Выращивание монокристаллов кремня методом зонной плавки и методом Чохральского

Введение
Монокристаллический кремний (моно-Si, англ. monocrystalline silicon) - основной материал для дискретных компонентов на кремниевой основе и интегральных схем, используемых практически во всем современном электронном оборудовании. Моно-Si также служит фотоэлектриком, поглощающим свет материалом, используемым при производстве солнечных элементов.
Монокристаллический кремний отличается от других аллотропных форм, таких как некристаллический аморфный кремний, используемый в тонкопленочных солнечных элементах, и поликристаллический кремний, который состоит из небольших неоднородных кристаллов.
Монокристаллический кремний состоит из кремния, в котором кристаллическая решетка всего твердого тела непрерывная, цельная до и не имеет границ зерен. Моно-Si может быть получен как собственно полупроводник, состоящий исключительно из чистого кремния, или же он может быть легирован добавлением других элементов, таких как бор или фосфор, для получения кремния р-типа или n-типа. Благодаря своим полупроводниковым свойствам, монокристаллический кремний является, пожалуй, самым важным технологическим материалом последних нескольких десятилетий - «кремниевой эры». Распространенность в природе сырья и доступность технологии получения стали основой широчайшего распространения содержащих такой кремний электронных устройств, что и легло в основу современной революции электроники и информационных технологий.
Монокристаллический кремний получают из поликристаллического путем выращивания из расплава методом Чохральского или методом бестигельной зонной плавки. Целью данной работы является рассмотрение данных методов выращивания монокристаллов кремния.
1. Метод выращивания кристаллов Чохральского
Данный метод появился, благодаря польскому химику Яну Чохральскому. Метод необходим для выращивания монокристаллов путем вытягивания монокристаллов вверх от свободной поверхности большого объема расплава с инициацией начала кристаллизации, путем приведения одного или нескольких затравочных кристаллов определенной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава. Чохральский использовал данный метод для изменения степени кристаллизации олова, цинка и свинца.
Чохральский открыл данный метод в 1916 г., уронив ручку в тигель с расплавленным оловом. Польский химик проводит серию экспериментов, в которых получает монокристаллы размером около 1 мм в диаметре и до 150 см в длину. Объём монокристаллического кремния, который потребляет промышленность, в среднем достигает отметки - 80-90 %. Кремний используют для производства интегральных схем и выращивают методом Яна Чохральского.
Кристаллы, выращенные благодаря методу Чохральского, не могут содержать различные краевые дислокации. Они могут содержать только небольшие дислокационные петли. Эти петли могут образовываться из-за конденсации избыточных точечных дефектов. Рост кристаллов заключается в фазовом переходе из жидкого состояния в твердую фазу и в затвердевании атомов жидкой фазы. Скорость роста всех кристаллов по методу Чохральского будет определена числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, которые поступают из жидкой фазы, а также особенностями теплопереноса на границы раздела фаз, а скорость вытягивания оказывает влияние на форму границы раздела фаз между растущими расплавами и кристаллами. Она является функцией радиального градиента температуры и условий охлаждения боковой поверхности растущих кристаллов по методу Чохральского.
По методу Чохральского монокристалл медленно вытягивают из расплава (рис. 1). Скорость вытягивания обычно достигает - 1-20 мм/ч

. Данный метод позволяет получать монокристаллы заданной кристаллографической ориентации.
Рис. 1. Структура аппарата для выращивания монокристаллов по способу Чохральского: 1 - тигель с расплавом; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - холодильник; 5 - механизм вытягивания
Основными преимуществами метода Чохральского можно считать отсутствие прямого контакта между стенками тигля и растущим монокристаллом, что позволяет избежать критических по величине остаточных напряжений и возможность извлечения кристаллов из расплавов на любом этапе выращивания, что является важным при определении условий выращивания монокристаллов. Недостатками метода Чох- ральского будут являться следующие: для реализации процесса роста кристаллов будет необходим тигель, который может оказаться источником различного рода примесей, а также сравнительно большой объём расплава будет способствовать возникновению сложных гидродинамических потоков, они в свою очередь будут снижать условия стабильности процесса кристаллизации. Это приведет к неоднородному распределению примесей в монокристаллах. Метод Чохральского относят к тигельным. В данном случае при выращивании использованы контейнеры из материалов устойчивых к расплаву и атмосфере установки. Также данный метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, следовательно, летучие компоненты и различного рода примеси стремительно испаряются с поверхности расплава. Для поддержания более равномерного распределения температуры и различных примесей по объему расплава - затравочный кристалл и тигель с расплавом будут вращать, правда, чаще всего в противоположных направлениях. Метод Чохральского отличается также наличием большого объема расплава. По мере роста слитков он постепенно будет уменьшаться за счет формирования тела кристаллов. По методу Чох- ральского выращивание кристаллов идёт со свободной поверхности расплава, не ограничиваясь стенками контейнера. Следовательно, выращенные кристаллы будут менее напряжены, чем кристаллы, которые были выращены другими тигельными методами. Инициация процесса выращивания производится путем введения в расплав затравочного кристалла необходимой структуры и кристаллографической ориентацией.
Оборудование для роста кристаллов по способу Чохральского может выглядеть следующим образом (рис. 2).
Рис. 2. Пример оборудования для выращивания кристаллов по способу Чохральского
В структуру оборудования входят: 1 - печь, в которую входят тигель, контейнер, механизм вращения, нагреватель, источник питания и камера; 2 - механизм вытягивания кристаллов, который содержит стержень или цепь с затравкой, а также механизм вращения затравки и устройство для ее зажима; 3 - устройство для управления составом атмосферы, которое состоит из газовых источников, расходомеров, вакуумной и систем продувки; 4 - блок управления, в него входят микропроцессор, различные датчики и устройства вывода.
2. Метод бестигельной зонной плавки
Вторым методом получения особочистых монокристаллов кремния является метод вертикальной бестигельной зонной плавки (БЗП). В качестве основного метода нагрева, наибольшее распространение получил индукционный метод, рисунок 3. Принцип вертикальной бестигельной зонной плавки заключается в следующем: на штоке вертикально закрепляют кремниевый стержень, на нижнем конце которого с помощью индукционного нагревателя создают каплю расплава. В эту каплю расплава вводят затравочный кристалл, размещенный на другом штоке, после чего создают зону расплава.
Рис. 3 - Схема процесса индукционной бестигельной зонной плавки: 1 - исходный стержень; 2 - индуктор; 3 - зона расплава; 4 - кристаллизующаяся часть стержня
Расплав удерживается силами поверхностного натяжения и электромагнитным полем индуктора