Напівпровідники
Завод напівпровідників
Завод
Виробництво напівпровідників. Ми виробляємо широкий спектр напівпровідникових матеріалів
НАПІВПРОВІДНИКИ
Іновації
та
дослідження
Завод напівпровідників використовує технологію Методу Чохральского
Метод Чохральського - метод вирощування монокристалів шляхом витягування їх догори від вільної поверхні великого об'єму розплаву з ініціацією початку кристалізації шляхом приведення витравочного кристала (або кількох кристалів) заданої структури та кристалографічної орієнтації в контакт із вільною поверхнею розплаву.
Може використовуватися для вирощування кристалів простих речовин і хімічних сполук, стійких за температур плавлення-кристалізації.
Метод найбільш відомий стосовно вирощування монокристалічного кремнію і монокристалічного германію.
За час промислового використання (починаючи з 1950-х років) були розроблені різні модифікації методу Чохральського. Так, для вирощування профільованих кристалів використовують модифікацію методу Чохральського, звану методом Степанова. Модифікація найбільш відома стосовно вирощування монокристалів сапфіра і кремнію.
В іноземній літературі для позначення матеріалів, отриманих методом Чохральського, а також для самого технологічного процесу й устаткування, використовуваного для вирощування злитків цим методом, використовують абревіатуру «CZ» (від англ. CZochralski Zone - порівн. з FZ - Float Zone). Наприклад: англ. «CZ-puller» або нім. «Die Ofen für CZ-Kristallzuechtung» установка для вирощування матеріалу методом Чохральського), «CZ-ingot» (кристал, вирощений методом Чохральського)
Кристал кремнію
Круглий затравочний кристал кремнію з фрагментом початку відтяжк
Історія - метод був розроблений польським хіміком Яном Чохральським і спочатку використовувався ним для вимірювання ступеня кристалізації металів (таких як олово, цинк, свинець).
За деякими неперевіреними відомостями, Чохральський відкрив свій знаменитий метод 1916 року, коли випадково впустив свою ручку в тигель із розплавленим оловом. Виймаючи ручку з тигля, він виявив, що слідом за металевим її пером тягнеться тонка нитка твердого олова. Замінивши перо ручки мікроскопічним шматочком металу, Чохральський переконався, що металева нитка, яка утворюється в такий спосіб, має монокристалічну структуру. В експериментах, проведених Чохральським, було отримано монокристали розміром близько одного міліметра в діаметрі і до 150 см завдовжки.
Чохральський виклав суть свого відкриття у статті «Новий метод вимірювання ступеня кристалізації металів», опублікованій у німецькому журналі «Zeitschrift für Physikalische Chemie» (1918)
У 1950 році співробітники американських Лабораторій Белла Гордон Тіл і Джон Літтл використали метод Чохральського для вирощування монокристалів германію високої чистоти, поклавши тим самим початок використанню методу Чохральського для промислового виробництва монокристалічних напівпровідникових кристалів, який на той час використовували головним чином для виробництва транзисторів.
Кварцовий тигель
Кварцовий тигель, заповнений подрібненим кремнієм
Характеристика. Метод відносять до тигельних, оскільки при вирощуванні використовуються контейнери з матеріалів, стійких до розплаву і захисної атмосфери установки. Під час вирощування кристалів із тигля відбувається забруднення розплаву матеріалом тигля (так для кремнію, що вирощується з кварцового тигля, головними забруднювальними елементами є кисень, бор, фосфор, алюміній, залізо, що містяться в кварцовому склі).
Метод характеризується наявністю великої відкритої площі розплаву, тому леткі компоненти і домішки активно випаровуються з поверхні розплаву. Відповідно, вмістом летких легуючих компонентів керують, змінюючи тиск і/або склад атмосфери в ростовій установці. Так, наприклад, з поверхні розплаву кремнію, що вирощується з кварцового тигля, активно випаровується монооксид кремнію - SiO, що утворюється під час розчинення матеріалу тигля. Концентрація кисню і рівномірність її розподілу в готовому злитку є важливими параметрами, тому тиск і швидкість протоки над розплавом аргонової захисної атмосфери, в якій злитки кремнію вирощують з 70-х років XX століття, зазвичай добирають експериментально й регулюють упродовж усього процесу.
