Возможность использования потока инертного газа для управления качественными характеристиками выращиваемых монокристаллов кремния

Усовершенствован процесс выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, который включает использование двух потоков аргона. Первый, основной поток (15—20 нл/мин) направлен сверху вниз, вдоль растущего монокристалла. Он захватывает продукты реакции расплава с кварцевым тиглем (в основном, SiO), отводит их из камеры через патрубок в нижней части камеры и обеспечивает получение бездислокационных монокристаллов из загрузок большой массы. Аналогичные процессы известны, они повсеместно используются в мировой практике с 1970-х гг. Второй, дополнительный поток (1,5—2 нл/мин) направлен под углом 45о к поверхности расплава в виде струй из сопел, расположенных по кольцу. Этот поток инициирует образование области турбулентного течения расплава, которая изолирует фронт кристаллизации от конвективных потоков, обогащенных кислородом, а также усиливает испарение углерода из расплава. Подтвержден факт, что испаряемый из расплава кислород (в виде SiO) является «транспортом» для нелетучего углерода. Проведение промышленных процессов показало, что в выращенных монокристаллах может быть значительно снижено содержание углерода, вплоть до значений, меньших, чем в исходном сырье. В выращенных с использованием двух потоков аргона монокристаллах зафиксированы также повышенная макро- и микрооднородность распределения кислорода, существенно большая длина кристалла с заданной, постоянной концентрацией кислорода. Достижение концентрации углерода, в 5—10 раз меньшей, чем в исходном сырье, возможно при малых количествах аргона на плавку (15—20 нл/мин по сравнению с используемыми в обычных процессах 50—80 нл/мин). Применение дополнительного потока аргона, имеющего интенсивность истечения в 10 раз меньшую, чем у основного потока, не искажает характер обтекания основным («осевым») потоком поверхности монокристалла, не нарушает рост бездислокационного монокристалла, не вызывает увеличения плотности микродефектов, что свидетельствует об отсутствии изменений температурных градиентов и термоударов, приводящих к возникновению термических напряжений в монокристалле.

метод Чохральского, расплав кремния, монокристалл, аргон, струи, однородность, кислород, углерод

1. Критская Т. В. Современные тенденции получения кремния для устройств электроники: монография. Запорожье: Изд-во ЗГИА, 2013. 353 c.

2. Тасит Мурки. Закон Мура против наномеров. URL: http://subscribe.ru/archive/comp.news.ixbt/201111/02111527.html

3. Mozer A. P. Silicon wafer technology. Status and overlook at the millennium and a decade beyond // Solid State Phenomena. 1999. V. 69–70. P. 1—12. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.69-70.1

4. Фистуль В. И. Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями. М.: Металлургия, 1992. 240 с.

5. Barraclough K. G. Oxygen in Czochralski silicon for ULSI // J. Cryst. Growth. 1990. V. 99, Iss. 1—4, Pt 2. P. 654—664. DOI: 10.1016/S0022-0248(08)80002-4

6. Monkowski J. R. Gettering processes for defect control // Solid State Technology. 1981. V. 24, N 7. P. 44—51.

7. Петлицкий А. Н., Пономарь В. Н., Тарасик М. И., Янченко А. М. Формирование воспроизводимого геттера в кремнии // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1987. № 5. С. 50—54.

8. Петлицкий А. Н. Особенности геттерирования примесей в кислородсодержащем кремнии: автореф. дисс. к. ф.-м. н. Минск, 2004. 21 с.

9. Voronkov V. V., Falster R. Grown-in microdefects, residual vacancies and oxygen precipitation bands in Czochralski silicon // J. Cryst. Growth. 1999. V. 204, Iss. 4. P. 464—474. DOI: 10.1016/S0022-0248(99)00202-X

10. Ravi K. V. Materials quality and materials cost. Are they on a collision course? // Solid State Phenovena. 1999. V. 69–70. P. 103—110. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.69-70.103

11. Puzanov N. I., Eidenzon A. M. Selective interaction of twin boundaries with vacancies and self-interstitials in dislocation-free Si tetracrystals // J. Cryst. Growth. 1997. V. 178, Iss. 4. P. 459—467. DOI: 10.1016/S0022-0248(97)00005-5

12. Дашевский М. Я. Особенности технологии выращивания совершенных и однороднолегированных монокристаллов кремния // Научн. шк. моск. гос. ин-та стали и Сплавов: 75 лет: Становление и развитие. М.: Изд-во МИСиС, 1997. С. 462—468.

