Устройство для выращивания монокристаллов кремния, экранирующее приспособление и способ выращивания монокристаллов кремния по методу чохральского

 

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния из расплава по методу Чохральского. Сущность изобретения: устройство для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского включает камеру выращивания монокристалла с расположенным в ней тиглем для получения расплава и вытягивания из расплава монокристалла кремния, и экранирующее приспособление, расположенное соосно выращиваемому монокристаллу, которое выполнено в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, при этом внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля, а зазор между внутренней поверхностью кварцевого тигля и внешним экраном составляет 10-30 мм, и двойной экран установлен таким образом, что расстояние между его нижним торцом и поверхностью расплава составляет 8-40 мм. Экранирующее приспособление позволяет увеличить скорость потока инертного газа вблизи поверхности расплава в зоне выращивания, в результате чего процесс выращивания происходит при более высокой скорости и с большим выходом структурно-совершенных монокристаллов. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния из расплава по методу Чохральского.

При выращивании монокристалла кремния из расплава по методу Чохральского тепловые процессы оказывают значительное влияние на устойчивость роста, стабильность диаметра и структуру выращиваемого монокристалла. При повышении скорости выращивания монокристалла из расплава достигается повышение такого важного показателя качества монокристалла кремния, как время жизни неравновесных носителей заряда (τ_н.н.з.). Для создания соответствующего повышения скорости выращивания, формирования газового потока над расплавом, для расширения возможностей управления тепловыми полями в расплаве и в растущем из него монокристалле используют различные системы экранировки тигля с расплавом (А.Я. Нашельский. Технология специальных материалов электронной техники. - М., 1993, с. 169-173) [1].

Наиболее близким является устройство для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающее камеру выращивания монокристалла с расположенным в ней тиглем для получения расплава и вытягивания из расплава монокристалла кремния и экранирующее приспособление, расположенное соосно выращиваемому монокристаллу (JP, заявка № 2-31040, М. кл. С 30 В 15/14, H 01 L 21/208, опубл. 11.07.90) [2]. Экранирующее приспособление выполнено в виде экрана, имеющего форму перевернутого усеченного конуса. Верхняя часть экрана изогнута в виде треугольника или дуги. Экранирующее приспособление установлено таким образом, что нижняя часть (торцевая часть экрана) расположена над плоскостью расплава, а верхняя часть в виде кольца закрывает тигель на участке от выращиваемого монокристалла до краев тигля.

Наиболее близким является также способ выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающий вытягивание монокристалла кремния из расплава в присутствии экранирующего приспособления, расположенного соосно вытягиваемому монокристаллу [2]. В известном способе используют экран, имеющий форму перевернутого усеченного конуса, описанный выше.

Однако на наклонных стенках экрана часто конденсируется испаряющийся монооксид кремния и летучие легирующие примеси, что обусловлено недостаточной тепловой изоляцией конического экрана. В процессе выращивания возможно отслаивание осажденных частиц монооксида кремния и попадание их в расплав. Это приводит к образованию дислокации в растущем монокристалле, обрыву бездислокационного роста выращиваемого монокристалла, а также к снижению возможной скорости выращивания монокристалла и, следовательно, к снижению производительности получения монокристаллов.

Задачей изобретения является усовершенствование устройства для выращивания монокристаллов кремния, в котором за счет установки дополнительного экрана определенной формы происходит увеличение скорости потока инертного газа вблизи поверхности расплава в зоне выращивания, что приводит к эффективному удалению испаряющихся монооксида кремния и летучих легирующих примесей из зоны кристаллизации. Это обеспечивает возможность проводить процесс выращивания при более высоких скоростях и с большим выходом структурно совершенных монокристаллов.

Задачей изобретения является создание экранирующего приспособления для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, позволяющего увеличить скорость потока инертного газа вблизи поверхности расплава в зоне выращивания. Процесс выращивания монокристалла происходит при более высокой скорости и с большим выходом структурно-совершенных монокристаллов.

Задачей изобретения является также усовершенствование способа выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, в котором за счет использования двойного экрана определенной формы и размещения его определенным образом над расплавом повышается производительность процесса, увеличивается выход структурно совершенных монокристаллов.

Поставленная задача решается предложенным устройством для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающим камеру выращивания монокристалла с расположенным в ней тиглем для получения расплава и вытягивания из расплава монокристалла кремния и экранирующее приспособление, расположенное соосно выращиваемому монокристаллу, в котором экранирующее приспособление выполнено в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, при этом внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля, а зазор между внутренней поверхностью кварцевого тигля и внешним экраном составляет 10-30 мм, и двойной экран установлен таким образом, что расстояние между его нижним торцом и поверхностью расплава составляет 8-40 мм.

Внутренний экран имеет форму усеченного конуса.

Поставленная задача решается также экранирующим приспособлением для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, выполненным в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, при этом внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля для вытягивания слитка монокристалла кремния.

И, наконец, поставленная задача решается предложенным способом выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающим вытягивание монокристалла кремния из расплава в присутствии экранирующего приспособления, расположенного соосно вытягиваемому монокристаллу, в котором в качестве экранирующего приспособления используют описанное выше экранирующее приспособление, которое располагают таким образом, что зазор между внутренней поверхностью кварцевого тигля и внешним экраном составляет 10-30 мм, а расстояние между нижним торцом двойного экрана и поверхностью расплава составляет 8-40 мм.

