Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

монокристалл-пластина требуют создания прецизионных большегрузных, высокопроизводительных и полностью автоматизированных ростовых установок. Если, например, в производстве монокристаллов кремния диаметром 200 мм используются печи с загрузкой до 150 кг, а диаметром 300 мм - до 250...300 кг, то переход на выращивание монокристаллов диаметром 450 мм требует создания ростового оборудования на загрузку 550...600 кг. При этом диаметр используемых кварцевых тиглей увеличивается до 0,9... 1,0 м [1].

В настоящее время основной продукцией на мировом рынке полупроводникового кремния являются монокристаллы и пластины диаметром 150 и 200 мм. В 2001 г. ведущие производители кремния начали производство бездислокационных монокристаллов и пластин диаметром 300 мм. Ожидается, что к 2005-2006 гг. объемы производства пластин диаметром 300 мм сравняются с таковыми для пластин диаметром 200 мм, а в дальнейшем существенно их превысят. Кроме того, следует иметь в виду, что уже разработана и проходит опытно-промышленное опробование технология выращивания бездислокационных монокристаллов (и изготовления из них пластин) диаметром 400...450 мм.

Однако решение проблемы выращивания монокристаллов больших диаметров за счет последовательного увеличения массы исходной загрузки и размеров используемых кварцевых тиглей на каждом новом этапе увеличения диаметра слитка становится все менее экономически эффективным, т. к. связано с существенным увеличением энергозатрат, удорожанием тиглей и повышением расходов на обеспечение безопасных условий труда. С этой точки зрения особого внимания заслуживает метод вытягивания расплава с непрерывной подпиткой гранулированным или измельченным поликристаллическим кремнием. Основным преимуществом этого метода является возможность выращивать кристаллы большой массы из относительно небольшой и постоянной по объему ванны расплава в тиглях меньшего размера. Есть и другие принципиальные преимущества: обеспечение повышения однородности распределения примесей по длине и в поперечном сечении выращиваемого кристалла; решается проблема поддерживания постоянной формы фронта кристаллизации и неизменных тепловых условий у границы раздела кристалл -расплав на протяжении практически всего процесса. В настоящее время этот метод доведен до уровня промышленного использования.

С точки зрения повышения экономических показателей процесса несомненно перспективен и метод полунепрерывного вытягивания монокристаллов с периодической дозагрузкой горячего кварцевого тигля

через специальный бункер без разгерметизации и охлаждения ростовой установки. Серьезной и пока до конца не решенной проблемой в данном случае (как, впрочем, и в предьщущем) является постепенное накопление нежелательных фоновых примесей в расплавленной ванне (и, соответственно, в выращиваемом монокристалле) по мере увеличения количества дозагрузок. Существенно сдерживают широкое развитие метода и недостаточные механическая прочность и термостойкость используемых в настоящее время большегрузных кварцевых тиглей. Однако в этом направлении в последние годы наметились серьезные положительные сдвиги.

Весьма существенную роль в получении высококачественных монокристаллов больших диаметров играет конструкция теплового узла ростовой установки. Оптимизация тепловых узлов современных ростовых установок для выращивания монокристаллов проводится не только с учетом необходимости прецизионного управления процессами тепло- и массопереноса (ТМП) в расплаве большой массы, но и тепловыми полями в выращиваемом монокристалле. Именно такой подход обеспечивает сегодня получение бездислокационных монокристаллов кремния большого диаметра с контролируемыми природой и плотностью присутствующих в них микродефектов.

Оптимизация тепловых узлов требует проведения достаточно трудоемких исследований по установлению связи тепловых условий выращивания с электрофизическими характеристиками и структурными особенностями получаемых кристаллов. По мере увеличения диаметра выращиваемых монокристаллов такие исследования становятся все более трудоемкими и требуют больших материальных затрат. В связи с этим, в последние годы для оптимизации конструкций тепловых узлов ростовых установок и тепловых условий выращивания монокристаллов все шире используются методы математического и физического моделирования, учитывающие не только тепловые особенности моделируемых ростовых процессов, но и конкретные механизмы дефектообразования в выращиваемых кристаллах (см., например, [2]).

