Монокристалічний кремінь

Основний обсяг монокристалічного кремнію (80−90%) споживаного електронної промисловостью, выращиваеться методом Чохральского. Фактично весь кремний, используемый для производства інтегральних схем, производиться цим методом. Кристали вирощені цим методом звичайно містять крайових дислокаций, но можуть включати невеликі дислокационные петли, образующиеся при конденсації надлишкових точкових дефектів. Кристалічний зростання заключаеться в фазовому перехід з стану в тверду фазу. Що стосується кремнію той процес можна охарактеризувати як однокомпонентная ростовая система жидкость-твердое тело.

[pic] Зростання кристалів методом Чохральского заключаеться в затвердевании атомів рідкої фази за українсько-словацьким кордоном розділу Швидкість зростання определяеться числом місць лежить на поверхні зростаючого кристала приєднання атомов, поступающих з рідкої фазы, и особливостями теплопереноса за українсько-словацьким кордоном розділу фаз. Скорость витягування впливає на форму кордону розділу фаз між зростаючим кристалом і расплавом, яка являеться функцією радіального градієнта температури і умов охолодження бічний поверхні зростаючого кристалла.

Устаткування на шляху зростання кристалів. Установка для вирощування кристалів представлена на малюнку 2, и включає у собі 4 основних узла:

[pic] 1. Печь куди входять тигель, контейнер, механізм вращения, нагреватель, источник пітания і камера. 2. Механизм витягування кристала у якому стержень, или ланцюг з затравкой, механизм обертання початку і пристрій для затискача початку. 3. Устойство керувати складом атмосфери, що складається з газових источников, расходомеров, системи продувки і вакуумної системи. 4. Блок управления, в яку микропроцессор, датчики та внутрішнього облаштування вывода.

Тигель є найважливішим елементом ростовий системы. Так як тигель містить расплав, его матеріал може бути хімічно інертний стосовно розплавленому кремнію. Це основна вимога до під час виборів матеріалу тигля, так як електричні властивості кремнію чутливі навіть до таких рівням домішки, як 10(-7)ат.%.Кроме того, материал тигля повинен мати високої температури плавления, обладать термічної стабільністю і міцністю. Він також може бути недорогим чи мати здатність до багаторазовому використанню. До сожалению, расплавленный кремній розчиняє майже всі використовувані матеріали (наприклад карбиды тугоплавких металів TiC чи TaC, тем самим сприяючи занадто високого рівня металевих домішок в дедалі вищому монокристалле. Тигли з карбіду кремнію також неприемлимы. Несмотря те що що вуглець являеться електрично нейтральній домішкою в кремнии, вырастить високоякісні монокристали кремнію з расплавов, насыщенных углеродом, не удаеться. Ставлення діаметра тигля для її висоті у великих установках =1 чи трохи перевищує цю значення Зазвичай діаметр тигля дорівнює 25,30 чи 35 см. для обсягу завантаження 12,20 і 30 кг. відповідно. Товщина стінок тигля дорівнює 0.25см, однако кварц недостатньо тверд, чтобы використати його як контейнера для механічної підтримки расплава. После охолодження невідповідність термічних коефіцієнтів лінійного розширення між котрі залишились у тиглі кремнієм і кварцом призводить до растрескиванию тигля. Можливість використання нітриду кремнію в качестве матеріалу для тиглів було продемонстровано при осадженні нітриду з парогазових сумішей на стінки звичайного тигля. Контейнер используеться на підтримку кварцівого тигля .Як матеріалу для контейнера служить графит, поскольку він має хорошими высокотемпературными свойствами. Обычно використовують сверхчистый графит. Высокая ступінь чистоти необхідна запобігання забруднення кристалла, примесями, которые выделяються з графіту при високих температур процесу. Контейнер встановлюють на пьедестал, вал якого з'єднаний із двигуном, які забезпечують вращение. Все пристрій можна піднімати чи опускати підтримки рівня розплаву лише у фіксованою точке, что необхідне автоматичного контролю діаметра зростаючого зливка. Камера високотемпературного вузла установки має відповідати певним требованиям. Прежде всього вона повинна переважно забезпечувати легкий доступом до деталей вузла для полегшення завантаження і очистки. Высокотемпературный вузол може бути старанно герметизирован, дабы запобігти забруднення системи з атмосфери Крім того, должны бути передбачені спеціальні устройства, предотвращяющие нагрівання будь-якого вузла камери до температуры, при якої тиск парів її матеріалу можуть призвести до забруднення кристалла. Как правило, наиболее сильно нагреваемые деталі камери мають водне охлаждение, а між нагревателем і стінками камери встановлюють теплові екрани. Для розплавлювання матеріалу завантаження використовують переважно високочастотний індукційний чи резистивный нагрев. Индукционный нагрівання застосовують при малому обсязі загрузки, а резистивный-исключительно у великих ростових установках. Резистивные нагрівачі за 23−24-відсоткового рівня потужності порядку кількох десятків кіловат зазвичай менше по размеру, дешевле, легче у виготовленні і більше эффективны. Они є графітовий нагрівач, з'єднаний з джерелом постійного напряжения.