Нами было обнаружено, что при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского в присутствии экранирующего приспособления, выполненного в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, когда внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля, происходит изменение радиального градиента температуры в расплаве. За счет создания оптимальных тепловых полей в расплаве и в растущем из расплава монокристалле а также увеличения и стабилизации скорости потока инертного газа над поверхностью расплава в зоне выращивания увеличивается скорость выращивания монокристалла, возрастает значение времени жизни неравновесных носителей заряда. Предложенная форма внешнего экрана, его размещение над расплавом, а также скорость потока инертного газа обеспечивают то, что на стенках экрана не конденсируется испаряющийся монооксид кремния и летучие легирующие примеси, а удаляются из камеры.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено устройство для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского.

На чертеже изображена камера выращивания монокристалла кремния 1 по методу Чохральского, в которой расположен кварцевый тигель 2 для получения расплава 3 и вытягивания из расплава монокристалла кремния 4 на затравку 5. Тепловой узел представлен резистивным нагревателем 6, графитовой подставкой 7 под кварцевый тигель, нижним экраном 8, боковым экраном 9, верхним экраном 10 и экранирующим приспособлением 11, расположенным соосно выращиваемому монокристаллу кремния 4. Экранирующее приспособление 11 выполнено в виде двойного экрана - внутреннего конического экрана 12 и внешнего экрана 13, имеющего форму повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом.

В камере выращивания монокристалла кремния 1 на графитовой подставке 7 вначале устанавливают кварцевый тигель 2, загруженный поликристаллическим кремнием и необходимым количеством лигатуры.

Затем на боковой экран 9 устанавливают верхний экран 10, в котором размещают внешний экран 13 соосно затравке 5 таким образом, чтобы расстояние от внутренней стенки кварцевого тигля 2 до внешнего экрана 13 составляло 10-30 мм. Затем соосно затравке 5 устанавливается внутренний конический экран 12. Осуществляют герметизацию камеры выращивания, устанавливают подачу и отвод инертного газа (аргона) с расходом 15-20 л/мин. После расплавления загрузки кварцевый тигель с расплавом поднимают на такую высоту, чтобы расстояние между нижним торцом экранирующего приспособления 11 в виде двойного экрана и поверхностью образовавшегося в тигле расплава 3 составляло 8-40 мм. По мере расходования расплава 3 тигель 2 поднимается, а конический экран 12 и внешний экран 13 входят в кварцевый тигель 2. Расстояние между нижним торцом экранирующего приспособления 11 в виде двойного экрана и плоскостью расплава 3 в процессе выращивания монокристалла 4 сохраняется постоянным.

Предлагаемая форма дополнительного внешнего экрана 13 способствует увеличению скорости протока инертного газа возле поверхности расплава в зоне выращивания, за счет чего обеспечивается эффективное удаление испаряющихся монооксида кремния и летучих легирующих примесей из зоны кристаллизации. Дополнительное тепловое экранирование приводит к изменению радиального градиента температуры в расплаве и обеспечивает возможность производить процесс выращивания монокристаллов кремния при более высоких скоростях выращивания и с большим выходом структурно-совершенных монокристаллов.

При зазоре между внешним экраном 13 и внутренней стенкой кварцевого тигля 2 менее 10 мм возникает опасность касания внешним экраном вращающегося тигля. При зазоре более 30 мм уменьшается эффективность воздействия внешнего экрана.

По результатам проведения 10 плавок с использованием известного устройства с экранирующим приспособлением в виде конического экрана и предложенного устройства с экранирующим приспособлением в виде двойного экрана предложенные устройство и способ обеспечивают:

- увеличение скорости выращивания монокристалла кремния на 15%;

- увеличение выхода бездефектных кристаллов на 10,9%;

- увеличение монокристаллов без обрыва бездислокационного роста на 86%;

- повышение производительности печи на 24,1%.

Формула изобретения

1. Устройство для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающее камеру выращивания монокристалла с расположенным в ней тиглем для получения расплава и вытягивания из расплава монокристалла кремния, и экранирующее приспособление, расположенное соосно выращиваемому монокристаллу, отличающееся тем, что экранирующее приспособление выполнено в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, при этом внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля, а зазор между внутренней поверхностью кварцевого тигля и внешним экраном составляет 10-30 мм, и двойной экран установлен таким образом, что расстояние между его нижним торцом и поверхностью расплава составляет 8-40 мм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний экран имеет форму усеченного конуса.

3. Экранирующее приспособление для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, выполненное в виде двойного экрана - внутреннего и внешнего, при этом внешний экран имеет форму, повторяющую или близкую к форме кварцевого тигля для вытягивания монокристалла кремния.

4. Экранирующее приспособление по п.3, в котором внутренний экран имеет форму усеченного конуса.

5. Способ выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, включающий вытягивание монокристалла кремния из расплава в присутствии экранирующего приспособления, расположенного соосно выращиваемому монокристаллу, отличающийся тем, что в качестве экранирующего приспособления используют экранирующее приспособление по п.3, которое располагают таким образом, что зазор между внутренней поверхностью кварцевого тигля и внешним экраном составляет 10-30 мм, а расстояние между нижним торцом двойного экрана и поверхностью расплава составляет 8-40 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 31.05.2011 № РД0081760

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:Частное акционерное общество "Пиллар" (UA)

Приобретатель исключительного права: ПИЛЛАР ГРУП Б.В. (NL)

(73) Патентообладатель(и):ПИЛЛАР ГРУП Б.В. (NL)

Дата публикации: 10.07.2011

---