способ подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка кремния по методу чохральского

Формула изобретения

Способ подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка кремния по методу Чохральского, включающий формирование барийсодержащего покрытия из гидроксида бария на внутренней и/или внешней поверхности нагретого кварцевого тигля, отличающийся тем, что барийсодержащее покрытие формируют напылением суспензии из гидроксида бария в атмосфере воздуха на поверхности кварцевого тигля, нагретого до температуры 100-150°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов, в частности к подготовке тиглей для выращивания монокристаллов кремния из расплава по методу Чохральского.

Монокристаллический кремний по методу Чохральского получают путем вытягивания слитка из расплава кремния, находящегося в кварцевом тигле. Процесс проводят в герметической камере в атмосфере инертного газа при пониженном давлении и высокой температуре.

Стенки стандартного кварцевого тигля, используемого при выращивании слитков монокристаллов кремния, имеют структуру с беспузырьковым внутренним слоем толщиной 2-7 мм, контактирующим с расплавом, и наружным слоем, содержащим пузырьки.

В процессе получения расплава и роста монокристалла кремния кварцевый тигель разогревается до температуры 1500-1600°С. В условиях пониженного давления и высокой температуры пузырьки стенок тигля увеличиваются в объеме и вследствие градиента концентрации пузырьков диффундируют к внутренней поверхности тигля, контактирующей с расплавом, и выходят на поверхность тигля.

При выходе на внутреннюю поверхность тигля двух и более близлежащих пузырьков на внутренней его поверхности образуются прилегающие друг к другу углубления в виде чаш. Воздействие расплава приводит к утончению перемычек этих углублений и последующему отрыву кусочков кварца от внутренней поверхности тигля.

Кусочки кварца, не успевшие полностью раствориться в расплаве, могут попасть в область фронта кристаллизации, что приводит к обрыву бездислокационного роста кристалла. Такой эффект особенно проявляется при выращивании слитков монокристалла большого диаметра.

Известны тигли и способы их получения, описанные в патентах США №4956208 и №4935046, с непрозрачной внешней поверхностью и прозрачной внутренней кварцевой поверхностью стенок, которые максимально очищены от пузырьков.

Такая структура тигля позволяет предотвратить откол частичек кварца от его стенок, однако не предотвращает деформацию стенок под воздействием высоких температур, что также приводит к нарушению роста монокристалла.

Наиболее близким является способ подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского, который включает формирование барийсодержащего покрытия из гидроксида бария на внутренней и/или внешней поверхности нагретого кварцевого тигля, известный из патента США №5980629, опубликованного 9.11.1999 [1]. В известном способе на поверхность кварцевого тигля, нагретого до температуры 200-300°С, наносят напылением раствор гидроксида бария при подаче углекислого газа. Гидроксид бария немедленно пристает к поверхности тигля и частично преобразовывается в карбонат бария при контакте с углекислым газом. После этого поверхность одновременно опыляют водой и углекислым газом для завершения преобразования гидроксида бария в карбонат бария. Водородный показатель рН покрытой поверхности поддерживают в пределах 8-9,5.

Полученное по известному способу покрытие кварцевого тигля из карбоната бария в процессе нагревания тигля при получении расплава преобразуется в оксид бария, который вступает в реакцию с кварцем на поверхности тигля с образованием силикатов бария.

Известный способ подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского позволяет укрепить стенки кварцевого тигля и предотвратить откол частичек кварца от его стенок. Однако полученное таким образом покрытие часто является неравномерным, что в дальнейшем, в процессе получения расплава и выращивания слитка, приводит к отслаиванию покрытия и снижению выхода годного продукта. В некоторых случаях наблюдается загрязнение слитка по углероду, что приводит к получению брака по углероду. В связи с этим известный способ более предпочтительным является при покрытии только внешней поверхности тигля.

Задачей изобретения является усовершенствование способа подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского, в котором за счет предложенных условий нанесения покрытия тигля улучшается его равномерность и однородность, что приводит к увеличению выхода годного продукта и снижению брака при получении слитков монокристалла кремния.

Поставленная задача решается предложенным способом подготовки тигля для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского, включающим формирование барийсодержащего покрытия из гидроксида бария на внутренней и/или внешней поверхности нагретого кварцевого тигля, в котором указанное формирование барийсодержащего покрытия осуществляют на поверхности кварцевого тигля, нагретого до температуры 100-150°С.

Барийсодержащее покрытие может формироваться на внутренней и внешней поверхности тигля, на внутренней поверхности тигля или на внешней поверхности тигля. При этом формирование барийсодержащего покрытия предпочтительнее проводить в атмосфере воздуха.

Экспериментально нами установлено, что при нанесении гидроксида бария на поверхность кварцевого тигля, нагретого до температуры 100-150°С, последний полностью превращается в карбонат бария с образованием равномерного и однородного слоя, что улучшает качество покрытия. Для превращения гидроксида бария в карбонат бария в этих условиях вполне достаточно концентрации углекислого газа, находящегося в воздухе. В дальнейшем в процессе получения расплава и выращивании монокристалла кремния проходит реакция преобразования нестойкого карбоната бария в оксид бария и при более высоких температурах в равномерное керамическое покрытие BaSiO₃.

Способ осуществляется следующим образом.

Кварцевый тигель устанавливают в камеру тепла и нагревают до температуры поверхности тигля 100-150°С.

Готовую суспензию гидроксида бария заданной концентрации перемешивают в течение 9-12 минут и переносят в пульверизатор.