В последние годы для управления процессами ТМП в расплавах большой массы начинают широко использовать электромагнитные воздействия на расплав с помощью магнитных устройств на основе сверхпроводящих материалов. Наибольшее распространение получило использование постоянных магнитных полей. Однако интенсивно исследуются и возможности переменных электромагнитных воздействий, в первую Очередь вращающих. Электроштнитные воздействия за счет существен-



ного увеличения эффективной вязкости расплавов полупроводниковых материалов позволяют практически полностью подавить турбулентные течения в расплавленной ванне, обусловленные тепловой конвекцией, и тем самым резко снизить уровень колебаний температуры в подкрис-тальной области расплава (а соответственно, и уровень обусловленных ими колебаний скорости кристаллизации). Это приводит к существенному повышению однородности распределения примесей и уменьшению содержания структурных дефектов в объеме выращиваемых монокристаллов. Вместе с тем, в условиях различных электромагнитных воздействий существенно расширяются возможности создания контролируемых гидродинамических потоков, обеспечивающих оптимизацию условий ТМП в расплаве. В этом плане особого внимания заслуживают комбинированные электромагнитные воздействия [3].

Тегшовые узлы современных ростовых установок изготавливаются из особо чистого изотропного графита (нагреватели, тигли, подставки) при широком использований углеродсодержащих композитных материалов, обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами (экраны).

При конструировании современных большегрузных установок выращивания монокристаллов больших диаметров приходится одновременно решать проблему создания надежной системы поддержки очень тяжелого слитка в процессе его вытягивания, а также оснащения соответствующих производственных участков вспомогательным оборудованием для транспортировки и монтажа графитовых деталей теплового узла и кварцевых тиглей, для выфузки и транспортировки выращенного кристалла и его калибровки, обеспечения безопасных условий труда. Все это предполагает повышение уровня автоматизации, роботизации и стандартизации соответствующих процессов, для чего необходимо более широкое оснащение технологического и вспомогательного оборудования средствами современной высокочувствительной сенсорной техники.

В применении к монокристаллам разлагающихся полупроводниковых соединений (GaAs, InP, GaP, CdTe и др.) метод Чохральского реализован в варианте жидкостной герметизации расплава в тигле слоем борного ангидрида. Получение монокристаллов осуществляется в полностью автоматизированных установках высокого давления, обеспечивающих выращивание слитков диаметром до 150 мм и массой до 30 кг. При этом используют как совмещенный, так и раздельный процессы синтеза исходного соединения и выращивания монокристаллов. В качестве материалов для изготовления тиглей применяются кварцевое стекло и пиролитический нитрид бора.

Если проблема получения бездислокационных монокристаллов кремния большого диаметра при выращивании по методу Чохральского решается сравнительно просто, то на пути получения этим методом крупногабаритных малодйслокационых монокристаллов большинства полупроводниковых соединений возникают принципиальные сложности. Они обусловлены, в первую очередь, существенно более низкими значениями критических напряжений образования дислокаций в этих материалах, их меньшей теплопроводностью и трудностью обеспечения стехиометрического состава в процессе выращивания.

Для снижения шютности дислокаций в выращиваемых монокристаллах, в данном случае широко используется легирование до сравнительно высоких концентраций так называемыми упрочняющими примесями, повышающими критические напряжения образования дислокаций в соответствующих материалах. В качестве таких упрочняющих примесей хорошо зарекомендовали себя изовалентные примеси, обладающие высокой растворимостью в соответствующих полупроводниковых материалах и слабо влияющие на их электрофизические свойства (например, In в монокристаллах GaAs; Zn в монокристаллах CdTe).

Однако более предпочтительным способом получения малодислокационных монокристад.чов является снижение уровня термических напряжений в выращиваемом из расплава слитке, поскольку именно термопластическая деформация является в данном случаем основной причиной генерации в нем дислокаций. Так как уровень термических напряжений напрямую связан с величиной осевых и радиальных температурных фадиентов в выращиваемом кристалле, то естественно возникает задача снижения последних. При этом принципиально важным является линейный или близкий к нему характер осевого распределения температуры в кристалле в области, прилегающей к фронту кристаллизации.

Выполнить эти условия в традиционном процессе вытягивания монокристаллов из-под слоя герметизирующего флюса, без существенного поверхностного разложения слитка в области над флюсом, не удается. Новые возможности в этом плане предоставляет разработанный сравнительно недавно способ выращивания монокристаллов по методу Чохральского с жидкостной герметизацией расплава, в условиях поддержания в газовой атмосфере ростовой камеры над слоем флюса контролируемого давления паров летучего компонента соответствующего соединения, позволивший решить задачу создания необходимых тепловых условий выращивания, не опасаясь поверхностного разложения ра-



стущего кристалла. Сегодня этот метод успешно используется для получения монокристаллов GaAs и InP больших диаметров (до 150 мм и 75 мм, соответственно) с плотностью дислокаций < (1...2) 10 * см~.

