Способ ускоренного выращивания полупроводниковых кристаллов большого диаметра путем охлаждения через расплав и воздействия электромагнитных полей для создания переохлаждения расплава

 

Изобретение может быть использовано в технологии получения монокристаллов полупроводников, в частности кремния. Сущность изобретения: для создания переохлаждения в пограничном слое между расплавом и гранью растущего кристалла используют электромагнитные поля, приводящие в движение расплав. В результате теплоотвод осуществляется в основном через расплав. Производительность процесса при его оптимизации возрастает до 10 раз для диаметров кристаллов 300-500 мм. 3 ил.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов полупроводников, в частности кремния.

В существующей практике теплоотвод от нижней грани растущего кристалла осуществляется через твердую фазу и в меньшей степени, через расплав, что существенно ограничивает скорость роста. В публикации "Предполагаемые пределы производства сверхбольших кремниевых монокристаллических пластин" - W. V. Ammon; Expected Limits for Manufacturing Very Large Silicon Wafers (Solid State Phenomena Vols.47-48 (1996) pp.97-106 1996 Scitec Publications. Swizerland), отмечено, что диаметр кристалла, при котором еще сохраняется его качество, составляет около 300 мм, а скорость роста не превышает 1 мм/мин (р. 99).

Наиболее близким техническим решением является способ выращивания из расплава полупроводниковых кристаллов с воздействием на расплав электромагнитными полями, изложенный в статье "Е.P. Bochkarev, G.N. Petrov, T.M. Tkacheva; Effect of heat and mass transfer on microstructure of silicon single crystals grown under applied magnetic fields (HTD-Vol.162 heat Transfer in Metals and Containerless Processing and Manufacturing. ASME, 1991)".

Использование электромагнитных полей позволило получить монокристаллы кремния с различной концентрацией кислорода, снизить плотность микродефектов, повысить однородность распределения основной легирующей примеси, получить монокристаллы без полос роста.

Недостатком данного решения является использование электромагнитных полей только с целью повышения качества кристалла полупроводника, кроме того, в нем не выявлены характерные зависимости скорости роста полупроводникового кристалла в диапазоне интересующих технику диаметров кристалла от перегрева и переохлаждения на фронте кристаллизации. Не выявлена также зависимость от этих важнейших параметров производительности процесса выращивания.

Целью настоящего изобретения является выращивание кристаллов большого диаметра, более 300 мм, с повышенной скоростью, обеспечивающей высокую производительность процесса.

Поставленная цель достигается тем, что при выращивании из расплава полупроводниковых кристаллов с воздействием на расплав электромагнитными полями для увеличения скорости роста кристаллов большого диаметра электромагнитными полями создают переохлаждение на фронте кристаллизации за счет приведения расплава в движение, переносящее тепло от кристаллизующейся поверхности к зеркалу расплава и стенкам тигля, и ведут теплоотвод от грани растущего кристалла через расплав.

При охлаждении растущего кристалла через жидкую фазу, когда в подкристальной области создается переохлаждение, допустимая скорость роста возрастает с увеличением переохлаждения и перестает практически зависеть от диаметра, что и обеспечивает возможность получения кристаллов больших диаметров (теоретически неограниченно больших).

При увеличении этого переохлаждения, например до 40^o, производительность процесса возрастает до 5-10 раз для кристаллов большого диаметра 300-500 мм. Это иллюстрируется фиг.1 и 2. Представленные графики получены путем количественной расчетной оценки скорости теплоотвода в предположении, что тепловой поток в расплав осуществляется путем теплопереноса через прилегающий к поверхности монокристалла пограничный слой, а теплоотвод через твердую фазу осуществляется посредством излучения с боковой поверхности монокристалла, которая предполагается абсолютно черной.

Переохлаждение создается наложением электромагнитных полей. Воздействие на расплав поперечным вращающимся и аксиальным постоянным полями позволяет создавать гидродинамическую структуру течения расплава, приводящую к эффективному теплопереносу от прилегающего к поверхности монокристалла пограничного слоя к стенкам тигля и свободной поверхности расплава.

Пример выполнения способа.

Монокристаллы диаметром 150 мм выращивали на установке "Редмет-30", оборудованной индуктором комбинированного электромагнитного поля "ПИК-2", состоящего из поперечного вращающегося поля с величиной индукции 0,0005-0,009 Т и аксиального постоянного поля с индукцией 0,05-0,1 Т. Шихту кремния 30 кг загружали в тигель диаметром 330 мм, камеру установки вакуумировали и с помощью нагревателя сопротивления, питаемого постоянным током, расплавляли шихту.

После расплавления части шихты (определяли по всплытию твердой фазы шихты на поверхность расплава) включали вращающееся магнитное поле с величиной индукции 0,0005 Т, с одновременным снижением температуры нагревателя, и проводили отжиг расплава в течение 15 мин. По окончании отжига дополнительно воздействовали на расплав аксиальным постоянным магнитным полем с индукцией 0,05 Т.

Воздействие указанных магнитных полей позволило снизить температуру расплава вблизи нижней грани растущего кристалла на 15^oС, что позволило в соответствии с универсальной зависимостью в дальнейшем осуществлять выращивание кристалла со скоростью 2-3 мм/мин.

На фиг.3 приведено фото рентгеновской MoK₁ - топограммы аксиального сечения выращенного монокристалла кремния, где стрелкой отмечен момент кратковременной остановки вытягивания кристалла из расплава.

Формула изобретения

Способ выращивания из расплава полупроводниковых кристаллов с воздействием на расплав электромагнитными полями, отличающийся тем, что для увеличения скорости роста кристаллов большого диаметра электромагнитными полями создают переохлаждение на фронте кристаллизации за счет приведения расплава в движение, переносящее тепло от кристаллизующейся поверхности к зеркалу расплава и стенкам тигля, и ведут теплоотвод от грани растущего кристалла через расплав.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3