RU33580U1 - Устройство для выращивания монокристалла кремния из расплава - Google Patents

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА КРЕМНИЯ ИЗ РАСПЛАВА

2003117167

. lillllllllllllllllllllllllillllllli

200511716

МПК с 30 в 15/00, 15/20

Полезная модель относится к нолупроводниковой промышленности, в частности, к технологии получения кремния 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 : 2 SiO.

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

ЗС + SiO2 SiC + СО,

C + SiO2 О SiO + СО,

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

2C + SiO SiC + CO.

Нахождение парогазовой смеси аргона, моноокиси SiO и моноокиси углерода СО, а также других летучих соединений над раснлавом 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.

Нзвестно устройство, для выращивания монокристалла кремния из расплава, состоящее из камеры, размещенного в ней тигля для расплава и газонаправляющего экрана, расположенного над поверхностью расплава и установленного соосно выращиваемому монокристаллу (см. патент РФ № 2102539, оп. 20.01.1998 Бюл. № 2, МПК 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 парогазовзто смесь моноокиси кремния SiO и моноокиси углерода СО, а также других летучих примесей.

следует устанавливать в пределах 5ч-10 мм рт.ст. Указанный уровень остаточного давления требует сложного аппаратурного обеспечения процесса выращивания. С одной стороны это отрицательно сказывается на себестоимости полз аемой продукции, а с другой стороны - на управляемости всей совокупностью параметров процесса, влияющих на процент выхода годной продукции в заданную марку.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является устройство, описанное в способе выращивания монокристалла кремния из расплава, содержащее камеру с коаксиально размещенными в ней тиглем для расплава и газонаправляющим цилиндрическим экраном, установленным на высоте h от уровня расплава (см. патент РФ .№ 2200775, он. 20.03.2003 Бюл. № 8, МПК С 30 В 15/00).

Газонаправляющий цилиндрический экран имеет диаметр 0ц 235-:-245

мм при заданном диаметре монокристалла кремния в пределах мм.

Известное устройство также требует, чтобы величина остаточного давления находилась в пределах мм рт.ст,, как необходимое условие ламинарного движения парогазовой смеси и получения бездислокационного монокристалла.

Основным недостатком данного устройства также является сложное аппаратурное обеспечение процесса выращивания монокристаллов, которое, как уже было сказано, 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 повышеиных характеристик в выращенном монокристалле.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для выращивания монокристалла кремния из расплава, содержащем камеру с коаксиально размещенными в ней тиглем для расплава и цилиндрическим экраном, установленным на высоте h от уровня расплава, газонаправляющий цилиндрический экран дополнительно снабжен газоразделительным кольцевым экраном с внутренним диаметром

0K(l,2-l,4).d,

где d - заданный диаметр монокристалла,

который размещен сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно последнему, при этом газонаправляющий цилиндрический экран выполнен с диаметром, определяемым по формуле

0u(d2+D2), где D - диаметр тигля, и расположен на высоте h от уровня расплава в соответствии с формулой

h(D2-d2).

В газоразделительном кольцевом экране для контроля за процессом и визуального наблюдения могут быть выполнены окна с сетчатыми вставками.

Заявляемое устройство позволяет поднять величину остаточного давления в камере в пределах 504-150 мм рт.ст., что принципиально изменяет аппаратурное обеспечение процесса выращивания, возможности по управлению процессом выращивания и достижению требуемых характеристик в выращиваемом монокристалле.

tj&cSM

газовый поток при повышенном остаточном давлении в камере в указанных пределах таким образом, что моноокись кремния и другие летучие примеси образз ются в меньших количествах и полностью удаляются от поверхности расплава в момент их образования и далее за пределы тигля без коагуляции. Направленный газовый поток препятствует поступлению моноокиси углерода в область кристаллизации. Предложенное устройство обеспечивает новую систему газодинамики, которая препятствует возникновению турбулентности в газовом потоке и исключает негативное влияние конвективных потоков парогазовой смеси, насьщенной 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 помош;ью газонаправляющего и газоразделительного экранов при определенных геометрических соотношениях между формирующими газовый поток элементами.

Газонаправляющий цилиндрический экран, дополнительно снабженный газоразделительным кольцевым экраном с внутренним

диаметром 0к(1,2ч-1,4)d, где d - заданный диаметр монокристалла,

и установленный сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно последнему, создает высокотемпературную зону вокруг монокристалла. В указанной высокотемпературной зоне подавляются тепловые конвективные потоки, направленные вверх навстречу подаваемому потоку аргона к относительно холодным поверхностям

камеры печи. Нижнее значение диаметра 0к из диапазона (1,2 4-1,4)d

обусловлено условием сохранения ламинарности газового потока при вхождении в высокотемпературную зону вокруг монокристалла, верхнее

Газонаправляющий цилиндрический экран с диаметром, определяемым по формуле 0u(d2+D2) где D - диаметр тигля служит для формирования над расплавом газового потока, а высота его

расположения h (D2-d2) определена из условия сохранения

ламинарности газового потока при повышении остаточного давления 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 0к и 0ц и высоты расположения

газонаправляющего цилиндрического экрана h на достижение положительного результата. Отклонение диаметра газоразделительного

кольцевого экрана 0к от указанного диапазона не должно превышать 5%, отклонение диаметра газонаправляющего цилиндрического экрана 0ц не должно превышать 3%, а высоту h следует выдерживать с

погрещностью не более 5%.

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 вырапщвания, а также по характерным пульсациям плотности газового потока над расплавом.

Выход за пределы указанных геометрических параметров в процессе выращивания монокристалла ведет к срыву бездислокационного роста, что приводит к браку и к необходимости повторной переплавки слитка.