Наиболее перспективными методами выращивания малодислокационных монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений больших геометрических размеров являются методы горизонтальной (ГНК) и вертикальной (ВНК) направленной кристаллизации в контейнере, размещаемом в запаянной кварцевой ампуле. Оба метода позволяют выращивать монокристаллы при достаточно низких температурных градиентах, в условиях строгого контроля стехиометрии. В последние годы все большее предпочтение отдается методу ВНК, который обеспечивает получение кристаллов цилиндрической формы в условиях осе-симметричного теплового поля и поддержания плоского фронта кристаллизации, а также отсутствия тепловой конвекции в расплаве. Специальная подготовка контейнеров из кварца или нитрида бора позволяет исключить их отрицательное влияние на качество выращиваемых монокристаллов. Особенно перспективным вариантом реализации метода ВНК является кристаллизация в условиях движущегося температурного фадиента . В настоящее время методом ВНК в промышленных условиях успешно выращиваются монокристаллы GaAs диаметром до 150 мм и массой 15...30кг, с плотностью дислокаций <5- 10см~ и с высокой однородностью распределения электрофизических свойств в объеме.

В последние годы резко повысился интерес к таким широкозонным полупроводниковым материалам как карбид кремния и нитриды элементов III фуппы Периодической системы. Эти материалы обладают очень высокими температурами плавления и чрезвычайно высокими давлениями паров летучих компонентов над собственными расплавами. Для выращивания достаточно крупных монокристаллов этих материалов приходится использовать кристаллизацию из растворов и различные методы кристаллизации из газовой фазы, в том числе в аппаратуре высокого давления. Получение достаточно крупных и совершенных монокристаллов этих широкозонных полупроводников связано с преодолением большого количества принципиальных сложностей и, за исключением карбида кремния, еще не вышло за рамки лабораторных исследований.

Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов в современных интефальных схемах диктует необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов, обусловленных, в первую

очередь, присутствием в активной области приборной композиции остаточных примесей и структурных дефектов, способных образовывать в полупроводниковом материале электрически- и рекомбинационноактив-ные центры. В связи с этим существенно ужесточаются требования к чистоте используемых в твердотельной электронике монокристаллов. Достаточно сказать, что в бездислокационных монокристаллах кремния большого диамефа, применяемых для изготовления ультрасверхбольших интегральных схем, суммарное содержание быстродиффундирующих примесей тяжелых металлов не должно превышать Ю ат/см, а углерода - (1...2)-10 ат/см. Большое внимание уделяется также обеспечению заданной концентрации и равномерного распределения кислорода в объеме кристалла (разброс концентрации в поперечном сечении <3...5 %).

Очень жесткие требования по содержанию электрически активных фоновых примесей выдвигаются и при решении проблемы получения высококачественных нелегированных полуизолирующих монокристаллов GaAs и InP, используемых в производстве дискретных приборов и интегральных схем СВЧ-диапазона. В данном случае помимо примесей тяжелых металлов необходимо сфого офаничивать содержание в монокристаллах примесей элементов II и VI фупп Периодической системы - Zn, Cd, Mg, S, Se, Те и др. (< 1 lO ат/см), а также кремния (< 1 Ю* ат/см) и углерода (< 1 Ю ат/см).

Весьма существенная роль в решении проблемы чистоть! отводится исходным и вспомогательным (технологические газы; материалы контейнеров, нафевательных элементов и тепловых экранов; химические реактивы и т. д.) материалам, содержание лимитирующих остаточных примесей в которых не должно превышать 10 ... 10 %. Тем не менее очень многое зависит и от обеспечения стерильности самого ростового процесса. Особенно велика вероятность дополнительного зафязнения материала на стадии его подготовки к зафузке и в процессе осуществления самой этой операции (все необходимые операции, связанные с финишной подготовкой как исходной зафузки, так и контейнера, а также их размещением в ростовой камере, должны проводиться в особо чистых условиях). Транспортировка подготовленной зафузки к ростовой установке осуществляется в специальной чистой герметизированной таре. Серьезное внимание уделяется процессу подготовки самой ростовой установки, в том числе предварительному отжигу фафитовых деталей теплового узла (и их хранению), а также исключению сильного перегрева расплава на стадии расплавления зафузки.



1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка