Технология и термомеханика при выращивании трубчатых монокристаллов кремния

Рассмотрена проблема выращивания высокоомных малодислокационных трубчатых монокристаллов кремния для непланарных технологий изготовления эпитаксиальных p—n-переходов и производства силовых полупроводниковых приборов нового поколения. Обсуждены возможности выращивания объемных профилированных кристаллических изделий методом Степанова, применение которого основано на использовании формообразователей различных конструкций. В том числе, обсуждены недостатки применения формообразователей, связанные с загрязнением расплава инородными частицами и примесями. Основное внимание уделено применению оборудования, реализующего кристаллический рост из расплава без формообразователя по методу Чохральского. Дан предварительный анализ процессов термомеханики применительно к существующему и хорошо отлаженному процессу выращивания методом Чохральского поликристаллических сильно дислокационных кремниевых труб большого диаметра для эпитаксиальных реакторов. Отмечено, что для выращивания трубчатых малодислокационных монокристаллов кремния малого диаметра требуется существенная модернизация стандартного теплового узла, которая в данной работе реализована применительно к установке «РЕДМЕТ-10» для метода Чохральского. С помощью компьютерного моделирования проведен расчет процессов термомеханики в такой модернизированной установке. Выполнена характеризация параметров выращенных трубчатых монокристаллов кремния, дана оценка их пригодности для изготовления силовых полупроводниковых приборов по непланарной технологии.

1. Степанов А.В. Новый способ получения изделий (листов, труб, прутков разного профиля) непосредственно из расплава. Журнал технической физики. 1959; 29(3): 381—393.

2. Степанов А.В., Цвинский С. Получение монокристаллов германия определенной формы. Физика твердого тела. 1965; 7: 194—199.

3. Антонов П.И. Форма и свойства кристаллов, выращиваемых из расплава по способу Степанова. В сб.: Рост кристаллов. Т. 13. М.: Наука; 1980: 171—179.

4. Носов Ю.Г., Никаноров С.И. Выращивание профилированных кристаллов при капиллярном формообразовании расплава. Обзор зарубеж. работ. Л.: ЛИЯФ; 1979. 42 с.

5. Абросимов Н.В., Брантов С.К., Татарченко В.А., Люкс Б. Выращивание профилированных кристаллов кремния по способу Степанова с использованием различных вариантов нагрева. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1983; 47(2): 351—355.

6. Татарченко В.А., Бренер Е.А. Устойчивость процесса кристаллизации из расплава при капиллярном формообразовании. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1976; 40(7): 1456—1467.

7. Сачков Г.В., Татарченко В.А., Левинзон Д.И. Управление процессом капиллярного формообразования монокристаллов, выращиваемых из расплава. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1973; 37(11): 2288—2291.

8. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костыгов А.С. и др. Получение профилированных монокристаллов и изделий способом Степанова. Л.: Наука; 1981. 280 с.

9. Лутцев В.Б., Мильвидский М.Г., Иноземцев А.В., Сидоренко Н.В. Математическое моделирование процесса выращивания крупногабаритных монокристаллов германия способом Степанова. В сб.: Рост кристаллов. М.: Наука; 1983: 4—11.

10. Лейбович В.С. Динамика формообразования кристаллов по способу Степанова. Известия. АН СССР. Серия физическая. 1983; 47(2): 219—229.

11. Sachs E.M. Thermal sensitivity and stability of EFG silicon ribbon growth. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 102—113. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90235-3

12. Eriss L., Stormont R.W., Surek T., Taylor A.S. The growth of silicon tubes by EFG process. Journal of Crystal Growth. 1980; 50(1): 200—211. https://doi.org/10.1016/0022-0248(80)90244-4

13. Alioshin A.A., Bletscan N.I., Bogatyriov S.F., Fedorenko V.N. Silicon furnace components for microelectronic applications fabricated from shaped silicon tubes. Journal of Crystal Growth.1990; 104(1): 130—135. https://doi.org/10.1016/0022-0248(90)90321-B

14. Alioshin A.A., Epimakhov I.D., Panfilov I.V., Prostomolotov A.I. Analysis of thermostress state in silicon tubes during its melt growing. Proc. 4th Int. Conf. “Single Crystal Growth and Heat&Mass Transfer” / V.P. Ginkin, ed. In 4 vol. 24–28 September 2001. Obninsk, Russia. Obninsk; 2001.Vol. 3: 680—688.

15. Wijaranakula W. A real-time simulation of point defect reactions near the solid and melt interface of a 200 mm diameter Czochralski silicon crystal. Journal of the Electrochemical Society. 1993; 140(11): 3306—3316. https://doi.org/10.1149/1.2221028

16. Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Крапухин В.В., Кондратенко Т.Я. Приборы и технология на основе непланарного кремния. В кн.: Новые материалы / под ред Ю.С. Карабасова. М.: МИСиС; 2002: 15—184.

17. Кожитов Л.В. Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники. Труды IV Росс.-япон. семинара / под ред. Л.В. Кожитова, В.К. Карпасюка. МИСиС – ULVAC Inc.; Астрахань, АГУ. 20–23 мая 2006 г., Астрахань. М.: МИСиС; Астрахань: АГУ; 2006: 30—310.

18. Патент (РФ) № 2007112010/15, МПК C30B15/00. Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т., Крапухин В.В., Казимиров Н.И., Сорокин С.Л., Тарадей В.А., Блиев А.П., Силаев И.В. Способ выращивания полых цилиндрических монокристаллов Si на основе метода Чохральского и устройство для его осуществления. Заявл. 03.04.2007; опубл. 20.05.2009. https://www.freepatent.ru/patents/2355831

19. Блиев А.П., Силаев И.В., Кожитов Л.В., Кондратенко Т.Т. Получение профильных монокристаллов кремния трубчатой формы. Фундаментальные исследования. 2007; (12-3): 519—520.

20. Гаража Е.В. Тумаев Е.Н. Конвективный массоперенос в расплаве при выращивании кристаллов методом Чохральского. Доклады IV конф. молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем». 20–24 июня 2015 г., Москва. М.: 107—108.

21. Боуэн Б.К., Таннер Д.К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография / пер. с англ. СПб.: Наука; 2002. 274 c.

22. Верезуб Н.А., Простомолотов А.И. Механика процессов выращивания и термообработки монокристаллического кремния. Известия РАН. Механика твердого тела. 2020; (5): 51—63. https://doi.org/10.31857/S0572329920040157

23. Prostomolotov A., Ilyasov H., Verezub N. Crystmo/Net remote access code for Czochralski crystal growth modeling. Science and Technology. 2013; 3(2A): 18—25.