Кварцевый тигель, нагретый до температуры 100-150°С, помещают в камеру напыления, в которой находится воздух.

На поверхность тигля с помощью пульверизатора равномерно наносят рассчитанное количество суспензии гидроксида бария, который на поверхности тигля превращается в карбонат бария, образуя однородный равномерный слой.

Для более равномерного нанесения гидроксида бария тигель вращают. Суспензию гидроксида бария наносят на боковые стенки тигеля и донную часть. Если покрытие наносится на обе поверхности тигля, то сначала наносят покрытие на внутреннюю поверхность, затем на внешнюю поверхность. При нанесении гидроксида бария на внешнюю поверхность тигель переворачивают вверх дном и устанавливают на кольцо.

Предложенный способ позволяет подготовить тигли для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского, которые имеют равномерное однородное покрытие. Это покрытие не разрушается и не отслаивается в процессе получения расплава и выращивания слитка монокристалла.

Пример 1.

10 кварцевых тиглей диаметром 18 (45,72 см) устанавливали в камеру тепла и нагревали до температуры поверхности тигля 100°С.

Готовили суспензию гидроксида бария путем растворения 50 mM гидроксида бария в 500 мл деионизованной воды. Суспензию перемешивали в течение 10 минут и перенесли в пульверизатор.

Нагретые кварцевые тигли помещали в камеру напыления и равномерно наносили на внутреннюю поверхность тигля суспензию гидроксида бария - на боковые стенки и донную часть. Нанесение проводилось с помощью пульверизатора в атмосфере воздуха. Выжидали высыхания нанесенного слоя и повторяли нанесение слоя до расходования 50 мл суспензии гидроксида бария на каждый тигель.

Подготовленные тигли имеют равномерное однородное покрытие.

Тигли с нанесенным покрытием использовались для выращивания слитков монокристаллического кремния.

Пример 2.

10 кварцевых тиглей диаметром 18 (45,72 см) устанавливали в камеру тепла и нагревали до температуры поверхности тигля 120°С.

Готовили суспензию гидроксида бария путем растворения 130 mM гидроксида бария в 1300 мл деионизованной воды. Суспензию перемешивали в течение 12 минут и перенесли в пульверизатор.

Нагретые кварцевые тигли помещали в камеру напыления и равномерно наносили на внутреннюю поверхность тигля суспензию гидроксида бария - на боковые стенки и донную часть. Нанесение проводилось с помощью пульверизатора в атмосфере воздуха. Выжидали высыхания нанесенного слоя и повторяли нанесение слоя до расходования 50 мл суспензии на внутреннюю поверхность одного тигля. Затем тигли переворачивали и наносили равномерный слой суспензии на внешнюю поверхность каждого тигля. Выжидали высыхания слоя и повторяли нанесение до расходования 80 мл суспензии.

Подготовленные тигли имеют равномерное однородное покрытие.

Тигли с нанесенным покрытием использовались для выращивания слитков монокристаллического кремния.

Пример 3.

10 кварцевых тиглей диаметром 20 (50,8 см) устанавливали в камеру тепла и нагревали до температуры поверхности тигля 130°С.

Готовили суспензию гидроксида бария путем растворения 62 mM гидроксида бария в 620 мл деионизованной воды. Суспензию перемешивали в течение 10 минут и перенесли в пульверизатор.

Нагретые кварцевые тигли помещали в камеру напыления и равномерно наносили на внутреннюю поверхность тигля суспензию гидроксида бария - на боковые стенки и донную часть. Нанесение проводилось с помощью пульверизатора в атмосфере воздуха. Выжидали высыхания нанесенного слоя и повторяли нанесение слоя до расходования 62 мл суспензии гидроксида бария на каждый тигель.

Подготовленные тигли имеют равномерное однородное покрытие.

Тигли с нанесенным покрытием использовались для выращивания слитков монокристаллического кремния.

Пример 4.

10 кварцевых тиглей диаметром 20 (50,8 см) устанавливали в камеру тепла и нагревали до температуры поверхности тигля 150°С.

Готовили суспензию гидроксида бария путем растворения 160 mM гидроксида бария в 1600 мл деионизованной воды. Суспензию перемешивали в течение 12 минут и перенесли в пульверизатор.

Нагретые кварцевые тигли помещали в камеру напыления и равномерно наносили на внутреннюю поверхность тигля суспензию гидроксида бария - на боковые стенки и донную часть. Нанесение проводилось с помощью пульверизатора в атмосфере воздуха. Выжидали высыхания нанесенного слоя и повторяли нанесение слоя до расходования 60 мл суспензии на внутреннюю поверхность одного тигля. Затем тигли переворачивали и наносили равномерный слой суспензии на внешнюю поверхность каждого тигля. Выжидали высыхания слоя и повторяли нанесение до расходования 100 мл суспензии.

Подготовленные тигли имеют равномерное однородное покрытие.

Тигли с нанесенным покрытием использовались для выращивания слитков монокристаллического кремния.

Использование тиглей, подготовленных по заявляемому способу для выращивания монокристаллического слитка по методу Чохральского, позволило:

- повысить выход годных слитков на 10-15%;

- исключить отслаивание покрытия при проведении процесса выращивания монокристаллического слитка;

- исключить появление брака, связанного с загрязнением слитка по углероду.

Таким образом, заявленный способ позволяет улучшить равномерность и однородность покрытия кварцевого тигля, что приводит к увеличению выхода годного продукта и снижению брака при получении слитков монокристалла кремния.