Выращивание профильных монокристаллов кремния методом Степанова (стр. 8 из 9)

3. Возможность выращивания на затравки с различной кристаллографической ориентацией.

4. Условия роста, способствующие хорошему отводу теплоты кристаллизации, обеспечивают высокую скорость кристаллизации и значение эффективного коэффициента распределения легирующих примесей между твердой и жидкой фазами, близкое к 1. Таким образом, содержание легирующей примеси в кристалле практически совпадает с содержанием примеси в расплаве.

5. Метод хорошо применим для выращивания профильных монокристаллов различных веществ (сапфира, тнталата бария и магния, фторида лития, сплава медь — золото, а также различных эвтектических материалов анизотропными свойствами).

Следует указать, что характеристики метода формообразования, примененного фирмой “Тусо Laboratories”, практически полностью совпадают с основными характеристиками одного из вариантов способа Степанова, предложенного и опробованного ранее С. В. Цнвиискнм, Ю. И. Контевым п А. В. Степановым, которые использовали вольфрамовые нагреватели, смачиваемые расплавом германия, для вытягивания монокристаллов в форме пластины и труб. Поэтому нельзя согласиться с авторами, которые считают особенностью способа Степанова использование несмачиваемых расплавом формообразователей и противопоставляют на этом основании способу Степанова разработанную ими технологию. Исследование различных видов чистого графита, а также графита, покрытого пленкой карбида кремния, показало, что для изготовления формообразователя наиболее подходящим по физическим свойствам является графит высокой плотности (более 1,9 г/см³) с зерном малого размера (менее 20 мкм).

В связи с тем, что проблема создания материала формообразователя, не взаимодействующего с расплавом кремния и не загрязняющего его, все еще окончательно не решена, советские исследователи уделяли большое внимание разработке методов формообразования, основанных на электродинамическом воздействии на расплав. Возможность осуществления такого варианта была отмечена в ряде работ А. В. Степанова, рассмотренных выше. Бесконтактное формообразование позволяет надеяться на получение более чистого выращиваемого материала и с более совершенной структурой. Часть экспериментов но выращиванию лент с использованием электродинамического воздействия на расплав проведена на модельном материале — олове. При ведении процесса по схеме, показанной на рис. 17а, наблюдалась нестабильность геометрии столба расплава. Вследствие этого колебалась толщина получаемой ленты и были случаи электрического пробоя с индуктора на расплав. Намного лучшая стабильность процесса получена при использовании комбинированного контактного и электродинамического формообразователя (рис. 176). Петлевой индуктор располагается во внутренней полости фигурного керамического формообразователя. Последний одновременно служит электрической изоляцией индукторов от расплава.. При включении индуктора расплав выдавливается вверх, и над верхним краем формообразователя образуется устойчивый достаточно высокий столбик расплава. При этом отсутствует непосредственный контакт зоны формообразования с керамикой, но не исключается возможность загрязнения расплава примесями материала контактного формообразователя.

Поэтому вполне понятно стремление исследователей разработать способ полностью бесконтактного электро - магнитного формообразования. В основу технологии может быть положена известная схема процесса бестигельного вытягивания с пьедестала: верхний торец цилиндрического слитка большого диаметра оплавляется индукционным способом; расплав удерживается силами поверхностного натяжения; затравку опускают в расплав и начинают вытягивание слитка меньшего диаметра, чем расплавляемый (питающий) слиток. Для электромагнитного профилирования применен индуктор специальной формы из медной водо - охлаждаемой трубки диаметром 4 мм. Авторы указывают, что расплав, отжимаясь от гантелеобразной петли индуктора, приобретает форму валика. Индуктор в процессе вытягивания опускается, а расходуемый пьедестал вращается и оплавляется. Частоту тока следует выбирать, исходя из следующих соображений: индуктор должен создавать на торце пьедестала расплавленную зону; электродинамическое воздействие на расплав под фронтом кристаллизации должно быть максимальным для создания определенной формы столба расплава при минимальном тепловом воздействии на вытягиваемый кристалл.

