способ выращивания монокристалла кремния из расплава

Формула изобретения

Способ выращивания монокристалла кремния из расплава, включающий формирование при остаточном давлении в камере газового потока над расплавом, находящимся в тигле, в присутствии газонаправляющего цилиндрического экрана, нижняя кромка которого расположена на высоте h от поверхности расплава, установленного соосно с выращиваемым монокристаллом, отличающийся тем, что остаточное давление в камере устанавливают в пределах 50÷150 мм рт.ст., при этом газонаправляющий цилиндрический экран дополнительно снабжают газоразделительным кольцевым экраном с внутренним диаметром _к=(1,2÷1,4)·d, где d - заданный диаметр монокристалла, который размещают сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно с последним, используют газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром, определяемым по формуле _ц=[(d² +D²)/2]^1/2 , где D - диаметр тигля, а высоту h его расположения выбирают в соответствии с формулой h=[(D²-d²)/8]/ _ц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для электронной техники, в частности кремния, получаемого для этих целей методом Чохральского.

Как известно, оснастка печи для выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского состоит из графитовых и углеродных композитных материалов: из этих материалов изготавливают более 80 элементов оснастки печи. Как правило, процесс выращивания осуществляют в протоке чистого аргона с использованием кварцевого тигля для расплава. Газовый поток формируют для создания чистой зоны над расплавом в тигле и удаления из области кристаллизации парогазовой смеси моноокиси кремния SiO и моноокиси углерода СО, а также других летучих примесей.

Моноокись кремния SiO образуется, в основном, в результате химической реакции между расплавленным кремнием и кварцевым тиглем

Si+SiO₂ 2SiO.

Моноокись углерода СО образуется в результате химических реакций между графитовой подставкой под тигель и кварцевым тиглем

3С+SiO₂ SiC+2СО,

С+SiO₂ SiO+СО,

между кислородом, попадающим внутрь камеры через уплотнения, и элементами оснастки печи

2С+O ₂ 2СО,

а также между моноокисью кремния SiO и элементами оснастки печи:

2С+SiO SiC+CO.

Нахождение парогазовой смеси аргона, моноокиси SiO и моноокиси углерода СО, а также других летучих соединений над расплавом приводит к их коагуляции в микрочастицы, которые осаждаются на относительно холодных поверхностях внутри камеры печи, затем конвективными потоками этой парогазовой смеси переносятся в объеме камеры к поверхности расплава и попадают в область кристаллизации, что приводит к срыву бездислокационного роста монокристалла, то есть к получению брака.

Несмотря на высокий технологический уровень, достигнутый в настоящее время в области выращивания полупроводникового кремния для микроэлектроники, решение проблемы формирования газового потока над расплавом в тигле с целью получения бездислокационных монокристаллов с оптимальным соотношением цены и качества продолжает оставаться актуальным.

Известен способ выращивания монокристалла кремния из расплава, включающий формирование при остаточном давлении в камере газового потока над расплавом, находящимся в тигле, в присутствии газонаправляющего экрана, расположенного над поверхностью расплава и установленного соосно выращиваемому монокристаллу (см. патент РФ №2102539, оп. 20.01.1998, Бюл. №2, МПК⁷ С 30 В 15/14, 15/00). Экран выполнен в виде полого тела вращения, в боковой стенке которого выполнены отверстия, а нижний конец экрана может быть выполнен в виде кольцевого экрана.

Благодаря формированию газового потока с помощью описанного экрана удается создать чистую зону над расплавом в тигле и своевременно удалять из области кристаллизации парогазовую смесь моноокиси кремния SiO и моноокиси углерода СО, а также других летучих примесей.

Однако для получения бездислокационных монокристаллов по данному способу остаточное давление в камере в процессе выращивания следует устанавливать в пределах 5-10 мм рт.ст. Указанный уровень остаточного давления приводит к сложному аппаратурному обеспечению процесса выращивания и, как следствие, к низкой управляемости всей совокупностью параметров процесса, влияющих на процент выхода годной продукции в заданную марку.

Наиболее близким по технической сущности является способ выращивания монокристалла кремния из расплава, включающий формирование при остаточном давлении в камере газового потока над расплавом, находящимся в тигле, в присутствии газонаправляющего цилиндрического экрана, нижняя кромка которого расположена на высоте h от поверхности расплава, установленного соосно выращиваемому монокристаллу (см. патент РФ №2200775, oп. 20.03.2003, Бюл. №8, МПК⁷ С 30 В 15/00). Процесс выращивания проводят в присутствии газонаправляющего цилиндрического экрана с диаметром _Ц=235-245 мм при заданном диаметре монокристалла кремния в пределах 76-150 мм.

