Выращивание цилиндрической части слитка.

Целью операции является получение слитка определенного диаметра со свойствами, заданными в технических требованиях на данную марку.

При выходе монокристалла на диаметр основным условием, предотвращаюшим увеличение плотности дислокаций, является малый угол разращивания, снижающий термические напряжения.

На стадии роста монокристалла постоян­ного сечения (диаметра) ведущую роль в формировании монокристаллической струк­туры играют тепловые условия процесса. Они определяют осевые и радиальные гради­енты температуры в кристалле и расплаве, от которых зависят форма фронта кри­сталлизации и термические напряжения в монокристалле, а также размеры переох­лажденной области расплава вблизи фронта кристаллизации.

Схема тепловых потоков и изотерм в кристалле я расплаве показана на рис.4. Поток тепла Q_н, поступающий к тиглю от нагревателя, равен сумме потоков тепла, от­водимых излучением от расплава Q_и.р., теплопроводностью кристалла Q_т.к, и излучением Q_и.р. от кристалла. Соотношение этих потоков определяет характер градиентов темпера­туры, а следовательно, и изотерм в выращиваемом монокристалле (Т₁ - Т₃).

Радиальный градиент температуры определяется разностью температур в се­чении кристалла на его поверхности и в центре.

Осевой градиент температуры в кристалле определяется разностью температур по его длине.

Радиальный градиент температуры зависит в основном от величины тепловых потерь с поверхности кристалла Q_н.к. и возрастает с их увеличением. Поэтому его можно изменять, экранируя или подогревая растущий кристалл.

Рис. 4. Схема тепловых потоков в системе расплав-кристалл;

1 –кристалл, 2 – столбик расплава, 3 – переохлажденная область расплава,

4 – тигель, σ – стрела прогиба фронта кристаллизации, h₀ – высота

столбика расплава, Т_фк – темпе­ратура на фронте кристаллизации.

Существенное влияние на теплоотвод от кристалла оказывает характер окру­жающей его атмосферы. В газовой среде тепловые потери с поверхности кристалла выше, чем в вакууме, где они происходят только вследствие излучения. В газовой же среде к теплоотводу добавляются потери тепла в основном за счет конвекции газа, переносящего тепло от горячих частей монокристалла на холодные стенки камеры уста­новки, в которой производили его выращивание. Потери тепла конвекцией возрастают с увеличением давления газа и его теплоемкости. Осевой градиент зависит от распре­деления температуры по длине кристалла, т.е. в конечном счете от тех же факторов, которые управляют радиальным градиентом. Таким образом, осевой и радиальный гра­диенты взаимосвязаны. Помимо этого, осевой градиент зависит и от скорости кри­сталлизации. С увеличением ее он уменьшается, что является следствием выделения повышенных количеств тепла (скрытой теплоты плавления) на фронте кристаллизации.

Характер радиального и осевого градиентов температуры обуславливает форму фронта кристаллизации. При определенном соотношении их он может иметь наиболее благоприятный для роста монокристалла плоский характер. Если при постоянном ра­диальном градиенте температуры осевой градиент возрастает, то фронт кристаллиза­ции становится выпуклым в расплав. Наоборот, если при постоянном осевом гради­енте температуры радиальный градиент возрастает, то фронт кристаллизации приоб­ретает прогиб в сторону кристалла.

Вследствие неравномерного распределения температуры по длине и поперечному сечению монокристалла охлаждение его также протекает неравномерно. В результате в нем возникают термические напряжения. Величина их, помимо радиального перепа­да температур, зависит от механических характеристик полупроводника и коэффици­ента термического расширения. В свою очередь, радиальный перепад температур воз­растает с увеличением диаметра монокристалла.

В тот момент, когда термические напряжения в монокристалле, находящемся в той области температур, где его деформация протекает пластически (в общем случае от 0,75Т_пл до 1,0Т_пл), превзойдут критическое напряжение образования дислокаций, последние возникнут в монокристалле.

Таким образом, появление дислокаций в выращиваемом из расплава монокри­сталле полупроводника происходит под действием возникающих в монокристалле тер­мических напряжений. При этом плотность дислокаций возрастает с увеличением тер­мических напряжений. Так как термические напряжения по объему, а следовательно, и по сечению монокристалла распределяются неравномерно, то и дислокации по сечению монокристалла полупроводника в общем случае распределяются неравномерно.

На некотором удалении от фронта кристаллизации, в области температур, где деформация монокристалла протекает пластически, распределение температур по сече­нию Т₃ монокристалла будет иным, чем по сечениям Т₁ и Т₂: (рис.4). Так как те­пло от монокристалла отводится с его поверхности, то периферийные слои будут бо­лее холодными, чем центральные. Вследствие этого они будут быстрее сокращать свои линейные размеры и сжимать внутренние слои, в которых появятся сжимающие на­пряжения. Наоборот, внутренние слои будут препятствовать усадке наружных и в по­следних появятся растягивающие напряжения.

Таким образом, в самом общем случае термические напряжения в выращивае­мом монокристалле максимальны в центре и на периферии его сечения. Между двумя областями с различным знаком напряжений существует область, где напряжения в ре­зультате самокомпенсации отсутствуют. Поскольку количество дислокации возрастает с увеличением напряжений то распределение дислокаций по сечению монокристалла не­равномерно – на периферии и в центре плотность их максимальна.

Термические напряжения, вызванные нестабильностью и асимметрией теп­лового поля, внезапные изменения диаметра кристалла и (или) температуры рас­плава, попадание на фронт кристаллизации, особенно вблизи поверхности расту­щего монокристалла, посторонних включений – все это, помимо образования дис­локации, может приводить к образованию линий скольжения, малоугловых границ, двойников.

Порядок выполнения операции.

Выход на заданный диаметр осуществляется изменением скорости перемещения затравки и тока нагревателя. Режимы уточняются мастером для каждой конкретной установки и марки выращиваемого кристаллического кремния. По достижении слитком заданного диаметра включается перемещение тигля, для поддержания уровня расплава относительно нагревателя постоянным в течение всего процесса выращивания цилиндрической части.

Дальнейшее выращивание цилиндрической части может производиться в ручном и в автоматическом режиме с программированием скорости перемещения затравки, скорости вращения тигля (при необходимости), изменения температуры. Исходными данными для поддержания уровня расплава постоянным являются диаметр слитка, диаметр тигля и вес загрузки.

При появлении на поверхности слитка дефектов и признаков, характерных для нарушения требуемой структуры слитка, допускается расплавление выращенной части слитка и повторное затравление. Длина погружаемой в расплав при расплавлении части слитка не должна превышать 2/3 от текущей длины цилиндрической части (визуальная оценка).