Для забезпечення рівномірнішого розподілу температури і домішок за об'ємом розплаву затравочний кристал і монокристал, що наростає на ньому, та тигель із розплавом обертають, причому зазвичай у протилежних напрямках. Незважаючи на це, обертання у свідомо неоднорідному тепловому полі завжди призводять до появи на поверхні злитка неглибокої гвинтової нарізки. Ба більше, у разі несприятливих умов зростання, крім гвинтової нарізки, на поверхні сам злиток може рости у формі штопора (колінвала). Аналогічна картина і з розподілом домішок: незважаючи на обертання, уздовж фронту кристалізації завжди залишається нерухома ділянка розплаву змінної товщини, в якій впровадження компонентів розплаву в монокристал, що вирощується (наприклад, домішок), здійснюється повільно, виключно за рахунок дифузії. Це обумовлює нерівномірність розподілу компонентів розплаву по діаметру злитка (по перетину). Додатковим фактором, що впливає на розподіл домішок за перерізом, є стійкі і не стійкі турбулентні вихори в розплаві при вирощуванні злитків великого діаметра.
Для забезпечення рівномірнішого розподілу температури і домішок за об'ємом розплаву затравочний кристал, монокристал, що наростає на ньому, і тигель з розплавом обертають, причому зазвичай у протилежних напрямках. Незважаючи на це, обертання в явно неоднорідному тепловому полі завжди призводять до появи на поверхні злитка неглибокої гвинтової нарізки. Ба більше, у разі несприятливих умов зростання, крім гвинтової нарізки, на поверхні сам злиток може рости у формі штопора (колінвала). Аналогічна картина і з розподілом домішок: незважаючи на обертання, уздовж фронту кристалізації завжди залишається нерухома ділянка розплаву змінної товщини, в якій впровадження компонентів розплаву в монокристал, що вирощується (наприклад, домішок), здійснюється повільно, винятково за рахунок дифузії. Це обумовлює нерівномірність розподілу компонентів розплаву по діаметру злитка (по перетину). Додатковим фактором, що впливає на розподіл домішок за перерізом, є стійкі та нестійкі турбулентні вихори в розплаві під час вирощування злитків великого діаметра.
Вирощування кристала йде з вільної поверхні розплаву, не обмежується стінками контейнера (тигля), тому кристали, отримані методом Чохральського, менш напружені, ніж кристали, отримані іншими тигельними методами. Форма кристала близька до циліндричної, але при цьому проявляються спотворення, які визначаються тепловими умовами вирощування, швидкістю витягування, кристалічною структурою і кристалографічною орієнтацією вирощуваного злитка. Так, бездислокаційні злитки кремнію, що вирощуються в орієнтації [111], завжди мають виражене огранювання, тобто на циліндрі, як правило, формується одна чітка грань, нібито з циліндра зрізали сегмент висотою до 1/6 діаметра злитка, та дві нечіткі грані, нібито з циліндра зрізали сегмент заввишки в кілька міліметрів. Бездислокаційні зливки кремнію, що вирощуються в напрямі [100], за значного переохолодження прагнуть набути вираженого квадратного ограновування, причому зниження швидкості витягування сприяє прояву ограновування. Надмірне підвищення швидкості витягування та/або переохолодження розплаву нерідко призводять до того, що злиток набуває більш-менш гвинтоподібної форми (твістінг).
Ініціація процесу вирощування здійснюється шляхом введення в розплав затравочного кристала необхідної структури і кристалографічної орієнтації. Під час змочування затравки розплавом через поверхневий натяг у рідині на поверхні затравочного кристала спочатку утворюється тонкий шар нерухомого розплаву. Атоми в цьому шарі шикуються в упорядковану квазікристалічну решітку, що продовжує кристалічну решітку затравочного кристала. Таким чином, злиток, що вирощується, отримує ту саму кристалічну структуру, що й вихідний затравочний кристал.
Монокристал кремнію
Початкова стадія вирощування циліндричної частини монокристала кремнію в напрямку (100)
Етапи методу:
1. Готується наважка шихти і поміщається в контейнер (тигель). У разі великих наважок (десятки і сотні кілограмів) наважку намагаються формувати з невеликих шматочків (від 10 до 50 мм), щоб унеможливити руйнування контейнера та вихлюпування частини розплаву: під час плавлення тверді шматки, що залишаються у верхній частині наважки, в якийсь момент починають просідати і падати в розплав. Формування наважки з дрібніших фракцій наважки недоцільне, оскільки, не досягаючи температури плавлення, частинки можуть спікатися, утворюючи масивне тіло. Особливо небезпечним може бути плавлення дрібноподрібнених багатокомпонентних наважок, оскільки в зонах контакту частинок можуть утворюватися спайки.
