СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА КРЕМНИЯ ИЗ РАСПЛАВА
METHOD FOR GROWING SILICON MONOCRYSTAL FROM MELT

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для электронной техники и фотоэнергетики, в частности кремния, получаемого для этих целей методом Чохральского.
Известно, что 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. При этом газовый поток направляют как сверху вниз, так и снизу вверх, вдоль вертикальной оси тигля с расплавом. В первом случае парогазовая смесь аргона с моноокисями кремния и углерода соприкасается с элементами теплового узла, приводя к их разрушению. Однако в этом случае процесс образования, к примеру, моноокиси кремния не столь интенсивен, поскольку двигающийся сверху вниз газ "поддавливает" на пары моноокиси кремния, уменьшая интенсивность их образования. Во втором случае элементы теплового узла соприкасаются с чистым аргоном и не разрушаются. Однако в этом случае двигающийся снизу вверх газ подхватывает пары моноокиси кремния и интенсивность образования моноокиси возрастает, что ведет к ускоренному разрушению тигля.
Моноокись кремния SiO образуется, в основном, в результате химической реакции между расплавленным кремнием и кварцевым тиглем
,
Моноокись углерода СО образуется в результате химической реакции между кислородом, попадающим внутрь камеры через уплотнения, и элементами оснастки печи
,
а также между моноокисью кремния SiO и элементами оснастки печи
.
Образование парогазовой смеси из холодного аргона, горячей моноокиси SiO и моноокиси углерода СО и других летучих соединений над расплавом приводит к их коагуляции в микрочастицы, которые осаждаются на относительно холодных поверхностях внутри камеры, а также конвективными потоками этой парогазовой смеси переносятся в объеме камеры к поверхности расплава и попадают в область кристаллизации, что приводит к срыву бездислокационного роста монокристалла. Поскольку потоки газа постоянно уносят пары моноокиси кремния с приповерхностного слоя над расплавом, процесс их образования идет интенсивно и для их эвакуации требуется большой объем аргона.
7
Известен способ выращивания монокристаллов кремния из расплава (патент RU №2241079, МПК С30В 15/00, 27.11.2004), где подаваемый поток аргона формируется над расплавом с помощью верхнего газ направляющего экрана, захватывает парогазовую смесь из области кристаллизации и свободного пространства и уносит ее к отверстиям для эвакуации.
Недостатком этого способа является то, что в зону расплава подается холодный рабочий газ, который формирует турбулентные потоки, смешиваясь с горячей парогазовой смесью над расплавом, что приводит к коагуляции и конденсации смеси и выпадению продуктов в расплав. Холодный газ, смешиваясь с горячей парогазовой смесью и способствуя ее коагуляции и конденсации, поддерживает парогазовую смесь в ненасыщенном состоянии, в результате чего интенсивность образования моноокиси кремния остается высокой. Кроме того, микрочастицы из охлажденной парогазовой смеси имеют возможность оседать на графитовых частях печи и тигле и взаимодействовать с ними, что уменьшает срок службы кварцевого тигля и графитовых элементов теплового узла.
7
Наиболее близким по технической сущности является способ выращивания монокристалла кремния из расплава (патент RU №2472875, МПК С30В 15/00, 24.08.2011 г.), в котором рабочий газ подают в камеру снизу под тигель сквозь теплоизолирующий материал, а парогазовую смесь эвакуируют сверху над тиглем. В известном способе исключают возможность попадания холодного газа в пространство над расплавом в тигле, где происходит образование горячей парогазовой смеси и моноокисей. Основным недостатком данного способа является высокая скорость образования моноокиси кремния, так как восходящий поток горячего аргона формирует над расплавом область пониженного давления, в результате чего парогазовая смесь поддерживается в ненасыщенном состоянии. К другим недостаткам способа выращивания можно также отнести и то, что появляется возможность коагуляции горячей парогазовой смеси и попадания микрочастиц в расплав при движении парогазовой смеси вверх от расплава, к устройствам откачки, которые поддерживаются в относительно холодном состоянии.