Механізм витягування кристала. Механізм витягування кристала повинний від минимальной вібрацією і високої точністю забезпечити реалізацію двох параметрів процесу зростання: -швидкості витягування; -швидкості обертання кристала. Затравочный кристал изготавливаеться із точною (не більше встановленого допуска) ориентацией, тому власник початку і механізм витягування повинні постійно тримати його перпендикулярно поверхні розплаву. Направляючі гвинти часто используються для піднесення та обертання зливка. Цей метод позволяет безпомилково центрировать кристал относительно тигля, однак за вирощуванні зливків великий довжини може бути необхідної дуже велика висота установки. Поэтому, коли підтримку необхідної точності при виращивании довгих зливків не обеспечиваеться гвинтовим устройством, приходиться застосовувати многожильные тросы. В цьому випадку центровка становища монокристала і тигля утруднена. Більше того, в процесі намотування троса можливо виникнення маятникого эффекта. Тем щонайменше застосування тросів забезпечує плавне вытягивание зливка з расплавава, а за умови їхнього намотування на барабан висота установок значно уменьшаеться. Кристал виходить із високотемпературної зони системою продувки, де газовий поток-в разі, якщо вирощування пропереводитися у газовій атмосфере-движеться вздовж поверхні слитка, приводя для її охолодження. З системи продувки зливок потрапляє у верхню камеру, которая зазвичай відділена високотемпературної зони ізолюючим клапаном.

Устройство керувати складом атмосферы.

Рост монокристала методом Чохральского повинен проводитися в інертної середовищі чи вакууме, что викликано такими причинами: 1) Нагріті графітові вузли мали бути зацікавленими захищені від впливу кисню задля унеможливлення эррозии; 2) Газова атмосфера має розпочинати хімічну реакцію з расплавом кремнію. Вирощування кристалів в вакуумі задовольняє зазначеним вимогам, і, ще, має низку преимуществ, в частковості, сприяє видалення із системи моноокиси кремнію, цим передітвращаяет її осадження на стінках камеры. При вирощуванні у газовій атмосфері найчастіше використовують інертні гази: аргон і гелій. Інертні гази могот перебувати при атмосферному чи зниженому давлении. В промислових виробництві цих цілей використовуються аргон що объясняеться його низькою вартістю. Оптимальний витрати становить 1500л на 1 кг вирощеного кремния. Аргон вступає у камеру при випаровуванні з рідкого джерела і має відповідати вимогам високої чистоти щодо змісту влаги, углеводородов, та інших примесей.

Блок управления.

Блок управління може охоплювати у собі різні приборы. Он призначений контролю і управління такими параметрами процесса, как температура, диаметр кристалла, скорость витягування і швидкість вращения. Контроль можна проводити по замкненому чи разомкнутому контуру. Параметры, включающие швидкості витягування і вращения, имеют велику швидкість відгуку і найчастіше контролируються за принципом замкнутого контуру із другого зв’язком. Велика теплова маса звичайно вимагає короткочасного контролю температуры. Например контролю діаметра зростаючого кристала інфракрасный датчик температури то, можливо сфокусований за українсько-словацьким кордоном розділу фаз розплавмонокристал і використаний визначення температури мениска. Выход датчика пов’язані з механізмом вытягивающего пристрої і контролирует діаметр зливка шляхом зміни швидкості вытягивания. Наиболее перспективними управляючими є цифрові мікропроцесорні системы. Они дозволяють зменшити участь оператора в процесі вирощування і можливість організувати програмное управління багатьма етапами технологічного процесса.

Схема установки для вирощування кристаллов.

[pic] 1. затравочный шток 2. верхний кожух 3. изолирующий клапан 4. газовый вхід 5. держатель початку і запал 6. камера високотемпературної зони 7. расплав 8.тигель 9. выхлоп 10.вакуумный насос 11. устройство обертання і підйому тигля 12. система контролю та генератор 13. датчик температури 14. пьедестал 15.нагреватель 16. изоляция 17.труба для продувки 18. смотровое вікно 19. датчик контролю діаметра зростаючого слитка.

Список літератури: 1. Технология СБИС під редакцією С.ЗИ., МОСКВА"МИР"1986 2. Оборудование напівпровідникового виробництва Блинов, Кожитов,"МАШИНОСТРОЕНИЕ"1986.

Навчально-дослідницька робота на задану тему: «Вирощування монокристалів методом.

Чохральского".

ст.пр. Каменєв Г. Б. студ.гр.Э-92 Васильєв А.Е.

Москва, 1996.