Виробництво монокристалів кремнію, метод Чохральського, установка для вирощування
Виробництво монокристалів кремнію в основному здійснюють методом Чохральського (до 80-90% споживаного електронної промисловістю) і в меншій мірі методом бестигельной зонного плавлення.
метод Чохральського
Ідея методу отримання кристалів по Чохральскому полягає в зростанні монокристала за рахунок переходу атомів з рідкої або газоподібної фази речовини в тверду фазу на їх межі поділу (Рис. 2.1.1).
полікремній установка сонячна енергетика
Стосовно до кремнію цей процес може бути охарактеризований як однокомпонентна ростовая система рідина - тверде тіло.
Швидкість зростання V визначається числом місць на поверхні зростаючого кристала для приєднання атомів, що надходять з рідкої фази, і особливостями перенесення на кордоні розділу.
Установка для вирощування монокристалічного кремнію
Установка (Рис. 2.2.1) складається з наступних блоків
· Піч. що включає в себе тигель (8), контейнер для підтримки тигля (14), нагрівач (15), джерело живлення (12), камеру високотемпературної зони (6) і ізоляцію (3, 16);
· Механізм витягування кристала. що включає в себе стрижень з запалом (5), механізм обертання затравки (1) і пристрій її затиску, пристрій обертання і підйому тигля (11);
· Пристрій для управління складом атмосфери (4 - газовий вхід, 9 - вихлоп, 10 - вакуумний насос);
· блок керування. що складається з мікропроцесора, датчиків температури і діаметра зростаючого злитка (13, 19) і пристроїв введення;
ѕ додаткові пристрої. оглядове вікно - 17, кожух - 2.
Мал. 2.2.1Установка по вирощуванню методом Чохральського
технологія процесу
Затравочний монокристал високої якості опускається в розплав кремнію і одночасно обертається (Рис. 2.3.1). Отримання розплавленого полікремнію відбувається в тиглі в інертному атмосфері (аргону при розрідженні
104 Па.) При температурі, незначно перевершує точку плавлення кремнію Т = 1415 ° С. Тигель обертається в напрямку протилежному обертанню монокристала для здійснення перемішування розплаву і зведення до мінімуму неоднорідності розподілу температури. Вирощування при розрідженні дозволяє частково очистити розплав кремнію від летючих домішок за рахунок їх випаровування, а також знизити утворення на внутрішній облицювання печі нальоту порошку монооксиду кремнію, потрапляння якого в розплав призводить до утворення дефектів в кристалі і може порушити монокристалічний зростання.
На початку процесу зростання монокристала частина затравочного монокристалла розплавляється для усунення в ньому ділянок з підвищеною щільністю механічних напруг і дефектами. Потім відбувається поступове витягування монокристала з розплаву.
Для отримання монокристалів кремнію методом Чохральського розроблено і широко використовується високопродуктивне автоматизоване устаткування, що забезпечує відтворюване отримання бездислокаційних монокристалів діаметром до 200 - 300 мм. Зі збільшенням завантаження і діаметру кристалів вартість їх отримання зменшується. Однак в розплавах великої маси (60-120 кг) характер конвективних потоків ускладнюється, що створює додаткові труднощі для забезпечення необхідних властивостей матеріалу. Крім того, при великих масах розплаву зниження вартості стає незначним за рахунок високої вартості кварцового тигля і зменшення швидкості вирощування кристалів через труднощі відводу прихованої теплоти кристалізації. У зв'язку з цим з метою подальшого підвищення продуктивності процесу і для зменшення обсягу розплаву, з якого виробляється вирощування кристалів, інтенсивний розвиток отримали установки полунепреривного вирощування. У таких установках проводиться додаткова безперервна чи періодична завантаження кремнію в тигель без охолодження печі, наприклад шляхом підживлення розплаву рідкою фазою з іншого тигля, який, в свою чергу, також може періодично або безперервно підживлюватися твердої фазою. Таке удосконалення методу Чохральського дозволяє знизити вартість вирощуваних кристалів на десятки відсотків. Крім того, при цьому можна проводити вирощування з розплавів невеликого і постійного обсягу. Це полегшує регулювання та оптимізацію конвективних потоків в розплаві і усуває сегрегаційні неоднорідності кристала, зумовлені зміною обсягу розплаву в процесі його росту.
Метод бестигельной зонного плавлення
Вирощування кристалів кремнію методом бестигельной зонного плавлення (БЗП) здійснюють на основі одновиткового індуктора (типу «вушка голки»), внутрішній діаметр якого менше діаметра вихідного полікристалічного стрижня і кристала (Рис. 2.4.1). У всіх сучасних системах зонного плавлення використовується стаціонарне становище індуктора, а полікристалічний стрижень і зростаючий монокристал переміщаються. Швидкість вирощування кристалів методом БЗП вдвічі більше, ніж за методом Чохральського, завдяки більш високим градиентам температури.
Через технічні труднощі вирощувані методом БЗП кристали кремнію (їх діаметр доведений до 150 мм) поступаються по діаметру кристалам, одержуваних методом Чохральського. При бестигельной зонної плавці легування вирощуваного кристала, як правило, проводять з газової фази шляхом введення в газ-носій (аргон) газоподібних сполук легуючих домішок. При цьому питомий опір кристалів може змінюватися в широких межах, досягаючи 200 Ом · см. При вирощуванні в вакуумі отримують монокристали з дуже високим опором - до 3 · 104 Ом · см. Для отримання такого матеріалу, щоб уникнути забруднення не застосовують різання чи обдирання стрижня полікристалічного кремнію. Залишкові донори, кисень, вуглець і важкі метали видаляють з кремнієвого стрижня п'ятикратної зонної очищенням в вакуумі. До недоліків методу БЗП відноситься значна радіальна неоднорідність розподілу питомої опору (20-30%) одержуваних кристалів, яку можна зменшити використанням трансмутаціонного легування.
Монокристали кремнію, одержувані методом БЗП, становлять близько 10% загального обсягу виробленого монокристалічного кремнію і йдуть в основному на виготовлення дискретних приладів, особливо тиристорів великої потужності.
2 - Обмотка нагрівача
3 - Монокристалічний кремній
4 - Затравочний монокристал
6 - Розплавлена зона
7 - Стрижень з полікристалічного кремнію
Мал. 2.4.1Метод бестигельной зонного плавлення
У таблиці 2.4.1 наведені порівняльні характеристики методів Чохральського і БЗП.