Индукционный нагрев при производстве особо чистых материалов

Бындин В.М., Добровольская В.И., Ратников Д.Г.

Машиностроение, 1980 г.

ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ НРЕМНИЯ МЕТОДОМ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВНИ

I. ПРОЦЕСС БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ

Бестигельная зонная плавка является одной из разновидностей направленной кристаллизации вещества с целью его очистки и создания монокристаллической структуры. Бестигельная зонная плавка получила распространение для очистки и выращивания кристаллов различных тугоплавких металлов и соединений и особенно широко — для выращивания монокристаллов полупроводникового кремния [6].

Метод заключается в следующем (рис. I) Стержень 4, который подвергается переплавке, вертикально закрепляется сверху в специальном держателе. Снизу, соосно с верхним стержнем, в нижнем держателе располагается монокристаллическая затравка I. На нижнем конце стержня при помощи индуктора, внутренний диаметр которого часто меньше диаметра стержня, создается капля расплава 5, которая удерживается на стержне за счет сил поверхностного натяжения. К образовавшейся капле подводится затравка до соприкосновения с расплавом и полного смачивания. Далее индуктор 2 перемещается относительно стержня вверх, в результате чего под индуктором расплав кристаллизуется на затравку, образуя монокристалл 5, а над индуктором стержень расплавляется. Верхний и нижний держатели вращаются в противоположных направлениях, что способствует перемешиванию расплава и выращиванию кристалла цилиндрической формы. Для предотвращения загрязнения расплава процесс, как правило, проводят в глубоком вакууме или атмосфере очищенного инертного газа.

Капля расплава под действием сил тяжести и поверхностного натяжения приобретает определенную форму, зависящую от высоты зоны, диаметра стержня капиллярной постоянной и плотности расплава. Положение поверхности в нижней части зоны определяет, будет ли кристалл увеличиваться (разращиваться) или уменьшаться в диаметре. Непременным условием зонной плавки без изменения диаметра кристалла является определенное, близкое к вертикальному расположение касательной к поверхности расплава па границе кристаллизации. По окончании процесса плавки движением первичного стержня вверх зону разрывают, что необходимо для вывода индуктора после застывания расплава.

Основным преимуществом метода бестигельной зонной плавки является полная стерильность технологического процесса, основным недостатком — сложность процесса, обусловленная малой устойчивостью расплавленной зоны при увеличении диаметра обрабатываемых стержней. Однако в последние годы комплекс технологических приемов, применяемых при бестигелыюй зонной плавке, позволил существенно повысить диаметр переплавляемого стержня Поскольку тепло для расплавления выделяется на боковой поверхности зоны, при достаточно большом диаметре стержня высота расплавленной зоны на оси стержня существенно меньше, чем у боковой поверхности. Вследствие этого при увеличении диаметра стержня необходимо увеличить и внешнюю высоту расплавленной зоны. Увеличение же высоты приводит к увеличению гидростатического давления в расплаве и потере устойчивости зоны.

Движение зоны расплава вдоль стержня, т. е. кристаллизация вещества с одного края зоны и плавление с другого, приводит к изменению тепловых условий. Тепло, выделяющееся при кристаллизации и затрачиваемое при плавлении во время движения зоны, приводит к тому, что фронт плавления 7 имеет форму конуса, обращенного вершиной к расплаву, а фронт кристаллизации 6 близок к плоской поверхности (рис. 2,а). Поскольку проход зоны ведут снизу вверх от тонкой затравки, зону расплава можно создать в форме капли, покоящейся на нижней части слитка как па основании и связанной с верхней частью стержня тонкой шейкой (рис. 2,6). При этом конус фронта плавления частично обнажается, в расплав оказывается опущенной лишь вершина конуса. Расплав, образующийся на обнаженной части фронта плавления в процессе рабочего хода, стекает по

поверхности конуса в зону. В этих условиях удается существенно увеличить диаметр переплавляемого стержня при сохранении высоты расплава. Локальный прогрев шейки расплавленной зоны можно осуществить, уменьшая внутренний диаметр индуктора (меньше диаметра стержня), сдвигая индуктор в процессе плавки в сторону и приближая тем самым индуктирующий провод к шейке, смещая в сторону растущую часть слитка или его плавящуюся часть. Применение таких технологических приемов позволило в настоящее время увеличить диаметр выращиваемых монокристаллов кремния от 20—25 мм при плавке с «полной» зоной до 80 мм и более.