13. Технология полупроводникового кремния / Под ред. Э. С. Фалькевича. М.: Металлургия, 1992. 408 с.

14. Мевиус В. И., Пульнер Э. О. Исследование течения расплава кремния в плавающем тигле // Цветные металлы. 1985. № 9. С. 56—58.

15. Таиров Ю. М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.: Высшая школа, 1990. 424 с.

16. Пат. 4040895 (США). Control oxygen in silicon crystals / W. J. Patrick, W. A. Westdorp, 1977.

17. Верезуб Н. A., Леднев A. K., Мяльдун A. З., Полежаев В. И., Простомолотов А. И. Физическое моделирование конвективных процессов при выращивании кристаллов методом Чохральского // Кристаллография. 1999. Т. 44, № 6. С. 1125—1131.

18. Верезуб Н. А., Жариков Е. В., Мяльдун А. З., Простомолов А. И. Анализ воздействия низкочастотных вибраций на температурные пульсации в расплаве при выращивании кристаллов методом Чохральского // Кристаллография. 1996. Т. 41, № 2. С. 354—361.

19. Любалин М. Д. Влияние параметров процесса получения полупроводниковых кристаллов методом Чохральского на температуру расплава и газа вблизи фронта кристаллизации // Цветные металлы. 1987. № 3. С. 66—68.

20. Пат. 2077615 (РФ). Способ выращивания монокристаллов кремния / З. А. Сальник, Ю. А. Микляев, 1997.

21. Software for optimization and process development of crystal growth from melt and solution. URL: www.str-soft.com

22. Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности. М.: Мир, 1991. 149 с.

23. Бердников В. С., Винокуров В. А., Винокуров В. В., Гапонов В. А. Влияние режимов конвективного теплообмена в системе тигель — расплав — кристалл на форму фронта кристаллизации в методе Чохральского // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3, № 4. С. 177—186.

24. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир, 1988. 544 с.

25. Kobeleva S. P., Anfimov I. M., Berdnikov V. S, Kritskaya T. V. Possible causes of electrical resistivity distribution inhomogeneity in Czochralski grown single crystal silicon // Modern Electronic Materials. 2019. V. 5, Iss. 1. Р. 27—32. DOI: 10.3897/j.moem.5.1.46315

26. Gelfgat Yu. M. Rotating magnetic fields as a means to control the hydrodynamics and heat/mass transfer in the processes of bulk single crystal growth // J. Cryst. Growth. 1999. V. 198–199. Pt 1. P. 165—165. DOI: 10.1016/S0022-0248(98)01192-0

27. Пат. 6156119 (США). Silicon single crystals and method for producing the same / H. Ryoji, J. Kouichi, O. Tomohiko, 1998.

28. Пат. 6113688 США. Process for producing single crystal / K. Souroku, J. Makoto. 2000.

29. Ткачева Т. М., Горин С. О., Лаптев А. В. и др. Примесная неоднородность и структура бесдислокационных монокристаллов кремния, выращенных методом Чохральского в магнитном поле // Свойства легированных полупроводниковых материалов: Сб. научн. тр. М.: Наука, 1990. С. 127—131.

30. Handbook of semiconductor silicon technology / Ed. by W. C. O'Mara, R. B. Herring, L. P. Hunt. Park Ridge (New Jersey): NOYES Publications, 1990. 795 p.

31. Туровский Б. М. Влияние вращения тигля с расплавом на содержание кислорода в кристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского // Научные труды Гиредмета. Т. 25. М.: Металлургия, 1969. С. 113—116.