2. При необхідності в установці створюється атмосфера з необхідними параметрами (для монокристалічного кремнію - це аргонова нейтральна атмосфера з тиском не більше 30 Торр).
3. Наважка шихти розплавляється, при цьому підведення енергії ведеться переважно знизу та з боків контейнера. Це пов'язано з тим, що при оплавленні навішування зверху вниз розплавлений матеріал стікатиме вниз і кристалізуватиметься на холоднішій шихті з ризиком руйнування стінок контейнера.
4. Виставляється таке положення рівня розплаву щодо нагрівача, за якого створюються необхідні умови для початку кристалізації винятково в центрі розплаву поблизу від його поверхні. Строго кажучи, класичний метод Чохральського, що стосується вирощування злитків кремнію діаметром понад 50 мм, має ще одну зону локального переохолодження поблизу зони контакту трьох фаз (розплав-тигель-атмосфера), проте, за відсутності витратних центрів, кристалізація в цій ділянці не починається. При цьому в ростовій установці виникають (які визначаються конструкцією теплового вузла) квазістаціонарні умови з певним градієнтом температурного поля, що забезпечує виникнення і підтримання стійких ламінарних потоків розплаву. Зазначено, що на кристалах великих діаметрів, крім ламінарних перемішувальних потоків в об'ємі розплаву, поблизу фронту кристалізації додатково формується певна непарна кількість турбулентних вихорів, які відповідають за нерівномірність розподілу домішок у зоні формування. Надалі необхідні умови забезпечуються, здебільшого, підтриманням сталості положення рівня розплаву щодо нагрівача. Зазначено, що на кристалах великих діаметрів, крім ламінарних перемішувальних потоків в об'ємі розплаву, поблизу фронту кристалізації додатково формується певна непарна кількість турбулентних вихорів, які відповідають за нерівномірність розподілу домішок у зоні формування. Надалі необхідні умови забезпечуються, здебільшого, підтриманням сталості положення рівня розплаву щодо нагрівача.
5. Система витримується в такому стані для стабілізації потоків і розподілу температури в системі. Для кремнію за різними даними час витримки може становити від 15 хвилин до кількох годин. Витримка може проводитися як пасивно (власне витримка), так і активно - супроводжуючись активною зміною режимних параметрів процесу.
6. Жорстка або гнучка підвіска (залежить від виробника обладнання) із закріпленим на ній затравочним кристалом необхідної структури та орієнтації опускається вниз, затравочний кристал приводиться в контакт із поверхнею розплаву та витримується там для прогріву й оплавлення зони контакту. Якщо зона контакту не була повністю оплавлена до початку росту, то, по-перше, можливе отримання кристала неналежної структури або орієнтації, а також надалі може статися розлом по недоплавленому місцю та падіння злитка в розплав.
7. Починається витягування затравочного кристала вгору в холодну зону. Під час витягування спочатку формується циліндр діаметром у кілька міліметрів - продовження затравочного кристала, що є особливо важливим під час вирощування бездислокаційних кристалів. Діаметр відтяжки може бути незмінним по довжині, хоча деякі виробники роблять його ступінчастим. Діаметр фінальної частини призатравочного циліндра намагаються зробити мінімальним (з урахуванням її міцності на розрив і наявних можливостей щодо корекції малого діаметра). Довжина циліндра для кристалів з різних матеріалів, при різних вимогах щодо структури та орієнтації зможуть коливатися від декількох міліметрів до декількох сотень міліметрів.
8. Потім за рахунок зниження температури і швидкості витягування діаметр призатравочного циліндра збільшують до необхідної величини, після чого витягають циліндр максимально можливої довжини. При цьому передбачається залишення деякого запасу розплаву для фінішних операцій процесу зростання. У разі витягування кристалів великої ваги деякі виробники формують потовщення у верхній частині кристала, призначені для роботи підтримувальних пристроїв. Такі пристрої зазвичай встановлюються на ростові установки з жорсткою підвіскою затравочного кристала.
9. Перед завершением процесса за счет увеличения температуры расплава и за счет некоторого увеличения скорости вытягивания диаметр кристалла постепенно уменьшают (длина формируемого конуса для слитков кремния диаметром более 300 мм и более может достигать 2 диаметров).
10. После завершения конуса и исчерпания остатков расплава производится отрыв слитка от расплава и постепенное охлаждение слитка до заданной температуры при некоторых условиях.
Все режимные параметры каждого из этапов процесса являются, как правило, ноу-хау конкретного производителя.
Анімація росту кремнієвого злитка в LCT-печі
