УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА И СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА Российский патент 1998 года по МПК C30B15/14 C30B15/00 

Изобретение относится к способу и устройству для выращивания монокристалла из кремния по методу Чохральского. Основной признак этого метода заключается в том, что затравочный монокристалл в закрытом от окружающего пространства контейнере приводят в контакт с расплавленным материалом, находящимся наготове в тигле, и с определенной скоростью вытягивают из расплава, причем на его нижней стороне начинает расти монокристалл. Многие установки для выращивания монокристаллов вытягиванием оборудованы экранирующим растущим монокристалл трубчатым до конусообразного тела. В патенте США N 4330362 описано экранирующее монокристалл тело, конически сужающееся в сторону расплава, что придает ему чашеобразный внешний вид. Такие тела, окружающие растущий монокристалл по всей его длине или части длины, экранирует теплоизлучение, идущее от стенки тигля. Вследствие этого монокристалл можно вытягивать с большой скоростью.

Во время вытягивания монокристалла непрерывно образуется монооксид кремния, улетучивающийся в виде газа в пространство контейнера над расплавом. Контейнер продувают инертным газом с тем, чтобы монооксид кремния не мог осаждаться в виде твердого вещества на холодных частях в зоне тигля установки, попасть на фронт кристаллизации на монокристалле и вызвать дислокации в кристалле. Принято направлять инертный газ к поверхности расплава и отсасывать из контейнера вместе с образующимся монооксидом кремния. Экранирующее монокристалл тело делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части. Поток инертного газа для удаления монооксида кремния направляют, как правило, к поверхности расплава через нижнюю часть пространства контейнера. Он попадает тогда между нижним концом экранирующего тела и поверхностью расплава во внешнюю часть пространства контейнера и, наконец, к предусмотренному в стенке контейнера всасывающему отверстию.

При выращивании легированных сурьмой или мышьяком кристаллов в глаза бросается то, что определенные, требующие высокого содержания легирующей примеси в монокристалле спецификации продукта почти не достижимы или достижимы лишь в очень малом количестве. Введение легирующей примеси в высоких концентрациях тем сложнее, чем больше диаметр растущего монокристалла. Давление пара названных легирующих примесей в жидком кремнии довольно высокое, так что расплав быстро теряет легирующую примесь. Поэтому были предприняты попытки пересыщения расплава легирующей примесью с тем, чтобы компенсировать ее дефицит. К сожалению, такие мероприятия способствуют возникновению дислокаций в монокристалле, который тогда посредством отнимающей много времени операции приходится снова расплавлять, прежде чем его можно будет продолжить вытягивать. Тем временем, как правило, тигель покидает опять столько легирующей примеси, что больше не удается достичь требуемой нормы, с которой легирующая примесь должна быть введена в кристаллическую решетку.

Задача описанного ниже изобретения состояла поэтому в усовершенствовании выращивания монокристаллов из кремния по методу Чохральского так, чтобы можно было выращивать также монокристаллы с высоким содержанием мышьяка или сурьмы без трудностей и с хорошим выходом.

Объектом настоящего изобретения является устройство для выращивания монокристалла из кремния по методу Чохральского, состоящее, в основном, из продуваемого инертным газом контейнера, размещенного в нем тигля для расплава, приспособления для вытягивания монокристалла из расплава и экранирующего растущий монокристалл трубчатого до конусообразного тела, которое делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части, причем инертный газ, направляемый во внутреннюю часть пространства контейнера к расплаву, попадает между нижним концом тела и поверхностью расплава во внешнюю часть пространства контейнера, отличающееся тем, что тело имеет, по меньшей мере, одно отверстие, через которое инертный газ может попадать непосредственно из внутренней части во внешнюю часть пространства контейнера.

Предметом изобретения является также способ выращивания монокристаллов из кремния по методу Чохральского, при котором в контейнере из находящегося наготове в тигле расплава вытягивают монокристалл, причем монокристалл окружен экранирующим его трубчатым до конусообразного телом, которое делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части, и поток инертного газа направляют через внутреннюю часть пространства контейнера к поверхности расплава и между нижним концом тела и поверхностью расплава во внешнюю часть пространства контейнера, отличающийся тем, что часть потока инертного газа направляют через одно отверстие в теле непосредственно из внутренней части во внешнюю часть пространства контейнера.