32. Evstratov I. Yu., Kalaev V. V., Nabokov V. N., Zhmakin A. I., Makarov Yu. N., Abramov A. G., Ivanov N. G., Rudinsky E. A., Smirnov E. M., Lowry S. A., Dornberger E., Virbulis J., Tomzig E., Ammon W. V. Global model of Czochralski silicon growth to predict oxygen content and thermal fluctuations at the melt-crystal interface // Microelectronic Engineering. 2001. V. 56, Iss. 1–2. Р. 139—142. DOI: 10.1016/S0167-9317(00)00516-5

33. Kalaev V. V. Combined effect of DC magnetic fields and free surface stresses on the melt flow and crystallization front formation during 400 mm diameter Si Cz crystal growth // J. Cryst. Growth. 2007. V. 303, Iss. 1. P. 203—210. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.11.345

34. Chen J.-C., Guo P.-C., Chang C.-H., Teng Y.-Y., Hsu C., Wang H.-M., Liu C.-C. Numerical simulation of oxygen transport during the Czochralski silicon crystal growth with a cusp magnetic field // J. Cryst. Growth. 2014. V. 401. P. 888—894. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.10.040

35. Chartier C. P., Sibley C. B. Czochralski silicon crystal growth at reduced pressures // Solid State Technology. 1975. V. 8, N 2. P. 31—33.

36. Заявка 2548046 (ФРГ). Verfharen zur Herstellung einkristalliner Siliciumstäbe // Wacker-Chemitronic Ges. für Electronik-Grundstoffe mbit; aut. Stock H., Ellbrunner A. Anm. 27.10.75; Off. 28.04.77. МКИ: B01j 17/18

37. Xin Liu, Hirofumi Harada, Yoshiji Miyamura, Xue-feng Han, Satoshi Nakano, Shin-ichi Nishizawa, Koichi Kakimoto. Numerical analyses and experimental validations on transport and control of carbon in Czochralski silicon crystal growth // J. Cryst. Growth. 2018. V. 499. Р. 8—12. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.07.020

38. Liu X., Nakano S., Kakimoto K. Development of carbon transport and modeling in Czochralski silicon crystal growth // Cryst. Res. Technol. 2017. V. 52, Iss. 1. Р. 1600221(11 pp.). DOI: 10.1002/crat.201600221

39. Torbjörn Carlberg. A quantitative model for carbon incorporation in Czochralski silicon melts // J. Electrochem. Soc. 1983. V. 130, N 1. Р. 168—171. DOI: 10.1149/1.2119648

40. Критская Т. В. Свойства монокристаллов кремния, выращенных по методу Чохральского, при управлении потоками поверхностного тепло-массопереноса // Теория и практика металлургии. 2005. № 4—5. С. 79—83.

41. Пат. 2076909 (РФ). Способ выращивания монокристаллов кремния / З. А. Сальник, Ю. А. Микляев. 1997.

42. А. с. 327429 СССР. Способ получения монокристаллов кремния / В. Е. Бевз, Н. Н. Данилейко, А. И. Голубов, Т. В. Критская, Б. Л. Шкляр, Э. С. Фалькевич. 1990.

43. PVA TePla AG Germany. Crystal Growing Systems: Contigo Concept GmbH & Co. URL: www. pvatepla.com

44. Фистуль В. И. Взаимодействие примесей в полупроводниках. М.: Наука, 1999. 318 с.

45. Васильев А. В., Баранов А. И. Дефектно-примесные реакции в полупроводниках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 256 с.

46. Фрицлер К. Б. Формирование огранки и кристаллическои структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2012. 149 с.

47. Критская Т. В., Головко О. П. Деформационное дефектообразование в процессе роста монокристаллов кремния по методу Чохральского // Металлургия. Труды запорожской государственной инженерной академии. Запорожье: ЗГИА, 2003. Вып. 7. С. 64—66.

48. Головко О. П., Критская Т. В., Куцев М. В. Образование поликристаллической области в сильнолегированных монокристаллах кремния // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2001. № 4. С. 38—40.

49. Критская Т. В., Журавлев В. Н. Гипотеза протекания процесса выращивания монокристаллов с аналитически прогнозируемыми электрофизическими параметрами // Тезисы докладов международной конференции «Кремний-2016». Новосибирск, 2016. С. 91.

50. Земля. Хроники жизни: Вращение молекулы впервые сняли на видео. URL: http://earth-chronicles.ru/news/2019-07-30-130983