Остаточное давление газового потока также устанавливают в пределах 5-7 мм рт.ст. как необходимое условие ламинарного движения парогазовой смеси и получения бездислокационного монокристалла.

Основным недостатком данного способа также является сложное аппаратурное обеспечение процесса выращивания монокристаллов, которое, с одной стороны, отрицательно сказывается на себестоимости продукции, а с другой стороны - на управлении параметрами процесса, влияющими на процент выхода годной продукции с высокими техническими характеристиками.

Перед авторами стояла задача повысить технико-экономические характеристики процесса выращивания монокристалла кремния методом Чохральского за счет упрощения аппаратурного обеспечения подготовки и проведения процесса выращивания, повышения управляемости процессом и достижения повышенных характеристик в выращенном монокристалле.

Поставленная задача достигается тем, что в способе выращивания монокристалла кремния из расплава, включающем формирование при остаточном давлении в камере газового потока над расплавом, находящимся в тигле, в присутствии газонаправляющего цилиндрического экрана, нижняя кромка которого расположена на высоте h от поверхности расплава, установленного соосно выращиваемому монокристаллу, остаточное давление в камере устанавливают в пределах 50-150 мм рт.ст., при этом газонаправляющий цилиндрический экран дополнительно снабжают газоразделительным кольцевым экраном с внутренним диаметром _К=(1,2-1,4)· d, где d - заданный диаметр монокристалла, который размещают сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно последнему, используют газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром, определяемым по формуле _Ц=[(d²+D²)/2] ^1/2 , где D - диаметр тигля, а высоту h его расположения выбирают в соответствии с формулой h=[(D²-d²)/8]/ _Ц.

При остаточном давлении в камере выше 50 мм рт.ст. наблюдается заметное снижение образования моноокиси кремния над расплавом, а также появляется возможность управлять уровнем концентрации кислорода и его изменением по длине в выращиваемом монокристалле за счет изменения остаточного давления в камере. При остаточном давлении в камере выше 150 мм рт.ст. значительно возрастают тепловые конвективные потоки, а для их подавления требуется повышение расхода аргона, причем ламинарное течение газового потока над расплавом становится неустойчивым.

Расчетным и экспериментальным путем подобраны геометрические параметры газонаправляющего и газоразделительного экранов, которые позволяют сформировать над расплавом газовый поток при повышенном остаточном давлении в камере в указанных пределах так, что моноокись кремния и другие летучие примеси образуются в меньших количествах и полностью удаляются от поверхности расплава в момент их образования и далее за пределы тигля без коагуляции, а поступлению моноокиси углерода в область кристаллизации препятствует направленный газовый поток. Предложенная новая система газодинамики в указанных пределах остаточного давления в камере препятствует возникновению турбулентности в газовом потоке и исключает негативное влияние конвективных потоков парогазовой смеси, насыщенной моноокисями кремния и углерода, а также другими примесями внутри камеры печи на возможное загрязнение чистой зоны в области кристаллизации.

Формирование газового потока над расплавом осуществляют с помощью газонаправляющего и газоразделительного экранов при определенных геометрических соотношениях между формирующими газовый поток элементами.

Газонаправляющий цилиндрический экран дополнительно снабжают газоразделительным кольцевым экраном с внутренним диаметром _К=(1,2-1,4)· d, где d - заданный диаметр монокристалла, который размещают сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно последнему, для создания высокотемпературной зоны вокруг монокристалла, в которой при остаточном давлении газового потока в пределах 50-150 мм рт.ст. подавляются тепловые конвективные потоки, направленные вверх навстречу подаваемому потоку аргона к относительно холодным поверхностям камеры печи. Нижнее значение диаметра _К из диапазона (1,2-1,4)· d обусловлено условием сохранения ламинарности газового потока при вхождении в высокотемпературную зону вокруг монокристалла, верхнее значение диаметра _К ограничено условием подавления восходящих тепловых потоков.

Для формирования над расплавом газового потока при остаточном давлении в указанных пределах используют газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром, определяемым по формуле _Ц=[(d²+D²)/2] ^1/2 , где D - диаметр тигля, а высоту h его расположения выбирают в соответствии с формулой h=[(D²-d²)/8]/ _Ц для сохранения ламинарности газового потока при повышенном остаточном давлении в камере. При указанных геометрических размерах и при характерных для технологии получения монокристаллов кремния методом Чохральского температурных и размерных параметрах сформированный газовый поток над расплавом имеет докритические значения числа Рейнольдса.

Экспериментальным путем определено влияние погрешностей изготовления диаметров экранов _К и _Ц и высоты расположения газонаправляющего цилиндрического экрана h на достижение положительного результата при повышенном остаточном давлении. Отклонение диаметра газоразделительного кольцевого экрана _К от указанного диапазона не должно превышать 5%, отклонение диаметра газонаправляющего цилиндрического экрана _Ц не должно превышать 3%, а высоту h следует выдерживать с погрешностью не более 5%.

Пределы остаточного давления в камере 50-150 мм рт.ст. выбраны экспериментально и находятся в хорошем согласии с расчетными результатами. На практике возникновение и развитие турбулентности в газовом потоке наблюдается визуально по изменению прозрачности атмосферы (по появлению так называемого “дыма”, образованного твердыми микрочастицами моноокиси кремния) в области кристаллизации и в камере установки для выращивания, а также по характерным пульсациям плотности газового потока над расплавом. При выбранных геометрических параметрах газонаправляющего цилиндрического и газоразделительного кольцевого экранов и их расположении по отношению к поверхности расплава, к монокристаллу и к тиглю, а также в пределах указанных погрешностей изготовления диаметров экранов _К и _Ц и высоты расположения газонаправляющего цилиндрического экрана h, в процессе выращивания монокристалла вне указанных пределов остаточного давления в камере 50-150 мм рт.ст. наблюдаются срывы бездислокационного роста, что приводит к браку и к необходимости повторной переплавки слитка.

Указанная совокупность отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию “новизна”.

Осуществляя процесс выращивания при остаточном давлении в камере в пределах 50-150 мм рт.ст., принципиально изменяются аппаратурное обеспечение процесса выращивания, возможности по управлению процессом выращивания и достижению требуемых характеристик в выращиваемом монокристалле, а именно:

1. Используют более простое вакуумное оборудование, а именно: масляные вакуумные агрегаты вместе с воздушными фильтрами заменяют, например, на водокольцевые насосы.

2. Существенно упрощаются вакуумопроводы, запорная арматура, измерительная аппаратура, снижается уровень вибрации установки в целом за счет возможности использования гибких вакуумопроводов.

3. Сокращается время создания вакуума перед началом процесса, и упрощается проверка натекания атмосферы в камеру установки перед плавкой.

4. Уменьшается растворимость кварца в расплаве кремния.

5. Появляется возможность управлять уровнем содержания кислорода в монокристалле кремния и распределением концентрации кислорода по длине выращиваемого слитка за счет изменения остаточного давления в камере над расплавом.

6. Появляется возможность увеличить скорость роста монокристалла в среднем на 15% за счет создания больших температурных градиентов в области кристаллизации.

7. Менее критичными становятся требования к чистоте материалов теплового узла и теплоизоляции за счет создания чистой зоны над расплавом и вытеснения из области кристаллизации парогазовой смеси, насыщенной моноокисями углерода и кремния и другими летучими примесями.

Таким образом, реализация предложенного способа выращивания позволяет повысить технико-экономические характеристики процесса выращивания монокристалла кремния методом Чохральского за счет упрощения аппаратурного обеспечения подготовки и проведения процесса выращивания, повышения управляемости процессом и достижения повышенных характеристик в выращенном монокристалле.

Положительный эффект от реализации заявляемого способа не вытекает явным образом из указанной совокупности существенных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Предложенный способ выращивания монокристалла кремния поясняется чертежом, на котором схематично представлен общий вид камеры для выращивания.

На чертеже изображен корпус камеры 1, продуваемой газовым потоком 2. В камере 1 расположены тигель 3 с диаметром D для расплава, нагреватель 4, теплоизоляция 5, газонаправляющий цилиндрический экран 6 с диаметром _Ц. (например, выполнен составным, как показано на чертеже). Газонаправляющий цилиндрический экран 6 расположен на высоте h от поверхности расплава 7 и установлен соосно выращиваемому монокристаллу 8 диаметром d. Для эвакуации газового потока в корпусе камеры выполнены отверстия 9. Газоразделительный кольцевой экран 10 с внутренним диаметром _К размещен сверху газонаправляющего цилиндрического экрана 6 соосно. Сверху нагревателя 4 и теплоизоляции 5 размещен теплозащитный кольцевой экран 11.

Способ реализуется следующим образом.

Перед началом процесса выращивания монокристалла кремния диаметром d по формуле определяют диаметр газонаправляющего цилиндрического экрана _Ц=[(d²+D²)/2] ^1/2 , где D - диаметр тигля, используемый для проведения процесса выращивания, в соответствии с формулой рассчитывают высоту h расположения нижней кромки газонаправляющего цилиндрического экрана от уровня расплава при выращивании h=[(D²-d ²)/8]/ _Ц, определяют внутренний диаметр газоразделительного кольцевого экрана _К=(1,2-1,4)· d.