Неожиданным образом оказалось, что предложенных изменений в способе и устройстве достаточно, чтобы избежать возникавших до сих пор трудностей при выращивании высоколегированных сурьмой или мышьяком монокристаллов из кремния. Изобретение имеет особое преимущество для выращивания монокристаллов диаметром свыше 100 мм, поскольку в расплаве, из которого вытягивают монокристалл, не требуется, как прежде, поддерживать концентрацию легирующей примеси выше степени насыщения. Кроме того, следует отметить, что способ влияет также на введение кислорода в монокристалл и поэтому имеет важное значение для выращивания монокристаллов из кремния. Этот дополнительный эффект не зависит от вида и количества намеренно вводимых легирующих примесей и возникает, например, также при легировании бромом или фосфором. Он выражается в том, что содержание кислорода, замеряемое в готовом монокристалле, изменяют в зависимости от числа и величины отверстий в экранирующем монокристалл теле. Можно повлиять как на абсолютное значение поглощенного монокристаллом кислорода, так и на характер изменения концентрации кислорода в монокристалле в осевом направлении. Так может быть достигнута, например, концентрация кислорода, более или менее сильно уменьшающаяся от вершины к основанию монокристалла.

Возможное объяснение тому, что изобретение прежде всего упрощает выращивание легированных сурьмой и мышьяком монокристаллов из кремния, основано на том, что оказывают благоприятное влияние соотношения потоков в газовом пространстве над поверхностью расплава.

Фиг. 1-4 показывают соответственно продольный разрез для выращивания монокристаллов по методу Чохральского. Изображены только признаки, необходимые для понимания изобретения.

Фиг. 5-12 показывают продольные разрезы предпочтительных форм исполнения экранирующего монокристалл тела. Одинаковые, используемые на разных фигурах ссылочные позиции, указывают на одинаковые признаки устройства. Сначала следует сослаться на фиг. 1-4. Устройство согласно изобретению состоит из контейнера 1, в котором размещен тигель 2, заполненный расплавленным кремнием и, при необходимости, введенной легирующей примесью. Из расплава 3 с помощью приспособления 4 вытягивают монокристалл 5. Монокристалл окружен экранирующим его симметричным относительно оси вращения телом 6, которое делит пространство контейнера на внутреннюю 7 и внешнюю 8 части. Расстояние между нижним концом 9 тела и поверхностью 10 расплава составляет преимущественно 5-50 мм, так что инертный газ, обозначенный на фиг. 1-4 стрелками, направляют во внутреннюю часть 7 пространства контейнера, через промежуточное пространство между нижним концом 9 тела и поверхностью 10 расплава он может попасть во внешнюю часть 8 пространства контейнера. Дальнейший путь потока инертного газа из внешней части 8 пространства контейнера до одного или нескольких всасывающих отверстий 11 в стенке контейнера также обозначен стрелками. Экранирующее монокристалл тело 6 может иметь форму трубы или конуса. У конусообразного тела расстояние между монокристаллом и внутренней стенкой тела уменьшается в направлении нижнего конца тела. У трубчатого тела это расстояние остается неизменным по всей высоте тела. Высота тела имеет в связи с настоящим изобретением второстепенное значение, при условии, что превышена определенная минимальная высота, и гарантировано, что особенно горячие зоны растущего монокристалла экранированы телом. Например, изображенное на фиг. 4 тело 6 проходит от верхнего ограничения контейнера 1 в тигель 2. Согласно настоящему изобретению, окружающая монокристалл стенка тела закрыта не полностью, а имеет, по меньшей мере, одно отверстие 12, через которое поток инертного газа, направленный во внутреннюю часть пространства контейнера к поверхности 10 расплава, попадает непосредственно во внешнюю часть 8 пространства контейнера. За счет общей площади отверстия можно установить определенное соотношение разделения, с помощью которого поток инертного газа разделяется на частичные потоки, покидающие внутреннюю часть 7 пространства контейнера различным образом.