Окна с сетчатыми вставками, выполненные в газоразделительном кольцевом экране, могут быть использованы для построения оптической и фотоэлектрической автоматической системы регулирования диаметра выращиваемого монокристалла и заданного уровня расплава в тигле. Сетчатые вставки в окнах необходимы для сохранения высокотемпературной зоны вокруг монокристалла, создаваемой газоразделительным кольцевым экраном.

Указанная совокупность отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна. Заявляемое устройство позволяет осуществлять процесс выращивания монокристаллов кремния при остаточном давлении в камере в пределах 50ч-150 мм рт.ст. и тем самым принципиально изменить аппаратурное обеспечение процесса выращивания, расширить возможности по управлению процессом выращивания и достижению требуемых характеристик в выращиваемом монокристалле, а именно:

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

2.Существенно упростить вакуумопроводы, запорную арматуру, измерительную аппаратуру, снизить уровень вибрации установки в целом за счет возможности использования гибких вакуумопроводов.

3.Сократить время создания вакуума перед началом процесса, и упростить проверку натекания атмосферы в камеру установки перед плавкой.

4.Уменьшить 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, заявляемое устройство для выращивания монокристалла 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 повыщенных характеристик в выращенном монокристалле.

Предложенное устройство для выращивания монокристалла кремния поясняется чертежом.

На чертеже изображен корпус камеры 1, в котором размещены

тигель 2 с диаметром D для расплава, нагреватель 3, теплоизоляция 4 и

газонаправляющий цилиндрический экран 5 с диаметром 0ц. Газонаправляющий цилиндрический экран 5 (например, выполненный составным) установлен коаксиально тиглю 2 на высоте h от уровня

расплава 6. Сверху газонаправляющего цилиндрического экрана 5 соосно ему размещен газоразделительный кольцевой экран 7 с

внутренним диаметром 0к. Теплозащитный кольцевой экран 8 размещен

сверху нагревателя 3 и теплоизоляции 4. В корпусе камеры для эвакуации газового потока выполнены отверстия 9.

И№(

сетчатыми вставками (на чертеже не показаны). Подаваемый газовый поток аргона изображен на чертеже сплошными стрелками 10. Образующийся в процессе роста монокристалла 11 парогазовый поток изображен на чертеже прерывистыми стрелками 12.

Устройство работает следующим образом.

При выращивании монокристалла кремния с заданным диаметром

,5 мм в его цилиндрической части из тигля диаметром 56 мм

перед началом процесса выращивания по формуле определяют диаметр газонаправляющего цилиндрического экрана

0ц(152,52+3562) 274мм.

В соответствии с формулой рассчитывают высоту h расположения

нижней кромки газонаправляющего цилиндрического экрана от уровня расплава при выращивании

Ь(35б2-152,52), определяют внутренний диаметр газоразделительного кольцевого экрана

0к(1,2-1,4). 1 52,5 1,3« 1 52,5 1 98 мм,

Кварцевый тигель 2, загруженный поликристаллическим

кремнием (масса загрузки 40 кг) с лигатурой, размещают в подставку

под тигель теплового узла, состоящего также из нагревателя 3,

теплоизоляции 4 и теплозащитного кольцевого экрана 8. Устанавливают

газонаправляющий цилиндрический экран 5 с диаметром мм на

рассчитанной высоте мм от уровня расплава 6. Сверху

газонаправляющего цилиндрического экрана 5 соосно ему Устанавливают газоразделительный кольцевой экран 7 с внзпфенним

диаметром мм. Осуществляют герметизацию камеры,

Jlm//f

совмещают поверхность расплава с уровнем расплава 6 и поддерживают их совмещенными в процессе выращивания автоматически путем перемещения тигля с расплавом по вертикали. Процесс ведут при величине остаточного давления в камере 70 мм рт.ст. Осуществляют затравливание и начинают процесс выращивания монокристалла при сформированном газовом потоке над расплавом.

При осуществлении процесса выращивания при помощи заявляемого устройства используют водокольцевой насос, гибкие вакуумопроводы. Уровень содержания кислорода в монокристалле кремния по сравнению с прототипом снижается за счет уменьщения 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

IT1

() 10 ат/см . 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 дислокаций- бездислокационный,

концентрация кислорода (номинальное значение) - 5,5 10 ат/см,

отклонение концентрации кислорода от номинала - ±1,0 10 ат/см,

концентрация углерода- не более 3 10 ат/см.

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 154-20%.

Предложенное устройство использовано 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, заявляемое устройство для выращивания монокристалла кремния из расплава обеспечивает повышение техникоэкономических характеристик процесса выращивания монокристалла кремния методом Чохральского за счет упрощения аппаратурного оснащения, подготовки и проведения процесса выращивания, повыщения управляемости процессом и достижения повыщенных характеристик в выращенном монокристалле.

Claims (2)

1. Устройство для выращивания монокристалла кремния из расплава, содержащее камеру с коаксиально размещенными в ней тиглем для расплава и цилиндрическим экраном, установленным на высоте h от уровня расплава, отличающееся тем, что газонаправляющий цилиндрический экран дополнительно снабжен газоразделительным кольцевым экраном с внутренним диаметром

⌀_к=(1,2÷1,4)·d,

где d - заданный диаметр монокристалла,

который размещен сверху газонаправляющего цилиндрического экрана соосно последнему, при этом газонаправляющий цилиндрический экран выполнен с диаметром, определяемым по формуле

⌀_ц=[(d²+D²)/2]^1/2,

где D - диаметр тигля;

и расположен на высоте h от уровня расплава в соответствии с формулой

h=[(D²-d²)/8]⌀_ц.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в газоразделительном кольцевом экране выполнены окна с сетчатыми вставками.