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

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для электронной техники и фотоэнергетики, в частности кремния, получаемого для этих целей 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. 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
2
Si+SiО⇔2SiO
Моноокись углерода СО образуется в результате химических реакций между графитовой подставкой под тигель и кварцевым тиглем
2
3C+SiО⇔SiC+2CO,
2
C+SiО⇔SiO+CO,
между кислородом, попадающим внутрь камеры через уплотнения, и элементами оснастки печи
2
2С+О⇔2СО,
а также между моноокисью кремния SiO и элементами оснастки печи:
2C+SiO⇔SiC+CO.
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
Известно устройство для выращивания монокристаллов кремния из расплава (патент RU №2102539, МПК С30В 15/00, 20.01.1998), в котором отверстия для эвакуации газового потока выполнены в нижней части камеры, ниже элементов теплового узла. Отходящую от расплава парогазовую смесь направляют через горячие (800-1500°С) элементы теплового узла в нижнюю часть камеры для эвакуации. При этом агрессивные парогазовые потоки разрушают нагреватель и другие графитовые элементы и приводят к загрязнению атмосферы камеры.
Недостатком данного процесса выращивания является контакт моноокиси кремния и других агрессивных компонентов отходящей парогазовой смеси с элементами теплового узла (нагреватель, экраны, теплоизоляция), что приводит к их разрушению и необходимости разборки теплового узла для его очистки после каждой плавки. Кроме того, процесс выращивания протекает при больших расходах аргона.
7
Наиболее близким по технической сущности является способ выращивания монокристалла кремния из расплава (патент RU №2241079, МПК С30В 15/00, 27.11.2004 г.), где подаваемый поток аргона формируется над расплавом с помощью верхнего газонаправляющего экрана, захватывает парогазовую смесь из области кристаллизации и свободного пространства и уносит ее к отверстиям для эвакуации.
Однако и этот способ, хотя и минимизирует, но не исключает контакта моноокиси кремния и других агрессивных компонентов отходящей парогазовой смеси с элементами теплового узла. Кроме того, в зону расплава подается холодный рабочий газ, который формирует турбулентные потоки, смешиваясь с горячей парогазовой смесью, увеличивая этим расход газа и интенсивность образования моноокиси кремния, что уменьшает срок службы кварцевого тигля и графитовых элементов теплового узла.
Задачей изобретения является формирование потока рабочего газа таким образом, чтобы снизить расход рабочего газа и электроэнергии, а также исключить воздействие агрессивной парогазовой смеси на элементы теплового узла, что значительно увеличивает срок его службы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе выращивания монокристалла кремния из расплава в установках по методу Чохральского, включающем подачу рабочего газа в камеру с последующей эвакуацией сформированного газового потока с парогазовой смесью, образованной над расплавом, расположенным в тигле, рабочий газ подают в камеру снизу под тигель, а парогазовую смесь эвакуируют сверху над тиглем. При этом после подачи в камеру газовый поток направляют вдоль стенок тигля, сквозь теплоизолирующий материал с развитой поверхностью, например гранулированный карбид кремния, нитрид кремния, окись кремния или диоксид циркония, так что газ разогревается от контакта с теплоизоляцией, увеличиваясь в объеме, что снижает его расход. Разогреваясь, газ отбирает часть тепла у теплоизоляции, стабилизируя термодинамику процесса таким образом, что излишки тепла сбрасываются теплоизоляцией в основном не через водоохлаждаемые стенки камеры, а потоком газообразного аргона, снижая расход охлаждающей воды и электроэнергии. Горячий газ, проходя над поверхностью расплава, увлекает вверх за собой парогазовую смесь. При этом смешение горячего газа с горячей моноокисью кремния не сопровождается коагуляцией последнего в микрочастицы, а скоростью потока газа можно регулировать скорость образования моноокиси кремния, минимизируя этот процесс. Такая возможность появляется за счет кратного увеличения объема газа из-за его нагрева при прохождении сквозь теплоизоляцию с развитой поверхностью и связанного с этим увеличения давления газа в камере. В результате существенно уменьшается расход аргона, исключается возможность соприкосновения парогазовой смеси, содержащей агрессивные моноокиси, с элементами теплового узла, большая часть излишков тепла от теплового узла уносится потоком аргона, что существенно упрощает систему охлаждения камеры и уменьшает энергозатраты на процесс выращивания монокристалла.
На фигуре представлена схема подачи рабочего газа и эвакуации парогазовой смеси в камере установки для выращивания монокристалла кремния из расплава.
Главным достоинством предлагаемого способа является подача рабочего газа снизу через теплоизолирующий материал, увеличение газа в объеме и охлаждение самой теплоизоляции проходящим газом.
Реализацию данного способа осуществляют в установке для выращивания монокристалла 1 кремния из расплава 2 по методу Чохральского.
Установка содержит камеру 3 с несколькими патрубками 4 откачки для эвакуации потока парогазовой смеси, расположенными выше направляющего колодца 5, поддон 6 с отверстием для подачи рабочего газа, совмещенным с вакуумным вводом штока 7 тигля 8, нагреватель 9, расположенный вокруг тигля 8 и установленный на токовводах 10. Все пространство между нагревателем 9 и камерой 3, а также между дном тигля 8 и поддоном 6 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, 14.
Способ осуществляется следующим образом.
Холодный рабочий газ подают снизу через распределитель газа 12, расположенный в поддоне 6 рабочей камеры 3. Двигаясь вдоль поддона 6 и камеры 3 через засыпную теплоизоляцию 1 1, газ разогревается, тем самым, охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит вдоль направляющего колодца 5 и расплава 2. Газ достигает максимальной температуры и максимального объема уже над расплавом. При этом газовый поток не охлаждает расплав 2, а проходит над поверхностью расплава 2, увлекая за собой некоторое количество парогазовой смеси моноокиси кремния SiO и моноокиси углерода СО и других летучих примесей, поднимается вверх и эвакуируется. Траекторию движения, скорость потока и давление рабочего газа формируют направляющим колодцем 5, расходом газа и изменением скорости откачки через разные патрубки откачки 4 с помощью регулирующих клапанов 13, 14.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить расход рабочего газа и охлаждающей воды 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.
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 загружается исходный кремний, камера закрывается, откачивается до давления не выше 0,01 Торр. Затем включается нагрев. Также через распределительное устройство 12 снизу подается аргон. Расход аргона можно менять. Аргон проходит через теплоизолирующую засыпку 11 вдоль поддона 6 и камеры 3, разогревается, тем самым, охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит вдоль направляющего колодца 5 и расплава 2. Газ откачивается через патрубки 13, 14 одновременно.
Регулирующие клапаны 13, 14 открыты полностью. Давление газа в камере определяется расходом газа на входе.
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 загружается исходный кремний, камера закрывается, откачивается до давления не выше 0,01 Торр. Затем включается нагрев. Также через распределительное устройство 12 снизу подается аргон. Расход аргона устанавливается постоянным, например 30 л/мин. Аргон проходит через теплоизолирующую засыпку 1 1 вдоль поддона 6 и камеры 3, разогревается, тем самым, охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит вдоль направляющего колодца 5 и расплава 2. Газ откачивается через патрубки 13, 14 одновременно.
Регулирующие клапаны 13, 14 открывают настолько, чтобы обеспечить в камере заданное давление, например 50 Торр. Давление газа в камере определяется проходным сечением клапанов 13, 14.
Пример 3. Выращивание монокристалла кремния в минимальном протоке аргона с поддержанием заданного давления над расплавом с теплоизолирующей засыпкой из нитрида кремния.
В печи в качестве теплоизоляции используется кристаллы нитрида кремния размером фракции от 0,8 до 5 мм.
В тигель 8 загружается исходный кремний, камера закрывается, откачивается до давления не выше 0,01 Торр. Затем включается нагрев. Также через распределительное устройство 12 снизу подается аргон. Расход аргона устанавливается постоянным, например 5 л/мин. Аргон проходит через теплоизолирующую засыпку 11 вдоль поддона 6 и камеры 3, разогревается, тем самым, охлаждая теплоизоляцию. Затем подогретый рабочий газ выходит из теплоизоляции и проходит вдоль направляющего колодца 5 и расплава 2. Газ откачивается только через один патрубок с регулирующим клапаном 14.
Регулирующий клапан 14 открывают настолько, чтобы обеспечить в камере заданное давление, например 50 Торр. Регулирующий клапан 13 закрыт. Давление газа в камере определяется проходным сечением клапана 14.