Предпочтительно, что протекающий через отверстие 12 в теле 6 частичный поток попадает во внешнюю часть пространства контейнера, будучи равномерно радиально распределенным. Так, с равными промежутками на одной линии окружности тела могут быть предусмотрены несколько отверстий, например, просверленных. Согласно изображенной на фиг. 1 форме исполнения, отверстие 12 в теле 6 состоит из множества прорезей, выполненных с равными промежутками по периферии тела. Особенно предпочтительные формы исполнения экранирующего монокристалл тела изображены на фиг. 5-12. В качестве отверстия в теле предложена прорезь 12, которая проходит по периферийной линии тела и прервана только крепежными подкосами 13, несущими нижнюю часть тела. Могут быть предусмотрены также две или более прорези. Предпочтительная ширина прорези составляет 5-50 мм. Экранирующее монокристалл тело ограничено на своем нижнем конце, выполненным преимущественно в форме кольца экраном 14, отстоящим от поверхности расплава параллельно ей. Формы исполнения на фиг. 5, 8, 9 и 12 отличаются от остальных изображенных форм исполнения положением прорези 12 относительно поверхности экрана. В то же время, как в первых формах исполнения нижняя, удерживаемая крепежными подкосами часть тела образована только экраном, эта часть в других формах исполнения состоит из экрана и прилегающей к ней части цилиндрической или конусообразной стенки тела.

За счет формы экрана можно дополнительно оказать влияние на характер потока в пространстве контейнера над расплавом. Предпочтительно, что внутренняя кромка 15 экрана входит во внутреннюю часть пространства контейнера и отстоит от монокристалла на расстояние 10-80 мм. Наружный диаметр экрана можно выбрать так, что экран своей наружной кромкой 16 входит во внешнее пространство контейнера и отстоит на расстояние, например, 10-80 мм от внутренней стенки тигля. Наружный диаметр экрана не должен быть, однако, меньше наружного диаметра цилиндрической или конусообразной части тела, прилегающей к поверхности экрана (формы исполнения на фиг. 7 и 11) или направленной к этой поверхности (формы исполнения на фиг. 12).

Использование: выращивание монокристаллов методом Чохральского. Сущность изобретения: объектом изобретения является устройство для выращивания монокристалла из кремния по методу Чохральского, содержащее экранирующее растущий монокристалл трубчатое до конусообразного тело, которое делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части, причем тело имеет одно отверстие, через которое инертный газ, направляемый во внутреннюю часть пространства контейнера, может попадать непосредственно в его внешнюю часть. Объектом изобретения является также способ выращивания монокристалла из кремния по методу Чохральского, при котором часть потока инертного газа направляют через одно отверстие в трубчатом до конусообразного теле из внутренней части во внешнюю часть пространства контейнера. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для выращивания монокристалла кремния по методу Чохральского, состоящее из продуваемого инертным газом контейнера, размещенного в нем тигля для расплава, приспособления для вытягивания монокристалла из расплава и экранирующего растущий монокристалл полого тела вращения, которое делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части, причем инертный газ, направляемый во внутреннюю часть пространства к расплаву, попадает между нижним концом полого тела и поверхностью расплава во внешнюю часть пространства контейнера, отличающееся тем, что полое тело имеет боковую стенку с по меньшей мере одним отверстием, через которое инертный газ может попадать непосредственно из внутренней части во внешнюю часть пространства контейнера. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полое тело выполнено цилиндрическим или конусообразным. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отверстие в боковой стенке полого тела выполнено в виде прорези, проходящей по периферийной линии полого тела. 4. Устройство по одному из пп.1 3, отличающееся тем, что нижний конец полого тела выполнен в виде кольцеобразного экрана. 5. Способ выращивания монокристалла кремния по методу Чохральского, включающий следующие операции: в контейнере из находящегося наготове в тигле расплава вытягивают монокристалл, причем монокристалл окружен экранирующим его полым телом вращения, которое делит пространство контейнера над расплавом на внутреннюю и внешнюю части, и поток инертного газа направляют через внутреннюю часть пространства контейнера к поверхности расплава и между нижним концом полого тела и поверхностью расплава во внешнюю часть пространства контейнера, отличающийся тем, что часть потока инертного газа направляют по меньшей мере через одно отверстие в боковой стенке полого тела из внутренней части непосредственно во внешнюю часть пространства контейнера.