Пристрій для вирощування монокристалів кремнію, екрануючий пристрій для нього і спосіб вирощування монокристалів кремнію за методом чохральського

Винахід відноситься до області одержання монокристалів напівпровідникових матеріалів і може бути використано при вирощуванні монокристалів кремнію з розплаву за методом Чохральского. При вирощуванні монокристала кремнію з розплаву за методом Чохральского теплові процеси значно впливають на стійкість росту, стабільність діаметра і структуру вирощуваного монокристала. При підвищенні швидкості вирощування монокристала з розплаву досягається підвищення такого важливого показника якості монокристала кремнію як час життя нерівновагих носіїв заряду (tн.н.з.). Для створення відповідного підвищення швидкості вирощування, формування газового потоку над розплавом, для розширення можливостей керування тепловими полями в розплаві й у зростаючому з нього монокристалі, використовують різні системи екранування тигля з розплавом [А.Я. Нашельский. Технология специальных материалов электронной техники. - М., 1993, с.169-173][1]. Найбільш близьким є пристрій для вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, що включає камеру вирощування монокристала з розташованим у ній тиглем для одержання розплаву і витягування з розплаву монокристала кремнію, і екрануюче пристосування, розташоване соосно вирощуваному злитку [JP, заявка №2-31040, М.кл. С30В 15/14, H01L 21/208, опубл. 11.07.90] [2]. Екрануюче пристосування виконано у вигляді екрана, що має форму переверненого зрізаного конуса. Верхня частина екрана вигнута у вигляді трикутника або дуги. Екрануюче пристосування установлено таким чином, що нижня частина (торцова частина екрана) розташована над площиною розплаву, а верхня частина у вигляді кільця закриває тигель на ділянці від вирощуваного монокристала до країв тигля. Найбільш близьким є також спосіб вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, що включає витягування монокристала кремнію з розплаву в присутності екрануючого пристосування, розташованого соосно вирощуваному монокристалу [2]. У відомому способі використовують екран, що має форму переверненого зрізаного конуса, описаного вище. Однак, на похилих стінках екрана часто конденсується монооксид кремнію, що випаровується, і леткі легуючі домішки, що обумовлено недостатньою тепловою ізоляцією конічного екрана. У процесі вирощування можливе відшаровування осаджених частинок монооксиду кремнію і попадання їх до розплаву. Це приводить до утворення дислокацій у зростаючому монокристалі, обриву бездислокаційного росту вирощуваного монокристала, а також до зниження можливої швидкості вирощування монокристала і, отже, до зниження продуктивності одержання монокристалів. Задачею винаходу є удосконалення пристрою для вирощування монокристалів кремнію, у якому за рахунок установки додаткового екрана визначеної форми відбувається збільшення швидкості потоку інертного газу поблизу поверхні розплаву в зоні вирощування, що приводить до ефективного видалення монооксиду кремнію і летких легуючих домішок, що випаровуються із зони кристалізації. Це забезпечує можливість проводити процес вирощування при більш високих швидкостях і з великим виходом структурно досконалих монокристалів. Задачею винаходу є створення екрануючого пристосування для вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, що дозволяє збільшити швидкість потоку інертного газу поблизу поверхні розплаву в зоні вирощування. Процес вирощування монокристала відбувається при більш високій швидкості і з великим виходом структурно досконалих монокристалів. Задачею винаходу є також удосконалення способу вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, у якому за рахунок використання подвійного екрана визначеної форми і розміщення його певним чином над розплавом підвищується продуктивність процесу, збільшується вихід структурно досконалих монокристалів. Поставлена задача, вирішується запропонованим пристроєм для вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, що включає камеру вирощування монокристала з розташованим у ній тиглем для одержання розплаву і витягування з розплаву монокристала кремнію, і екрануючого пристосування, розташованого соосно вирощуваному злитку, у якому екрануюче пристосування виконано у вигляді подвійного екрана - внутрішнього і зовнішнього, при цьому зовнішній екран має форму, що повторює або близьку до форми кварцового тигля, а зазор між внутрішньою поверхнею кварцового тигля і зовнішнім екраном становить 10-30мм, і подвійний екран установлений таким чином, що відстань між його нижнім торцем і поверхнею розплаву становить 8-40мм. Внутрішній екран має форму зрізаного конуса. Поставлена задача вирішується також екрануючим пристосуванням для вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, виконаним у вигляді подвійного екрана - внутрішнього і зовнішнього, при цьому зовнішній екран має форму, що