В заявляемом способе выращивания монокристаллов по методу Чохральского рабочий газ подают из двух источников, а траектория движения газовых потоков строго определена конструктивными элементами теплового узла. Основной поток рабочего газа подают в нижнюю часть камеры через горячую теплоизоляцию, ограниченную специальными направляющими цилиндрами под тигель с расплавом.
Газовый поток, направленный через теплоизолирующий материал с развитой поверхностью, например, гранулированный карбид кремния, нитрид кремния, двуокись кремния или диоксид циркония, разогревается от контакта с теплоизоляцией, увеличиваясь в объеме. Это позволяет снижать его расход. Разогреваясь, газ отбирает часть тепла у теплоизоляции, стабилизируя термодинамику таким образом, что часть тепла сбрасывается теплоизоляцией потоком газообразного аргона, снижая расход охлаждающей воды и электроэнергии. Горячий газ, проходя между тиглем и нагревателем, дополнительно разогревается и выводится к устройствам откачки.
Вспомогательный поток горячего газа подают от отдельного источника, сверху, вдоль кристалла, к узкому зазору между поверхностью расплава и основанием направляющего колодца, через который он вытесняет образующую над расплавом парогазовую смесь. Парогазовая смесь подхватывается основным потоком чистого горячего аргона и эвакуируется к устройствам откачки, исключая возможность выпадения микрочастиц в расплав.
Вспомогательный поток газа сверху формирует область повышенного давления над расплавом, снижая тем самым интенсивность образования моноокисей.
В результате существенно уменьшается расход аргона, исключается возможность соприкосновения парогазовой смеси, содержащей агрессивные моноокиси, с элементами теплового узла, часть излишков тепла от теплового узла уносится потоком аргона, что позволяет оптимизировать энергозатраты на процесс выращивания монокристалла. Кроме этого сам нагреватель и графитовая оснастка находятся в атмосфере чистого аргона и менее подвержены износу.
Задачей изобретения является снижение скорости разрушения элементов теплового узла и тигля путем формирования потока рабочего газа таким образом, чтобы минимизировать образование моноокиси кремния, а также исключить воздействие агрессивной парогазовой смеси на элементы теплового узла.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе выращивания монокристалла кремния из расплава, в установках по методу Чохральского, разогретый рабочий газ внутри камеры направляют вверх параллельно вертикальной оси камеры и, не проходя над расплавом, выводят через регулируемые клапаны, расположенные в верхней части боковой поверхности камеры, выше уровня тигля, при этом одновременно с основным газовым потоком в верхнюю часть камеры подают вспомогательный поток горячего рабочего газа от отдельного источника, в объемах, необходимых для поддержания постоянной скорости потока газа, траекторию движения которого формируют направляющим колодцем и который выдавливает образующую над расплавом парогазовую смесь через узкий зазор между поверхностью расплава и основанием направляющего колодца, при этом основной поток рабочего газа, двигающийся снизу вверх, увлекает за собой парогазовую смесь и эвакуирует ее через регулируемые клапаны к устройствам откачки.
На фигуре представлена схема подачи рабочего газа и эвакуации парогазовой смеси в камере установки для выращивания монокристалла кремния из расплава.
Реализацию данного способа осуществляют в установке для выращивания монокристалла 1 кремния из расплава 2 по методу Чохральского.
Установка содержит камеру 3 с одним или несколькими патрубками 4 откачки для эвакуации потока парогазовой смеси, расположенными ниже направляющего колодца 5, направляющие цилиндры для газа 6, шток 7, тигель 8, нагреватель 9, расположенный вокруг тигля 8 и установленный на токовводах 10. Все пространство между нагревателем 9, дном тигля 8 и камерой 3 засыпано теплоизоляционным материалом 11. Снизу в камере 3 установлено распределительное устройство 12. Для регулирования давления, скорости течения и формирования потоков рабочего газа на откачных патрубках 4 устанавливаются регулирующие клапаны 13, а в местах ввода газа устанавливаются регуляторы расхода газа 14.
