Конструкции тепловых узлов установок для выращивания монокристаллов полупроводников

Конструкция теплового узла определяет распределе­ние температур (тепловые поля) в расплаве и растущем монокри­сталле. Тепловой узел состоит из подставки, тигля, нагревателя и системы экранов.

Для выращивания однородных по свойствам монокристаллов методом Чохральского необходимо выполнение следующих усло­вий: самая холодная точка должна быть расположена в месте ка­сания затравки с расплавом; тепловое поле должно быть симмет­рично относительно оси; расплав вне области границы раздела фаз должен быть перегрет с целью исключения спонтанной кристаллизации.

Тепловые условия процесса определяют осевые и радиальные градиенты температуры в кристалле и расплаве, от которых зави­сят форма фронта кристаллизации и термические напряжения в монокристалле, а также раз­меры переохлажденной обла­сти расплава вблизи фронта кристаллизации

Схема тепловых потоков и изотерм в системе расплав — кристалл показана на рисунке ниже.

Поток тепла Q_H поступающий к тиг­лю от нагревателя, равен сумме потоков тепла, отводимых излуче­нием от расплава Q_ир теплопроводностью Q_тк и излучением Q_ик от кристалла. Соотношение этих потоков определяет характер гради­ентов температуры, а следовательно, и изотерм в выращиваемом монокристалле. Радиальный градиент температуры G_r определяет­ся разностью температур в сечении кристалла на его поверхности T_Г и в центре Т_ц:

Схема тепловых потоков и изотерм в системе расплав — крис­талл при выращивании монокристалла методом Чохральского:

1—кристалл; 2 — столбик расплава; 3 — переохлажденная область расплава; 4 — тигель; δ — стрела прогиба фронта кри­сталлизации; h₀ — высота столбика расплава, Т_фк – температура на фронте кристаллизации, Т_р – температура изотермы, ограничивающей переохлажденную область расплава.

G_r=∆T_r /r = (Т_Ц -Т_П)/r,

где r — радиус кристалла, а осевой градиент температуры в кри­сталле G_x — разностью температур по его длине:

G_x = ∆T_x/x = (T₁—T₂)/x,

где х — расстояние по длине кристалла.

Для получения совершенных кристаллов нужно на протяжении всего процесса выращивания сохранять плоской границу раздела кристалл — расплав. Для этого необходимо, чтобы изотермы бы­ли практически перпендикулярными направлению роста, а также обеспечивался тщательный контроль тепловых потоков как в осе­вом, так и в радиальном направлениях.

Теплота кристаллизации поступает в растущий кристалл снизу через фронт кристаллизации в направлении от расплава к кри­сталлу и рассеивается за счет теплопередачи теплопроводностью через кристалл к подъемному механизму и излучения. Создав в установке для выращивания с помощью экранов или дополнитель­ных нагревателей для подогрева растущего кристалла тепловые условия, при которых радиальный тепловой градиент незначите­лен, можно получить изотермы в расплаве, перпендикулярные на­правлению роста.

Осевой градиент определяется следующими факторами:

1. Расположением нагревателей. При индукционном нагреве — формой индуктора и расположением в нем тигля, материалом и размерами тигля и приемника индукционных токов; при исполь­зовании нагревателей сопротивления — геометрией нагревателя и положением тигля относительно нагревателей.

2. Теплоотводом в окружающее пространство. Теплоотвод оп­ределяется близостью тигля к краю индуктора или к краю печи; температурой помещения; размерами и теплопроводностью кри­сталла; температурой Держателя кристалла; излучательной спо­собностью поверхности расплава и отражательной способностью стенок печи.

3. Глубиной расплава в тигле.

4. Скоростью вытягивания и скрытой теплотой плавления. Для уменьшения радиальной асимметрии теплового поля и пере­мешивания расплава кристалл и тигель с расплавом вращают в противоположных направлениях. При увеличении скорости кри­сталлизации выделяется повышенное количество тепла (за счет скрытой теплоты плавления) на фронте кристаллизации и осевой градиент уменьшается.

Тепловой узел является средством управления тепловыми ус­ловиями процесса выращивания монокристалла полупроводника. От его конструкции зависят устойчивость роста, стабильность диа­метра и структура выращиваемого монокристалла. Стабильность диаметра требует поддержания неизменяющихся в ходе процес­са градиентов температуры в расплаве, а условием получения со­вершенной структуры монокристалла является создание и поддер­жание в течение всего процесса плоского фронта кристаллизации. Схемы наиболее распространенных тепловых узлов, применяемых в установках для выращивания монокристаллов полупроводников методом Чохральского, приведены на рисунке ниже.

