способ выращивания монокристаллов

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ путем вытягивания из расплава в тигле на затравку при воздействии на расплав ультразвуковыми колебаниями, отличающийся тем, что вытягивание ведут при вращении затравки со скоростью не более 80 об/мин или без вращения из тигля неподвижного или вращающегося со скоростью не более 30 об/мин, а ультразвуковыми колебаниями воздействуют с частотой 10,1 5 10³ кГц вдоль направления вытягивания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения кристаллов и монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов и может быть использовано при получении кристаллов для изготовления микроэлектронных приборов.

Известны способы выращивания кристаллов из жидкой фазы на затравку с применением ультразвука (УЗ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ выращивания кристаллов InSb [1] Этот способ принят за прототип. Выращивание кристаллов InSb ведут при воздействии на расплав УЗ с частотой 10 кГц в направлении, параллельном вытягиванию кристалла.

Недостаток известного способа состоит в том, что большинство полупроводниковых и металлических материалов в промышленных условиях вытягиваются из расплава, помещенного во вращающийся тигель. Вращение тигля способствует перемешиванию расплава, выравниванию в нем температурного поля, что благоприятно сказывается на производительности процесса роста и совершенстве получаемых монокристаллов.

Целью изобретения является увеличение производительности процесса роста и уменьшение слоистости в монокристаллах полупроводниковых и металлических материалов.

Цель достигается тем, что УЗ-колебаниями с частотой от 10,1 до 510³ кГц воздействует на границу раздела фаз кристалл-расплав параллельно направлению вытягивания при вращении кристалла до 80 об/мин и вращении тигля до 30 об/мин, либо без вращения.

Вытягивание без вращения используется при выращивании монокристаллов большого диаметра в симметричном тепловом поле для материалов с меньшей склонностью к концентрационному переохлаждению, например кремния, германия и др. При вращении кристалла со скоростью более 80 об/мин возникают волны вибрации в расплаве, что способствует возникновению слоистости и соответственно снижению совершенства монокристаллов. Скорость вращения кристалла, близкую к 80 об/мин, как правило, используют при вытягивании монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов, имеющих склонность к переохлаждению, например сплавов висмут-сурьма.

Выращивание кристаллов без вращения тигля в УЗ-поле можно использовать при вытягивании кристаллов малого диаметра, например, до 20 мм. Низкая скорость вращения тигля 0,1-0,5 об/мин может устанавливаться при выращивании монокристаллов из расплавов как сложного состава, твердых растворов, так и элементарных полупроводников, например кремния, но для диаметров выращиваемых кристаллов не более 50 мм. При вращении тигля со скоростью больше 30 об/мин в расплаве существенную роль играют центробежные силы, способствующие искривлению поверхности расплава и возникновению поверхностных волн, что снижает совершенство получаемых монокристаллов. Наибольшую скорость вращения тигля устанавливают для материалов, имеющих невысокую плотность и требующих более интенсивного перемешивания расплава, например арсенида галлия, а также для выращивания кристаллов диаметром более 50 мм.

Частоту, близкую к 10,1 кГц, можно использовать при выращивании кристаллов малых диаметров с низкой температурой кристаллизации (до 600^оС) и без вращения тигля. Частота меньше 10,1 кГц использована в прототипе. Вытягивание с частотой, близкой к 510³ кГц, можно производить для полупроводниковых материалов, имеющих небольшой коэффициент поглощения УЗ, например кремний. Частоту УЗ-колебаний более 5 МГц нецелесообразно использовать вследствие значительного увеличения коэффициента поглощения расплава и сложности изготовления источника УЗ большой мощности (более 200 Вт) для работы на этих частотах.

Экспериментально установлено, что воздействие УЗ с частотой от 10,1 до 510³ кГц на расплав параллельно направлению вытягивания устраняет слоистость в растущем кристалле. Кроме того, введение УЗ и одновременно вращение расплава позволяют существенно снизить переохлаждение у фронта кристаллизации, что позволяет увеличивать скорость вытягивания, а следовательно, и производительность процесса роста кристаллов. Причем этот способ позволяет получать однородные монокристаллы любых полупроводниковых материалов в условиях, близких к разработанным промышленным технологическим процессам.