Кварцевый тигель 3, загруженный поликристаллическим кремнием с лигатурой, размещают в тепловом узле камеры выращивания, который включает подставку под тигель, нагреватель 4, теплоизоляцию 5 и теплозащитный кольцевой экран 11. Устанавливают газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром _Ц на рассчитанной высоте h от уровня расплава при выращивании. Устанавливают сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно газоразделительный кольцевой экран с внутренним диаметром _К. Осуществляют герметизацию камеры, устанавливают подачу и эвакуацию инертного газа (аргона) с расходом 15-20 л/мин. После расплавления загрузки устанавливают начальное положение уровня расплава на расстоянии h до нижней кромки газонаправляющего цилиндрического экрана и поддерживают это расстояние в процессе выращивания. С помощью вакуумного вентиля устанавливают и поддерживают остаточное давление в камере в пределах 50-150 мм рт.ст. Осуществляют затравливание и начинают процесс выращивания монокристалла 8 при сформированном газовом потоке над расплавом.

Пример осуществления способа.

При выращивании монокристалла кремния с заданным диаметром d=152,5 мм в его цилиндрической части из тигля диаметром D=356 мм перед началом процесса выращивания по формуле определяют диаметр газонаправляющего цилиндрического экрана _Ц=[(152,5²+356²)/2]^1/2 =274 мм, в соответствии с формулой рассчитывают высоту h расположения нижней кромки газонаправляющего цилиндрического экрана от уровня расплава при выращивании h=[(356²-152,5² )/8]/274=47 мм, определяют внутренний диаметр газоразделительного кольцевого экрана _К=(1,2-1,4)· 152,5=1,3· 152,5=198 мм.

Кварцевый тигель 3, загруженный поликристаллическим кремнием (масса загрузки 40 кг) с лигатурой, размещают в подставку под тигель теплового узла, состоящего также из нагревателя 4, теплоизоляции 5 и теплозащитного кольцевого экрана 11. Устанавливают газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром _Ц=274 мм на рассчитанной высоте h=47 мм от уровня расплава при выращивании. Устанавливают сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно газоразделительный кольцевой экран с внутренним диаметром _К=198 мм. Осуществляют герметизацию камеры, устанавливают подачу инертного газа (аргона) с расходом 20 л/мин и эвакуацию газового потока из камеры. После расплавления загрузки устанавливают начальное положение уровня расплава на расстоянии h=47 мм до нижней кромки цилиндрического экрана и поддерживают это расстояние в процессе выращивания автоматически путем перемещения тигля с расплавом по вертикали. С помощью вакуумного вентиля устанавливают и поддерживают остаточное давление в камере 70 мм рт.ст. Осуществляют затравливание и начинают процесс выращивания монокристалла 8 при сформированном газовом потоке над расплавом.

При осуществлении предложенного способа выращивания используют водокольцевой насос, гибкие вакуумопроводы. Уровень содержания кислорода в монокристалле кремния по сравнению с прототипом снижается за счет уменьшения растворимости кварца в расплаве кремния при повышенном давлении, причем изменением остаточного давления в камере в указанных пределах может осуществляться изменение концентрации кислорода в монокристалле кремния в диапазоне значений концентрации кислорода (2-10)· 10¹⁷ ат/см³. Скорость роста монокристалла в среднем увеличивается на 15% по сравнению с прототипом. После проведения процесса требуются значительно меньшие трудозатраты на очистку камеры и подготовку следующих процессов. Устойчивый бездислокационный рост монокристалла за счет создания чистой зоны в области кристаллизации приводит к повышению качественных характеристик монокристалла:

- плотность дислокации - бездислокационный,

- концентрация кислорода (номинальное значение), ат/см ³ - 5,5· 10¹⁷,

- отклонение концентрации кислорода от номинала - ± 1,0· 10 ¹⁷ ат/см³,

- концентрация углерода, ат/см ³ - не более 3· 10¹⁶.

В результате осуществления процесса получен бездислокационный монокристалл кремния со средним диаметром 152,5 мм с выходом годной продукции 85%. Производительность процесса выращивания повышена в среднем по сравнению с прототипом на 10%. Себестоимость получения годной продукции (бездислокационный монокристалл кремния со средним диаметром 152,5 мм и заданными техническими характеристиками) снижена по сравнению с прототипом в среднем на 15-20%.

Предложенный способ использован с получением положительных результатов для характерного ряда диаметров d монокристаллов 100, 150, 200 мм и диаметров D тиглей 270, 330, 356, 406 и 615 мм.

Таким образом, осуществление предложенного способа выращивания монокристалла кремния из расплава обеспечивает повышение технико-экономических характеристик процесса выращивания монокристалла кремния методом Чохральского за счет упрощения аппаратурного оснащения подготовки и проведения процесса выращивания, повышения управляемости процессом и достижения повышенных характеристик в выращенном монокристалле.