Расчет показал, что при выращивании пластин толщиной 2 - 4 мм оптимальной является частота тока порядка единиц мегагерц. Опытные плавки проводили на серийной установке, предназначенной для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния, на частоте 5,28 МГц в атмосфере водорода и в вакууме. Выращивание осуществляли на затравках, вырезанных в направлениях <111> и <112>. Методом электромагнитного формообразования были получены кремниевые пластины шириной до 27 мм и толщиной 4—7 мм. Некоторые выращенные пластины были монокристаллическими.

Существенно, что при выращивании профилированных кристаллов способом бестигельного вытягивания с пьедестала важным параметром является высота фронта кристаллизации над поверхностью расплава. Увеличение или уменьшение высоты фронта кристаллизации приводит к изменению линейных размеров профиля кристалла — толщины и ширины. При отклонении формы индуктора от симметричной наблюдается неравномерность температуры расплава у фронта кристаллизации, следствием чего может быть перекос фронта но ширине пластины. При этом в процессе вытягивания пластина искривляется и “уходит” из щели в расширенную часть индуктора. Форма кристалла в этом случае отличается от задаваемой индуктором.

В результате этих экспериментов, выполненных во Всесоюзном научно-исследовательском институте токов высокой частоты им. В. П. Вологдина, выяснена возможмоность проведения расплавления торца пьедестала и профилирования выращиваемого кристалла на одной частоте одним и тем же индуктором.

РИС. 17.

Схема выращивания профильных кристаллов с применением электродинамического формообразования (а) и комбинированного контактного и электродинамического формообразования (б):

1 — индуктор; 5 — расплав; 3 — сформированный столб расплава; 4—затравка; 5—тянущий шток; б— вспомогательный контактный формообразователь

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте электротермического оборудования проведены исследования различных вариантов управления температурным и электромагнитным полями в зоне формообразования с применением высокотемпературного концентратора. Авторы сообщают, что им удалось получить профилированные кристаллы кремния различной формы:

стержни квадратного сечения, пластины, тонкие ленты, а также цилиндрические кристаллы диаметром, близким к половине диаметра пьедестала.

Схема устройства тепловой технологической зоны-показана на рис.18. Кремниевый пьедестал 1 цилиндрической формы, изготовленный простой резкой полученных восстановлением стержней на мерные заготовки, окружен в верхней части высокочастотным индуктором 2, внутри которого расположен, графитовый концентратор электромагнитной и лучистой энергии 3. Конструкция концентратора зависит от формы выращиваемого кристалла. Концентратор может быть изготовлен из любого другого электропроводного материала, допустимого по условиям технологии. От индуктора концентратор изолирован прокладкой 4. В зависимости от требуемой формы поперечного сечения выращиваемого кристалла 5 концентратор может снабжаться контактным формообразователем 6

РИС.18.

Схема устройства тснловоп зоны для выращивания профильных кристаллов кремния с пьедестала:

а—контактное формообразование; б—электромагнитное формообразовяние

. В В простейшем случае такой формообразователь представляет собой пластину с отверстием, форма которого соответствует нужному профилю кристалла.

Для подбора благоприятных температурных градиентов в зоне и для уменьшения потребления высокочастотной мощности может применяться дополнительный подогрев пьедестала любыми известными средствами: с помощью дополнительного индуктора, нагревателей сопротивления, пропусканием тока через пьедестал и т. п. На рис.18 дополнительный подогрев пьедестала условно показан стрелками Q.

При подаче питания на индуктор концентратор разогревается наведенными токами. Геометрию концентратора и величину питающего напряжения подбирают так, чтобы рабочая температура тела концентратора превышала температуру плавления пьедестала. Таким образом, плавление торца пьедестала в такой системе осуществляется как наведенными высокочастотными токами от индукторами концентратора, так и излучением с поверхности концентратора.

Для осуществления электромагнитного формообразования кристалла концентратор снабжен сквозной прорезью, проходящей от наружного диаметра до отверстия в концентраторе, через которое выращивается кристалл. Благодаря сквозной прорези обеспечивается прохождение наведенного в концентраторе тока по контуру его внутреннего отверстия. Электродинамическое взаимодействие этого тока с током, наведенным в расплаве, приводит к формированию столба расплава, близкого но форме к отверстию в концентраторе. Из этого столба расплава возможно бесконтактное выращивание кристалла, как показано на рис. 18б.