Выращивание монокристаллов предлагаемым способом может быть осуществлено с помощью устройства, обеспечивающего передачу УЗ-колебаний в расплав при вращающемся тигле.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается выращиванием монокристаллов в УЗ-поле в большом диапазоне частот при вращении тигля с расплавом и вращении кристалла на больших оборотах. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "Новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вращение тигля с расплавом и кристалла при ультразвуковом воздействии с частотами от 10,1 до 510³ кГц на расплав позволяют увеличить производительность процесса роста и уменьшить слоистость в монокристаллах полупроводниковых материалов.

Хотя известны способы выращивания монокристаллов в ультразвуковом поле при направлении его параллельно направлению вытягивания, в предложенном способе за счет широкого диапазона частот, вращения тигля и затравочного кристалла в процессе роста создаются условия, близкие к известным разработанным технологическим процессам. Это преимущество позволяет освоить внедрение получения однородных монокристаллов полупроводников в ультразвуковом поле в промышленных условиях при минимальных затратах на переоснащение производства.

Таким образом, вышеуказанные преимущества предложенного способа обеспечивают существенное отличие от известных технических решений.

Способ осуществляют следующим образом. Выращивание монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов производится на установке вытягивания по Чохральскому. В тигель загружают предварительно синтезированную шихту заданного состава. Вокруг тигля расположен нагреватель. С помощью автоматического регулятора температуры и термопары, установленной под тиглем, в расплаве поддерживают необходимую температуру. Вокруг нагревателя установлены графитовые экраны, которые создают необходимые тепловые условия в расплаве. На верхнем штоке фиксируют державку с затравкой из монокристаллического материала заданного состава. После откачки камеры установки и промывки ее инертным газом производят расплавление шихты в вакууме или инертном газе. Далее производят затравление путем опускания затравки на 1-3 мм в расплав и разращивание монокристалла до заданного диаметра. После разращивания кристалла на источник УЗ подают сигнал заданной амплитуды и частоты и процесс ведут в УЗ-поле. Режимы выращивания задаются для каждого материала отдельно. Выбор режимов представлен в следующих примерах.

П р и м е р 1. Выращивание монокристалла арсенида галлия. В кварцевый тигель загружают шихту арсенида галлия в количестве от 140 г до 5 кг и покрывают флюсом оксида бора. Процесс ведут в среде аргона при избыточном давлении 2 атм и температуре кристаллизации 1240^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 75 мм устанавливают скорость вытягивания 0,16 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.

П р и м е р 2. Выращивание монокристалла кремния, легированного фосфором. В кварцевый тигель загружают шихту кремния в количестве от 140 г до 30 кг. Процесс ведут в вакууме при температуре 1420^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 150 мм устанавливают скорость вытягивания 2 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.

П р и м е р 3. Выращивание монокристалла твердого раствора висмута с 9 ат. сурьмы. В кварцевый тигель загружают шихту сплава висмут-сурьма в количестве от 140 г до 1,7 кг. Процесс ведут в среде аргона при избыточном давлении 0,15 атм и температуре кристаллизации 280^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 30 мм устанавливают скорость вытягивания 0,1 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.

В табл. 1 приведены режимы выращивания монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов: соединений на примере арсенида галлия, элементарных полупроводников на примере кремния и металлов на примере твердых растворов висмут-сурьма.

Использование предлагаемого способа увеличивает производительность процесса выращивания монокристаллов, уменьшает слоистость и обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: увеличивает производительность процесса на 5-10% дает возможность использовать выращивание монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов в ультразвуковом поле в условиях технологических процессов, используемых на промышленных предприятиях; для выращивания монокристаллов в ультразвуковом поле этим способом достаточно заменить только нижний привод в промышленных установках вытягивания по Чохральскому. Это существенно сокращает затраты и время на переоснащение технологического процесса.

В табл. 2 приведены результаты по снижению слоистости.

При ультразвуковом воздействии на расплав даже при отсутствии вращения кристалла и тигля слоистость снижается в центральной части. Однако без вращения кристалла его форма существенно отличается от цилиндрической. Несмотря на отсутствие слоистости в этих кристаллах, их невозможно использовать в дальнейшем производстве.

Как правило, при выращивании монокристаллов полупроводников не удается в процесс их роста постоянно поддерживать плоский фронт кристаллизации. Поэтому частично слои могут оставаться на периферии кристаллов. При поддержании же плоского фронта кристаллизации в процессе вытягивания всего кристалла удается практически полностью устранить слоистость во всем поперечном его сечении.