Схемы тепловых узлов с различными видами экранировок:

а, в —пассивные (полузакрытая и закрытая); б —активная; г —открытая (подвижная);

1 — верхний боковой экран; 2 — нагреватель кристалла; 3 — кристалл; 4 — графитовая подставка с кварцевым тиглем, содержащим расплав; 5 — нагреватель тигля; 6—боковые экраны; 7 —потолочный экран; в — вращающийся боковой экран; 9 — донные экраны

Тигель. Форма дна тигля (плоская или сферическая) ока­зывает влияние на распределение температуры в расплаве. В тиг­лях с плоским дном вследствие наличия «углов» конвекция в расплаве по всему объему не обеспечивает равномерного перемеши­вания расплава по всему объему. В этом отношении лучшие ре­зультаты получаются при использовании тиглей со сферическим дном. Сферическая форма тигля, обеспечивая постоянное отноше­ние поверхности расплава к его высоте и равномерное перемеши­вание расплава по всему объему конвективными потоками, позволяет получать меньшие линейные осевые градиенты температуры по расплаву, чем в случае плоской формы дна тигля.

Оптимальное соотношение внутреннего диаметра тигля D и высоты расплава Н находится в пределах 0,5—1,0.

Оптимальное соотношение диаметра тигля D и диаметра вы­ращиваемого из него монокристалла кремния и германия d со­ставляет 2,5—3,5.

Материал контейнера должен удовлетворять следующим тре­бованиям:

- быть инертным по отношению к содержащемуся в нем расплав­ленному металлу или полупроводнику, а также к атмосфере, в ко­торой производится выращивание;

- не смачиваться расплавом;

- иметь теплопроводность более низкую, чем загрузка, что необ­ходимо в связи с проблемами оптимального теплоперецоса в про­цессе роста кристалла;

- не загрязнять расплав примесями при соприкосновении его со стенками контейнера.

Одним из основных контейнерных материалов для выращива­ния монокристаллов германия и кремния является высокочистый синтетический кварц. Кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (5,8Х10^-7) и поэтому способен выдерживать без разрушения большие температурные градиенты и термические удары. Температура размягчения кварца выше 1300°С. Из кварца в получаемый кристалл переходит в основном кисло­род.

Перспективными материалами для контейнеров являются стеклоуглерод, нитриды кремния, алюминия и бора.

Подставка тигля. Она представляет собой полую внутри графитовую трубку. Конструкция подставки оказывает влияние на градиенты температуры в расплаве и монокристалле. Так, например, если дно подставки намного толще боковых стенок, то отвод тепла от расплава в осевом направлении, а следовательно, и гра­диент температуры в данном направлении уменьшаются. Увели­чение толщины стенок подставки влечет за собой повышение тем­пературы нагревателя и в случае, если тепловой узел аналогичен показанному на рисунке выше, а, в окружающее монокристалл простран­ство над тиглем поступает большее количество тепла, что влечет за собой изменение осевых и радиальных градиентов температу­ры в растущем монокристалле.

Система экранировки. Существующие системы экрани­ровки тигля с расплавом можно разделить на закрытые (рисунок выше, в) и открытые (рисунок выше, г). Закрытые системы экранировки обеспечивают малые осевые и радиальные градиенты температуры по расплаву в тигле. В область над тиглем, ограниченную потолоч­ным экраном, поступает дополнительное количество тепла, вслед­ствие чего градиенты температуры в выращиваемом монокристал­ле уменьшаются. В случае использования открытой системы экра­нировки вследствие повышенных потерь тепла с открытой поверх­ности расплава осевые градиенты по расплаву значительно больше.

Система экранировки позволяет управлять осевыми и радиаль­ными градиентами температуры в расплаве и в выращиваемом монокристалле.

Чем меньше градиент температуры в растущем кристалле, тем совершеннее его структура, но уменьшение осевого градиента сни­жает скорость вытягивания последнего. Экранировка выращивае­мого монокристалла может быть пассивной (экраны) или актив­ной (нагреватель, сопротивления, рисунок выше, б).

Достоинством активной экранировки является создание требуе­мого градиента температуры в монокристалле и возможность уп­равлять температурным полем в кристалле после окончания процесса выращивания с целью улучшения структуры монокристалла и уменьшения в нем напряжений.

Показанный на рисунке выше г вариант теплового узла с вращаю­щейся экранировкой благодаря строгой соосности ее с тиглем, обеспечивает высокую симметрию теплового поля в расплаве, сводя к минимуму знакопеременные напряжения в кристалле.

Выбор материала экранов зависит от характера атмосферы, в которой работает тепловой узел. В вакууме, где теплопередача происходит в основном излучением, экраны целесообразно изготавливать из полированных листов жаропрочного металла, напри­мер молибдена.

В газовой среде увеличивается вклад в перенос тепла от эле­ментов теплового узла стенкам камеры установки за счет конвек­ции газа. Потери тепла конвекцией возрастают с увеличением давления газа и его теплоемкости.

При работе в газовой среде, особенно находящейся под высо­ким давлением, применяют экраны из графита или непрозрачного (спеченного) кварца. Возможно изготовление одних экранов из графита, а других из молибдена.

Требуемые по технологии тепловые условия процесса выращи­вания монокристаллов создают путем подбора соответствующих конструкций подставки, нагревателя и экранировки. Воздействие отдельных элементов теплового узла на градиенты температуры в расплаве и монокристалле носит комплексный характер. Изме­нение одного элемента, как правило, требует соответствующего изменения других с целью сохранения первоначальных тепловых условий.