Метод Чохральского

Выращивание кристаллов по методу Чохральского заключается в затвердевании (присоединении атомов в узлы кристаллической решётки) атомов жидкой фазы на границе раздела жидкость/кристалл при постепенном вытягивании кристалла из расплава.

Методом Чохральского получают ~80% кремния от общего объёма производимого кремния для нужд электроники. Суть метода заключается в следующем.

Куски поли-Si расплавляют в тигле из плавленого кварца в атмосфере аргона. Расплав поддерживается при температуре незначительно превосходящую точку плавления кремния 1415 С. Затравочный монокристалл высокого качества с требуемой кристаллической ориентацией опускается в расплав и одновременно вращается. При этом тигель вращается в противоположном направлении, чтобы вызвать перемешивание расплавов тигля и свести к минимуму неоднородности распределения температуры.

Часть затравочного кристалла растворятся в расплавленном кремнии, чтобы устранить механически напряжённые наружные участки и обнажить нарушенную поверхность монокристалла. Затем затравочный кристалл медленно вытягивают из расплава. По мере поднятия кристалл охлаждается и материал из расплава “пристаёт” к ней, образуя при этом монокристалл. Схематично это можно представить таким образом. Кремний продолжают кристаллическую структуру уже затвердевшего материала. Требуемый диаметр кристалла получается путём регулировки скорости вытягивания и температуры. С ростом переохлаждения увеличивается скорость затвердевания расплава (скорость присоединения атомов к твердому кристаллу). Но растёт вязкость жидкости (расплава) и уменьшается подвижность атомов => дефектность кристалл а!!!

Схема установки:

1—затравка (монокристаллическая);

2—нагревательные элементы;

3—выращиваемый слиток(кристалл);

4—тигель (химически инертный, высокая Т_пл, прочный, недорогой, (Si₃N₄,SiO₂));

5—пьедестал (графит);

6—расплав.

Рис. 1.27. Установка и схема кристаллического роста в методе Чохральского с соответствующим температурным профилем.

Макроскопическое условие теплопереноса на границе раздела:

, где А₁,А₂-площади изотерм. (1.8)

Максимальную скорость вытягивания кристалла без дефектов получим, если предположим отсутствие градиента т.в. расплава (отсутствие переохлаждения), т.е.

. Тогда: , где k_s – коэф. теплопроводности примеси в расплаве; L – удельная теплота плавления; ρ – плотность Si в твердом состоянии. Скорость выращивания должна быть, с одной стороны, максимальна, чтобы в конечном итоге уменьшить стоимость материала. С другой стороны, увеличение скорости вытягивания сопровождается ростом градиента температур в кристалле, что сказывается на качестве кристалла.

Почему нельзя вырастить кремний прямо в тигле??

1) Расплав кремния, отвердевая, расширяется, его объём увеличивается на 10%. Вследствие этого может произойти разрушение тигля. И даже в том случае, когда тигель выдерживает расширение застывающего кремния, напряжение, возникающее при этом, всё равно вызывают появление дислокаций.

2) Кристаллизация на стенках.

Методом Чохральского выращивают цилиндрические монокристаллические слитки кремния диаметром от нескольких мм до 400 мм. Во многих случаях в монокристалле необходимо иметь определённое количество примеси. Эта примесь вводится добавлением в расплав небольшого, тщательно контролируемого количества желаемого элемента.

Рис. 1.28. Схема участка фазовой диаграммы,.

Концентрация примесей в выращиваемом монокристалле и в расплаве могут различаться. Отношение равновесной концентрации (CS) примесей в твёрдом растворе к концентрации примеси в жидком состоянии (CL) называется коэффициентом распределения (сегрегации): kS =CS/CL. Если kS <1, то при кристаллизации расплав обогащается примесью. Если kS >1, то происходит обеднение. Следствием того, что kS как правило, отличен от 1, является неоднородное распределение примесей по кристаллу. Так, например, пусть k <1, т.е. концентрация примеси в выращиваемом кристалле (твёрдом растворе) меньше, чем в расплаве.

По мере затвердевания кремния примесь будет оттесняться от кристалла в расплав. В результате чего концентрация легирующей примеси в расплаве увеличивается. Поэтому в итоге затравочный конец кристалла будет легирован слабее, чем его нижний конец.

Следствие: очистка кристалла

C_L – концентрация примеси в расплаве, С_S - конц.примеси в закристаллизованном Si, С_S = k_SC_{L ;} где k_S – коэф. Сегрегации. Если состав расплава равен С_{L ,} то при охлаждении до Т=Т₁ (пересечение с кривой ликвидус) происходит кристаллизация части расплава с содержанием примеси k_SC_L.

Из рассмотренного выше следует, что не вся примесь, содержащаяся в расплаве, будет захватываться растущим кристаллом. Следовательно, кристалл будет более чистым по сравнению с расплавом. В этом состоит суть очистки кристаллов при их выращивании из расплава.

По мере выращивания кристалла (вытягивания слитка из расплава), в расплаве увеличивается концентрация примеси (относительно массы основного материала (Si)). В связи с этим:

а) на фазовой диаграмме происходит сдвиг в сторону больших концентраций и, соответственно,

кристаллизация происходит при более низкой температуре.

б) в вытягиваемом кристалле увеличивается концентрация захваченной примеси. Т.е. на заключительных этапах вытягивания кристалла его качества ухудшаются!

3) качество кристалла (однородность примесей и дефектов) сильно зависит от стабильности (однородности) температуры на границе раздела кристалл-жидкость (как вдоль границы раздела так и в перпендикулярном направлении).

Основной примесью в кремнии, выращенном методом Чохральского, является кислород. Его содержание составляет от 10¹⁷ до 2х10¹⁸ см^-3. Источником кислорода являются прежде всего стенки тигля кварцевого. Для предотвращения растворения их покрывают Si₃N₄.

---

Дата добавления: 2015-10-23