Способ осуществляется следующим образом.
Основной поток холодного рабочего газа подают снизу, через распределительное устройство 12, в нижнюю часть рабочей камеры 3. Двигаясь вдоль направляющих цилиндров 6, через засыпную теплоизоляцию 11, газ разогревается, увеличиваясь в объеме. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции 11 и проходит между стенками тигля 8 и нагревателем 9. При этом основной газовый поток не проходит над расплавом 2, а сразу уходит в откачные патрубки 4, увлекая за собой некоторое количество парогазовой смеси моноокиси кремния SiO и моноокиси углерода СО и других летучих примесей. Одновременно с основным газовым потоком в верхнюю часть камеры подают вспомогательный поток горячего рабочего газа от отдельного источника для создания и поддержания над расплавом области повышенного давления. Скорости потока, давление и расход газа формируют регуляторами расхода газа 14 и клапанами 13. Траекторию движения рабочего газа формируют направляющим колодцем 5 и направляющими цилиндрами 6.
Вспомогательный поток рабочего газа выдавливает образующую над расплавом парогазовую смесь, через узкий зазор между поверхностью расплава и основанием направляющего колодца, при этом основной поток рабочего газа, двигающийся снизу вверх, увлекает за собой парогазовую смесь и эвакуирует ее через регулируемые клапаны 13 к устройствам откачки.
Пример 1. Выращивание монокристалла кремния в протоке аргона с теплоизолирующей засыпкой из карбида кремния.
В печи в качестве теплоизоляции используется кристаллы карбида кремния размером фракции от 0,8 до 5 мм.
В тигель 8 загружают исходный кремний, камеру закрывают, откачивают до давления не выше 0,01 Торр. Затем включают нагрев. Через распределительное устройство 12 снизу подают основной поток аргона. Сверху подают вспомогательный поток горячего аргона. Расход аргона можно менять. Основной поток аргона проходит вдоль направляющих цилиндров 6, через засыпную теплоизоляцию 11, разогревается, увеличиваясь в объеме и охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит между стенками тигля 8 и нагревателем 9. Вспомогательный поток аргона проходит вдоль растущего монокристалла, над расплавом и над тиглем подхватывается основным потоком аргона. Газ откачивают через патрубки 4. Регулирующие клапаны 13 открыты полностью. Давление газа в камере определяют регуляторами расхода газа 14.
Пример 2. Выращивание монокристалла кремния в протоке аргона с поддержанием заданного давления над расплавом с теплоизолирующей засыпкой из карбида кремния.
В печи в качестве теплоизоляции используется кристаллы карбида кремния размером фракции от 0,8 до 5 мм.
В тигель 8 загружают исходный кремний, камеру закрывают, откачивают до давления не выше 0,01 Торр. Затем включают нагрев. Через распределительное устройство 12 снизу подают основной поток аргона. Сверху подают вспомогательный поток горячего аргона. Расход аргона можно менять. Основной поток аргона проходит вдоль направляющих цилиндров 6, через засыпную теплоизоляцию 11, разогревается, увеличиваясь в объеме и охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит между стенками тигля 8 и нагревателем 9. Вспомогательный поток аргона проходит вдоль растущего монокристалла, над расплавом и над тиглем подхватывается основным потоком аргона. Газ откачивают через патрубки 4. Регулирующие клапаны 13 открыты настолько, чтобы обеспечить в камере заданное давление, например, 50 Торр. Давление газа в камере регулируют проходным сечением клапанов 13.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить расход рабочего газа, скорость образования моноокисей и сохранить от разрушения графитовую основу нагревателя за счет исключения химического воздействия моноокиси кремния на графит при высокой температуре. Нагреватель и графитовые части теплового узла все время находятся в атмосфере инертного газа, что само по себе увеличивает срок их службы. При этом качественные характеристики выращенных монокристаллов улучшаются за счет устранения источника дополнительного загрязнения атмосферы камеры продуктами взаимодействия агрессивной парогазовой смеси с элементами теплового узла.