Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского

Около 75% всего производства монокристаллического Si ведет­ся по методу Чохральского, который обеспечивает должный уровень качества, необходимый при изготовлении БИС (интегральных микро­схем большой степени интеграции).

Метод Чохральского основан на направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава.

Современная установка для выращивания по Чохральскому (рисунок 3.1) представляет большой агрегат высотой более 5 м, включающий рабочую камеру, электронагреватель, прецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования и газораспределения, устройства контроля и управления через ЭВМ.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов следующая.

3.5.1.1 Подготовка и загрузка исходных материалов. В тигель помещают поликристаллический Si, полученный хлоридным методом, легирующую примесь, отходы монокристаллов, вакуумируют рабочую камеру, расплавляют материалы в тигле и выдерживают при Т > Т_плавл
чтобы испарились летучие примеси.

3.5.1.2 Прогрев затравки. Затравка - это монокристаллический
стержень из Si малого диаметра, служащий центром кристаллизации.
Поперечное сечение затравки определяет ориентацию монокристалла: Δ - (III), □ - (100), ▬ - (110).

Рисунок 3.10 – Схема установки для выращивания слитков Si по методу Чохральского.

Прогревают затравку при высоких температурах, чтобы предотвратить термоудар, появление структурных несовершенств при опускании ее в расплав.

3.5.1.3 Выращивание шейки. Затравку опускают в расплав и с вы­сокой скоростью поднимают, при этом из расплава "вытягивается"
тонкий кристалл малого диаметра - шейка.

3.5.1.4 Разращивание и "выход на диаметр". За счет снижения
скорости "подъема до (1,5-3) мм/мин осуществляется увеличение
диаметра до заданного номинала.

3.5.1.5 Выращивание цилиндрической части в автоматическом ре­жиме. ЭВМ обеспечивает управление системами поддержания температуры, скорости вытягивания, подъема и опускания штока с затравкой,
вращения тигля.

3.5.1.6 Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава.

3.5.1.7 Медленное охлаждение кристалла, чтобы свести до минимума дефекты его структуры. Диаметр монокристаллических слитков
(75-100) мм, длина 1,5 м. Возможно выращивание слитков диаметром 150 мм и более. В заданную марку по удельному сопротивлению попа­дает обычно не более 50% длины слитка, остальная часть распределяется на другие марки или направляется снова в тигель для расплавления.

Недостатки метода Чохральского:

- растворение кварцевого тигля в расплаве Si со скоростью 10^-6 г/(cм². с), что обусловливает высокое содержание кислорода в слитке и малое удельное электрическое сопротивление, не более 10⁴ Ом∙м;

- неравномерное распределение примесей, дефектов по длине слит­ка и по площади кристалла.

Для выращивания высокочистых монокристаллов Si г применяют ме­тод бестигельной зонной плавки.