Способ получения мультикристаллов кремния

 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может найти применение в промышленности при изготовлении ряда дискретных полупроводниковых приборов (например, тензодатчиков, полевых транзисторов, переключателей, датчиков малых перемещений и других приборов). Предложенный способ включает создание композиции из пластины-подложки и пластины-источника, ориентированных в направлении 100 и скомпонованных с зазором между ними 10 - 40 мкм и углах разориентации плоскостей, перпендикулярных их рабочим поверхностям, равным 1 - 20°, формирование в зазоре жидкой зоны, создание градиента температуры и последующую локальную перекристаллизацию пластины - источника путем сканирования лазерного пучка до выхода на ее поверхность фрагментированной зоны. Перед сканированием лазерного пучка вблизи поверхности пластины - источника со стороны подводимого пучка располагают фильтр из иртрана, представляющий собой круглую пластинку диаметром, равным диаметру пластины - источника, на эффективной поверхности фильтра, равной площади квадрата, вписанного в окружности фильтра, изготавливают сквозные щели.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для получения мультикристаллов кремния, применяемых для изготовления ряда дискретных полупроводниковых приборов (например, тензодатчиков, полевых транзисторов, переключателей, датчиков малых перемещений и др.).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ получения мультикристаллов кремния, включающий создание композиции из двух кремниевых пластин с заданным зазором между ними, капиллярное втягивание в зазор расплава, формирование зоны расплава и ее перемещение в поле температурного градиента через одну из пластин до выхода ее на поверхность.

В известном способе получения мультикристаллов, включающем нагрев композиции пластина-подложка и пластина-источник, ориентированных в направлении <100> и скомпонованных с зазором между ними 10-40 мкм и углом разориентации плоскостей, перпендикулярных их рабочим поверхностям, равным 1-20^о, формирование жидкой зоны в зазоре, создание градиента температуры и последующую локальную перекристаллизацию пластины-источника путем сканирования лазерного пучка до выхода на ее поверхность фрагментированной зоны (набора линейных зон), перед лазерным нагревом пластины-источника вблизи ее поверхности располагают фильтр из иртрана (фтористого магния - MgF₂), представляющий собой круглую пластинку с диаметром, равным диаметру пластины-источника, на эффективной поверхности фильтра, равной площади квадрата, вписанного в окружность фильтра, изготавливают сквозные щели, имеющие следующие геометрические параметры: ширина - h = 100-300 мкм, длина - l = d/, расстояние между ними - b = 500-1000 мкм, причем ширина щели (h) связана с диаметром лазерного пучка D соотношением h = k ˙D, где k = 0,45-0,63.

Сущность предлагаемого способа получения мультикристаллов состоит в следующем.

Пластину-подложку, представляющую собой монокристаллическую кремниевую пластину, ориентированную в определенных кристаллографических направлениях, совмещают с монокристаллической пластиной-источником так, что кристаллографические направления подложки <100> оказываются развернутыми относительно направлений <100> в плоскости пластины-источника на угол 1-20^о; Жидкую алюминиевую зону формируют методом капиллярного втягивания в процессе изотермической выдержки композиции: подложка-источник с капиллярным зазором между пластинами. Жидкая зона получается плоской с толщиной в пределах 10-40 мкм. Фрагментация плоской зоны осуществляется путем сканирования лазерного пучка вдоль линейных щелей в фильтре, ориентированных в направлениях пластины-источника с частотой сканирования 200-300 Гц. Необходимость использования фильтра из поглощающего излучение материала обусловлена тем, что распределение энергии по площади лазерного пучка подчиняется гауссовому распределению, т. е. на периферийных областях пучка плотность энергии значительно меньше, чем в центре пучка. А это приводит к неравномерному по площади нагреву области плоской зоны, из которой и формируется линейная зона, создающая путем миграции элементы мультикристалла. В результате такого нагрева параллельно основной линейной зоне образуется набор микрозон-спутников, мигрирующих через пластину-источник и искажающих формируемую область границ мультикристалла, а впоследствии ухудшающих их электрофизические свойства. Фильтр же, содержащий щели, ширина h которых меньше диаметра лазерного пучка D на заданную величину, позволяет выделить только ту часть излучения, в которой интенсивность по площади пучка практически постоянна, и тем самым ликвидировать условия для массового образования микрозон-спутников. При создании мультикристаллов кремния применяется лазерное излучение в ИК-области с длиной волны 1060 нм и модой колебаний ТЕМ₀₀, так как в этой области кремний прозрачен для излучения и вся его энергия поглощается зоной. Выбор материала фильтра - иртрана связан с работой в этом диапазоне спектра.

Иртран при длине волны излучения 1060 нм пропускает всего 5-7% излучения. Кроме того, этот материала является стойким к высоким температурам (600-1000^оС). Как показал эксперимент, для получения областей лазерного пучка с практически однородной по площади интенсивностью излучения диаметром 100-300 мкм необходимо использовать исходный лазерный пучок диаметром порядка 200-600 мкм.

Топология щелей на фильтре обусловлена: во-первых, необходимостью использовать максимум площади пластины-источника в качестве элементной базы мультикристалла (поэтому используется площадь квадрата, вписанного в окружность, совпадающую с диаметром пластины-источника); во-вторых, размерами между деформационными границами мультикристалла. Сторона квадрата (a), вписанного в окружность диаметром d, определяется соотношением a = d/. Длина щелей (l) берется равной стороне квадрата (а). Толщина фильтра из иртрана варьировалась в пределах 1,5-2 мм. Однако с учетом физико-механических свойств материала фильтра оптимальное значение его толщины составило 1,7 мм.

Таким образом, после получения лазерного пучка с равномерным по площади распределением энергии излучения и его попадания на плоскую зону образуется линейная зона, которая выделяется из плоской и мигрирует в поле температурного градиента от пластины-подложки через пластину-источник до выхода на поверхность последней.

Полученный перекристаллизованный слой наследует кристаллографические свойства подложки, что и позволяет формировать элементы мультикристалла. Серия областей мультикристалла получается путем перемещения лазерного луча на заданные расстояния (500-1000 мм) вдоль поверхности пластины-источника, вблизи которой располагается фильтр, имеющий соответствующую топологию щелей. После формирования нужного количества областей мультикристалла нагрев прекращают, заготовку охлаждают и с поверхности пластины-источника сошлифовывают вышедший на нее металл-растворитель, а с обратной стороны композиции сошлифовывают пластину-подложку и остатки плоской зоны.

Таким образом, повышение равномерности нагрева по ширине формируемых линейных зон достигается путем использования фильтра из иртрана, имеющего линейные щели, топология которых соответствует топологии формируемого мультикристалла.

Повышение качества получаемых структур обеспечивается повышением равномерности нагрева, что позволяет практически избавиться от микрозон-спутников и уменьшить в 3-5 раз плотность включений второй фазы.

Температура и время процесса формирования плоской зоны раствора-расплава берутся характерными при работе с системой кремний-алюминий. Для получения плоской зоны может быть использована методика введения металла-растворителя с торца композиции.

Диапазон численных значений коэффициента (k) в формуле, связывающей ширину щели в фильтре (h) и диаметр лазерного пучка (D) выбран на основе экспериментальных данных.

П р и м е р 1. Монокристаллические кремниевые пластины, имеющие ориентацию (100) диаметром 60 мм ориентируют в направлении <100> и совмещают их, оставляя между ними капиллярный зазор 10 мкм. Помещают композицию в безградиентную печь, где при температуре 900-1000^оС капиллярным втягиванием формируют жидкую алюминиевую зону. Затем композицию устанавливают в специальную кассету, содержащую фильтр из иртрана, толщиной 1,76 мм. Фильтр представляет собой круглую пластинку диаметром d = 60 мм. В эту пластинку вписан квадрат со стороной a = d/ = 43 мм = 43 .На эффективной площади фильтра (43х43) мм² сделаны щели вдоль одной из сторон квадрата длиной 43 мм, шириной 100 мкм, расположенные через 500 мкм. Фильтр ориентируют таким образом, чтобы направление <100>пластины-источника совпадало с направлением щелей. После этого кассету помещают в вакуумную камеру и со стороны пластины-источника подводят лазерный пучок, диаметр которого определяется из формулы D = . В данном случае h = 100 мкм, k = 0,45и D≈220 мкм. Ориентируют его строго по центру первой щели фильтра и сканируют с частотой 200 Гц вдоль линейной щели, сориентированной вдоль направления <100> пластины-источника до выхода линейной зоны на поверхность. После чего лазерный пучок перемещают вдоль поверхности фильтра до следующей щели, расположенной от предыдущей на 500 мкм, и повторяют сканирование и т.д. Длина волны лазерного излучения 1060 нм, мощность излучения 1,5 кВт. В результате проделанных операций, в объеме кристалла диаметром 60 мм формируется 65 рабочих элементов, образующих мультикристалл (так как реально задействованная площадь 43х43 мм²). Затем сошлифовывают пластину-подложку с остатками плоской зоны, а также вышедший на поверхность пластины-источника металл-растворитель и получают собственно мультикристалл кремния.

П р и м е р 2. В качестве пластины-подложки берут кремниевую пластину диаметром 60 мм и толщиной 300 мкм. В качестве пластины-источника берут кремниевую пластину такого же диаметра, но толщиной 1000 мкм. Готовят навеску алюминия 420 мг. Подложку располагают на пластине-источнике так, чтобы угол между направлениями <100> подложки и источника составлял 20^о. Сбоку располагают навеску алюминия. Помещают композицию в безградиентную печь и выдерживают при температуре 1000^оС в течение 10 мин, где капиллярным втягиванием формируется жидкая зона. Затем полученную композицию помещают в кассету, где находится фильтр из иртрана толщиной 1,7 мм, имеющий линейные щели шириной 200 мкм и расположенные через 800 мкм друг от друга. Причем направления щелей совпадают с направлениями <100>пластины-источника. После чего кассету помещают в вакуумную камеру, к которой подведено лазерное излучение с длиной волны 1060 нм, мощностью 1,5 кВт, диаметром пучка D = = 365 мкм (k = 0,55) и электромагнитным сканатором сканируют лазерный пучок вдоль направления <100> со стороны фильтра, до выхода жидкой линейной зоны на поверхность. Частота сканирования 250 Гц. Затем перемещают луч лазера на расстояние 800 мкм до следующей щели на фильтре, повторяют сканирование и получают мультикристалл, содержащий 40 рабочих элементов.

П р и м е р 3. Отличие этого примера от предыдущего состоит в том, что фильтр имеет щели 300 мкм, расположенные через 1000 мкм.

Диаметр фильтра, как и диаметр композиции 76 мм. Поэтому, эффективная площадь составляет 54х54 мм². Диаметр лазерного пучка в этом случае D≈ 476 мкм (так как k = 0,63). В данном примере получается 41 рабочий элемент мультикристалла.

В результате использования взаимной ориентации кремниевых пластин (подложки и источника), фильтра из иртрана, поглощающего излучения в ИК-диапазоне, и лазерного излучения получены мультикристаллы, содержащие необходимое число рабочих элементов, которые могут быть использованы при изготовлении тензодатчиков, полевых транзисторов, переключателей и т.д. Металлографические исследования полученных образцов показали, что в объеме мультикристалла полностью отсутствуют крупные включения ( ≥5 мкм) второй фазы, а плотность мелких включений (< 5 мкм) снижена в 3-5 раз по сравнению с мультикристаллами, полученными по способу-прототипу.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МУЛЬТИКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ, включающий нагрев композиции из пластины-подложки и пластины-источника, ориентированных в направлении <100> и скомпонованных с зазором между ними, формирование в зазоре жидкой зоны и перекристаллизацию пластины-источника путем перемещения зоны в поле температурного градиента через пластину-источник до выхода на ее поверхность, отличающийся тем, что устанавливают зазор между пластинами величиной 10-40 мкм, а углы разориентации плоскостей, перпендикулярных к рабочим поверхностям пластин 1-20^o, жидкую зону перемещают сканированием лазерного пучка, перед кристаллизацией у поверхности пластины-источника со стороны лазерного пучка размещают круглую пластину - фильтр из иртрана MgFr диаметром, равным диаметру пластины-источника, и с эффективной поверхностью, равной площади вписанного в окружность фильтра квадрата, на этой поверхности изготавливливают сквозные щели длиной, равной и шириной, равной k·D , из интервала 100-300 мкм, с расстоянием между ними 500-1000 мкм, где d - диаметр фильтра, D - диаметр лазерного пучка, K= 0,46-0,63 - коэффициент, учитывающий однородность плотности энергии по площади лазерного пучка.