производительность процесса выращивания профильных монокристаллов сравнительно низка, а себестоимость профильного Германия выше, чем себестоимость слитков, выращенных способом Чохральского, и это сводит к минимуму экономический эффект, обусловленный сокращением потерь дефицитного полупроводникового материала.