Технология полупроводникового кремния

Максимальная скорость выращивания монокристалла заданного диаметра определяется переохлаждением расплава, величина которого связана с кристаллографическим направлением выращивания, нали­чием дислокаций, концентрацией примесей в расплаве, и температур­ными градиентами в растущем монокристалле и расплаве. Кроме того, переохлаждение расплава зависит от тепловой системы (включая расположение в ней тигля с расплавом кремния), скорости выращи­вания и скоростей вращения тигля и кристалла.

Необходимо отметить, что на        рост   монокристаллов   большое влияние может оказывать появление кристаллов кремния на стен­ках тигля (паразитная кристалли­зация). Быстро распространяясь по поверхности расплава или отрываясь от стенок тигля и уносясь тепло­вым потоком к фронту кристаллизации, эти кристаллы на практике час­то являются основной причиной прекращения роста монокристалла. На появление паразитной кристаллизации при прочих равных условиях влияет качество внутренней поверхности тигля. Чем менее она шерохо­вата, тем более высокие скорости выращивания достигаются.

При выращивании фронт кристаллизации должен быть наиболее холодным местом в области расплава. Это приводит к необходимости отвода теплоты кристаллизации. Регулирование теплоотвода через кристалл или расплав при выращивании является методом управления формой монокристалла. Расширения кристалла достигают снижением температуры расплава или уменьшением скорости выращивания; уменьшения радиуса кристалла - повышением температуры расплава или скорости выращивания.

При увеличении температуры расплава или скорости выращивания кристалл цилиндрической формы подрезается, т.е. в течение определен­ного отрезка времени кристалл растет в виде конуса, вершина которого направлена в расплав. Через какое-то время кристалл вновь приобре­тает цилиндрическую форму, но'его диаметр уже будет меньше. Время, в течение которого после внесения возмущения процесс выращивания становится квазистационарным, зависит от типа экранировки, конст­рукции нагревателя, массы расплава, соотношения диаметров кристал­ла и расплава и т.д.

Качество выращиваемых монокристаллов в значительной мере определяется характером тепловых и гидродинамических потоков в расплаве. Как правило, выращивание монокристаллов по Чохральскому на современных установках осуществляется при вертикальном перемещении тигля с расплавом в тепловом узле со скоростью, компен­сирующей понижение уровня расплава в процессе выращивания.

На рис. 118 [24] показаны тепловые потоки в кристалле и расплаве для начальной и конечной стадий процесса выращивания в случае, когда скорость вращения тигля равна нулю, а скорость кристалла близка к такому значению. На начальной стадии выращивания тигель размещается глубоко в нагревателе и тепло передается расплаву через боковую поверхность тигля. В процессе выращивания тигель медленно поднимается относительно нагревателя и теплового экрана, в результа­те чего поверхность частей тигля, излучающих тепло, над расплавом и тепловым экраном увеличивается, а поверхность элементов, погло­щающих тепло, сокращается. По мере поднятия тигля тепло к расплаву все в большей степени подается через донную часть, поэтому для сохра­нения диаметра выращиваемого монокристалла близким к постоянно­му нужно уменьшать скорость выращивания, а мощность нагрева увели­чивать в течение процесса для компенсации потерь энергии на излуче­ние.