Качество выращиваемых монокристаллов определяется наличием в них структурных дефектов и неравномерностью распределения примесей, определяющей неравномерное удельное сопротивление в объеме монокристалла. К структурным дефектам монокристалла относятся точечные дефекты — вакансии, атомы заме-

щения и внедрения, комплексы точечных дефектов, а также линейные дефекты — дислокации и их скопления. Дислокации и комплексы точечных дефектов особенно влияют на качество монокристаллов. Наиболее просто эти дефекты выявляются химической обработкой сечения кристалла, при которой осуществляют избирательное травление в местах выхода на поверхность дислокаций и комплексов точечных Дефектов.

Основным источником образования дислокаций в объеме

кристаллов является пластическая деформация, причем уже имеющиеся дислокации существенно снижают предел упругости кристаллов. Термические напряжения, связанные с охлаждением выращиваемых кристаллов, могут вызвать заметную пластическую деформацию, если в образце имеются дислокации, и не вызвать ее в идентичных условиях, если в образце нет дислокаций; в последнем случае температурные градиенты до определенных пределов не оказывают влияние на структуру монокристаллов. Как известно, температурные напряжения резко увеличиваются с увеличением диаметра кристалла. При выращивании кристаллов малых диаметров достичь малого количества дислокаций и избежать их местного скопления [так называемых малоугловых границ) можно созданием специальных температурных условии при охлаждении кристалла, в частности уменьшением радиального температурного градиента в кристалле. При увеличении диаметров внутренние напряжения резко возрастают и снизить их становится все труднее. Выращивание качественных монокристаллов кремния диаметром свыше 50 мм возможно лишь при условии полного отсутствия дислокаций в объеме, т. е. по специальной технологии бездислокационного роста кристаллов.

Выращивание бездислокационных монокристаллов обеспечивается специальным выведением на поверхность образовавшихся при затравлении дислокаций. После того как затравка погружена в расплав, обеспечивается полное оплавление смачиваемой поверхности. В начале вытягивания необходимо создать по возможности более тонкую шейку. При этом необходимо, чтобы рост протекал с большой скоростью. После создания тонкой и достаточно длинной шейки скорость снижают до нормальной и начинают разращивать кристалл. При выращивании в кристаллографическом направлении (111) бездислокационныи кристалл можно отличить по внешнему виду: в области перехода с конической на цилиндрическую часть на поверхности образуются один, два или три бугра. От бугра начинается гребень, который идет по всей длине кристалла или сходит на нет при образовании соседнего гребня. Какая-либо причина зарождения дислокаций, например попадание на фронт кристаллизации малейших посторонних частичек, приводит к быстрому размножению дислокаций и прекращению бездислокационного роста, что видно по исчезновению гребней.

При плавке кремния в вакууме происходит частичное испарение кремния из расплава и образование кремниевой пленки на поверхности индуктора и камеры. Частицы отслоившейся пленки часто попадают в расплав и являются причиной срыва бездислокациониого роста. Поэтому в последнее время перешли на плавку в среде инертного газа, в частности аргона.

Монокристаллнческин кремний, применяемый для изготовления полупроводниковых приборов, должен иметь заданные тип проводимости и удельное сопротивление. Это достигается введением специальных легирующих добавок (наиболее часто применяются фосфор для придания кремнию отрицательного, электронного, n-типа проводимости и бор для придания положительного, дырочного, p-типа проводимости). Способы легирования различны, и мы здесь не будем их рассматривать.

Одно из требований, предъявляемых к монокристаллическому кремнию, — равномерное удельное сопротивление по объему кристалла, что определяется равномерным распределением легирующих примесей как по длине кристалла, так и по его сечению. Распределен не сопротивления по длине кристалла определяется в основном коэффициентом сегрегации легирующего вещества и скоростью кристаллизации; распределение сопротивления по сечению определяется многими технологическими факторами, основными из которых являются форма расплавленной зоны, форма индуктора, частота вращения нижнего держателя. Обычно оптимальные условия выращивания монокристаллов с необходимыми свойствами подбираются эмпирически.