Технология получения кремния методом зонной плавки

В технологии формирования полупроводниковых соединений применение метода зонной плавки позволяет совместить в одном технологическом цикле сразу три операции: синтез, глубокую очистку синтезированного соединения и выращивание из него монокристалла.

Зонная плавка является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников. Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника. Монокристалл получают из расплава, однако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а только узкая зона, которая при перемещении вдоль кристалла втягивает в себя примеси.

Различают вертикальную (ВЗП) и горизонтальную (ГЗП) зонные плавки. Осуществление ВЗП возможно и в бестигельном варианте (БЗП).

В методе ВЗП стержень из поликристаллического кремния удерживается в вертикальном положении и вращается, в то время как расплавленная зона (высотой от 1 до 2 см) медленно проходит от нижней части стержня до его верха, как показано на рисунке.

1 - Держатель
2 - Обмотка нагревателя
3 - Монокристаллический кремний
4 - Затравочный монокристалл
5 - Держатель
6 - Расплавленная зона
7 - Стержень из поликристаллического кремния

Расплавленная область нагревается с помощью высокочастотного индукционного нагревателя и перемещается вдоль стержня от затравочного монокристалла. Поскольку большинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой, то по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка. Процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько индукторов для образования ряда зон плавления. Теоретически многократная зонная плавка позволяет очень глубоко очистить исходный материал. Однако на практике такого результата достичь невозможно, так как одновременно с очисткой и увеличением числа проходов расплав загрязняется примесями контейнера и окружающей среды.

Метод бестигельной зонной плавки БЗП. Применяется в основном для получения монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. Из-за отсутствия тигля при выращивании кристалла одновременно происходит и его очистка, так как примеси оттесняются в конец кристалла, благодаря чему кристаллы становятся значительно чище выращиваемых методом Чохральского. Для повышения степени очистки используют неоднократное перемещение зоны.

Скорость выращивания кристалла методом БЗП вдвое больше, чем по методу Чохральского, и в отличие от него затравка подводится снизу. Растущий кристалл "висит" на исходном поликристалле, откуда он вытягивается вниз от зоны расплава. Для обеспечения начального роста бездислокационного участка монокристалла сначала проводится вытягивание "тонкой шейки" диаметром 2-3 мм и длиной 10-20 мм, после чего кристалл доращивают до требуемого диаметра.

Современная технология БЗП позволяет выращивать монокристаллы диаметром до 125 мм благодаря использованию индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня. Для получения кристаллов большого диаметра в современных установках применяют одновитковую катушку типа "игольчатого ушка".

Основное условие успешного проведения БЗП - создание и поддержание стабильной зоны. Для этой цели используют многовитковые индукторы с расположением витков в одной плоскости. Во всех современных системах зонной плавки используется стационарное положение катушки, а поликристаллический стержень и растущий кристалл перемещают.

Причины возникновения структурных дефектов и меры борьбы с ними при получении монокристаллов данным методом почти полностью совпадают с причинами в методе Чохральского. Сравнение этих методов можно провести с помощью таблицы 1.

Таблица 1: Типичные параметры бездислокационных монокристаллов кремния, выращиваемых методами Чохральского и бестигельной зонной плавки.

Выращивание кремния по методу Чохральского

Оборудование для выращивания
монокристаллического кремния

Установка состоит из следующих блоков (см. рис.):

• печь,включающая в себя тигель (8), контейнер для поддержки тигля (14), нагреватель (15), источник питания (12), камеру высокотемпературной зоны (6) и изоляцию (3, 16);
• механизм вытягивания кристалла, включающий в себя стержень с затравкой (5), механизм вращения затравки (1) и устройство ее зажима, устройство вращения и подъема тигля (11);
• устройство для управления составом атмосферы(4 - газовый вход, 9 - выхлоп, 10 - вакуумный насос);
• блок управления,состоящий из микропроцессора, датчиков температуры и диаметра растущего слитка (13, 19) и устройств ввода;
• дополнительные устройства: смотровое окно - 17, кожух - 2.