Конструкция установки для выращивания монокристаллов полупроводников методом Чохральского

Современная установка для выращивания монокристал­лов полупроводников методом Чохральского должна обеспечить:

- поддержание в камере остаточного давления менее 1,33Х10^-4 Па для случая проведения

процесса выращивания в вакууме;

- отсутствие загрязнений расплава и выращиваемого монокри­сталла;

- стабильность тепловых условий выращивания монокристаллов (колебания температуры на фронте кристаллизации допускаются 0,1—0,2 °С, точность контроля температуры нагревателя ±0,1 °С);

- высокую точность поддержания выбранных скоростей переме­щения деталей установки (точность подъема тигля и заправки ±1 %, скорости вращения штоков ±5 %);.

отсутствие вибраций;

- возможность изменения основных параметров процесса.

Схема установки для выращивания моно­кристаллов методом Чохральского:

1 —верхний шток; г — смотровое окно; 3 — монокристалли­ческая затравка; 4 — графитовый тигель; 5 —графитовый нагреватель; 6 — графитовая подставка тигля; 7 — водоохлаждаемый токоввод; 8 — нижний шток

Схема установки для выращивания мо­нокристаллов методом Чохральского изоб­ражена на рисунке выше.

Процесс проводится в герметичной ка­мере в атмосфере инертного газа или в ва­кууме. Стенки камеры имеют водяное ох­лаждение. Камера снабжена смотровым ок­ном 2 для визуального наблюдения за хо­дом процесса. Исполнительные механизмы расположены вне камеры. Исходный мате­риал для выращивания монокристал­ла помещают в тигель 4, закрепленный на графитовой подставке 6, соединенной с водоохлаждаемым штоком 8. Нагрев тигля с исходной загрузкой осуществляется разрезным графито­вым нагревателем сопротивления 5, установленным на токовводах 7, смонтированных в нижней крышке камеры. Снаружи на­греватель окружен системой графитовых экранов (на рисунке они не показаны), обеспечивающих заданное распределение темпера­туры по объему расплава в тигле, а также по длине и сечению вы­ращиваемого монокристалла. Шток 8 выведен из камеры через уплотнения Вильсона. При помощи электропривода, расположен­ного вне камеры, шток вращается с постоянной частотой. При этом он может перемещаться вверх или вниз для обеспечения оп­тимального положения тигля с расплавом по отношению к нагре­вательному элементу. Через уплотнения Вильсона, расположенные на верхнем конце камеры соосно с нижним штоком, в камеру вво­дится водоохлаждаемый шток 1. На нижнем конце штока при помощи цангового крепления фиксируется монокристаллическая затравка 3 кристаллизуемого материала. Шток 1 может также перемещаться вверх и вниз с заданной скоростью и вращаться с постоянной частотой. В процессе роста кристалл и тигель с рас­плавом вращаются в противоположных направлениях.

Установка имеет вакуумную систему для создания остаточного давления в камере менее 6,9Х10^-3 Па, а также систему подачи инертного газа. Максимальное избыточное давление инертного га­за в камере может доходить до 0,7Х 10⁵ Н/м². Рабочая скорость перемещения затравки изменяется в пределах 0,5—5,0 мм/мин. Осевое перемещение затравки позволяет выращивать монокристал­лы до 500 мм. Частота вращения затравки 10—80 об/мин, а тиг­ля 4—28 об/мин. Осевое перемещение тигля на расстояние около 40 мм осуществляется от ручного привода.

Процесс проводится следующим образом: тщательно протрав­ленный, промытый и высушенный материал загружают в тигель, камеру, предварительно очищенную, герметизируют и откачивают до получения вакуума или продувают чистым инертным газом.

Тигель устанавливают на нужной высоте по отношению к на­гревателю и приводят во вращение. При постепенном повышении мощности, подаваемой на нагреватель, материал доводят до плавления и выдерживают некоторое время в перегретом состоянии. Для предотвращения осаждения летучих примесей на затравку ее подводят к зеркалу расплава в горячую зону. Когда зеркало рас­плава очистится, включают систему автоматического регулирова­ния температур, которая доводит температуру расплава до зна­чения, немного превышающего температуру плавления материала. Затравку медленно подводят к зеркалу расплава, конец затравки опускают в расплав на 2—3 мм, а шток 1 останавливают. После прогрева затравки в течение 3—5 мин приступают к выращива­нию монокристалла, вытягивая шток с затравкой.

В качестве примера можно привести следующие допуски на механические и температурные режимы выращивания монокри­сталлов:

Частота вращения нижнего штока, об/мин............. 10—15±5%

Точность фиксации высоты тигля по отношению к нагревателю при по­стоянной массе материала, мм.................. ±1

Частота вращения верхнего штока, об/мин............. 40—60±3%

Скорость вытягивания штока, мм/мин............... 0,5—2,5

Допустимые колебания средней скорости вытягивания, мм/мин... ±0,05

Соосность штоков, мм...................... 0,1

Биение на концах штоков, мкм.................. 10—20

Точность поддержания температуры в тигле с материалом, °.... ±0,1—0,2

Колебания скорости потока инертного газа, продуваемого через рабочую камеру, не должны вызывать изменений температуры, превышающих указанную точность стабилизации.