повторює або близьку до форми кварцового тигля для витягування злитка монокристала кремнію. І, нарешті, поставлена задача вирішується запропонованим способом вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского, що включає витягування злитка монокристала кремнію з розплаву в присутності екрануючого пристосування, розташованого соосно злитку, що витягається, у якому, як екрануюче пристосування використовують описане вище екрануюче пристосування, і яке розміщують таким чином, що зазор між внутрішньою поверхнею кварцового тигля і зовнішнім екраном становить 10-30мм, а відстань між нижнім торцем подвійного екрана і поверхнею розплаву становить 8-40мм. Нами було виявлено, що при вирощуванні монокристалів кремнію за методом Чохральского в присутності екрануючого пристосування, виконаного у вигляді подвійного екрана - внутрішнього і зовнішнього, коли зовнішній екран має форму, що повторює або близьку до форми кварцового тигля, відбувається зміна радіального градієнта температури в розплаві. За рахунок створення оптимальних теплових полів у розплаві й у зростаючому з розплаву монокристалі, а також збільшення і стабілізації швидкості потоку інертного газу над поверхнею розплаву в зоні вирощування, збільшується швидкість вирощування монокристала, зростає значення часу життя нерівновагих носіїв заряду. Запропонована форма зовнішнього екрана, його розміщення над розплавом, а також швидкість потоку інертного газу забезпечують те, що на стінках екрана не конденсується монооксид кремнію і леткі легуючі домішки, що випаровуються, а віддаляються з камери. Винахід пояснюється малюнком, де на Фіг. зображено пристрій для вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральского. На Фіг. зображено камеру вирощування монокристала кремнію (1) за методом Чохральского, у якій розташований кварцовий тигель (2) для одержання розплаву (3) і витягування з розплаву монокристала кремнію (4) на затравку (5). Тепловий вузол представлений резистивним нагрівачем (6), графітовою підставкою (7) під кварцовий тигель, нижнім екраном (8), бічним екраном (9), верхнім екраном (10) і екрануючим пристосуванням (11), розташованим соосно вирощуваному злитку монокристала кремнію (4). Екрануюче пристосування (11) виконано у вигляді подвійного екрана - внутрішнього конічного екрана (12) і зовнішнього екрана (13), що має форму, що повторює або близьку до форми кварцового тигля. Пристрій працює і спосіб здійснюється таким чином. У камері вирощування монокристала кремнію (1) на графітовій підставці (7) спочатку встановлюють кварцовий тигель (2), завантажений полікристалічним кремнієм і необхідною кількістю лігатури. Потім на бічний екран (9) установлюють верхній екран (10), у якому розміщують зовнішній екран (13) соосно затравці (5) таким чином, щоб відстань від внутрішньої стінки кварцового тигля (2) до зовнішнього екрана (13) становила 10-30мм. Потім соосно затравці (5) установлюється внутрішній конічний екран (12). Здійснюють герметизацію камери вирощування, установлюють подачу і відведення інертного газу (аргону) з витратою 15-20л/хв. Після розплавлення завантаження кварцовий тигель з розплавом піднімають на таку висоту, щоб відстань між нижнім торцем екрануючого пристосування (11) у вигляді подвійного екрана і поверхнею розплаву, що утворився в тиглі (3), становила 8-40мм. По мірі витрати розплаву (3) тигель (2) піднімається, а конічний екран (12) і зовнішній екран (13) входять у кварцовий тигель (2). Відстань між нижнім торцем екрануючого пристосування (11) у вигляді подвійного екрана і поверхнею розплаву (3) у процесі вирощування монокристала (4) зберігається постійним. Запропонована форма додаткового зовнішнього екрана (13) сприяє збільшенню швидкості протока інертного газу біля поверхні розплаву в зоні вирощування, за рахунок чого забезпечується ефективне видалення монооксиду кремнію і летких легуючих домішок, що випаровуються, із зони кристалізації. Додаткове теплове екранування приводить до зміни радіального градієнта температури в розплаві, і забезпечує можливість проводити процес вирощування монокристалів кремнію при більш високих швидкостях вирощування і з великим виходом структурно досконалих монокристалів. При зазорі між зовнішнім екраном (13) і внутрішньою стінкою кварцового тигля (2) менш ніж 10мм виникає небезпека торкання зовнішнім екраном обертового тигля. При зазорі більш ніж 30мм зменшується ефективність впливу зовнішнього екрана. За результатами проведення 10 плавок з використанням відомого пристрою з екрануючим пристосуванням у вигляді конічного екрана і запропонованого пристрою з екрануючим пристосуванням у вигляді подвійного екрана, запропоновані пристрій і спосіб забезпечують: - збільшення швидкості вирощування злитка монокристала на 15%; - збільшення виходу бездефектних кристалів на 10,9%; - збільшення злитків без обриву бездислокаційного росту на 86%; - підвищення продуктивності печі на 24,1%.