СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C01B33/27 C30B29/06 C30B30/02 

Изобретение относится к получению поликристаллического кремния газофазным осаждением на нагретые подложки и может быть использовано для производства полупроводниковых материалов, солнечных элементов и в микроэлектронике.

Известен способ получения поликристаллического кремния водородным восстановлением трихлорсилана на кремниевых стержнях. Предварительный (стартовый) нагрев кремниевых стержней до температуры синтеза кремния 1400-1800К осуществляют плазменным нагревом, используя азот в качестве плазмообразуещего газа [патент РФ №2136590, МПК С01В 33/03, публ. 10.09.1999].

Недостатком известного способа является то, что предварительный нагрев кремниевых подложек (стержней) осуществляют плазмотроном, неизбежно вносящим примеси в осаждаемый кремний.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения поликристаллического кремния газофазным осаждением в реакторе на подложки с удельным сопротивлением от 1·10^-3 до 50,0 Ом·см, нагретые протекающим постоянным током до температуры синтеза кремния. Осаждение кремния ведут в две стадии. Первоначально кремний осаждают на основы из инородного, химически инертного к пару или парогазовой смеси проводящего материала, затем с основ срезают осажденный кремний и после шлифования, травления и отмывки используют срезанные пластины в качестве подложки для осаждения кремния. Причем для создания стартового разогрева подложек из чистого кремния, срезанных с основы после осаждения, их нагревают совместно с основами из проводящего материала [патент РФ №2222649, МПК С30В 28/14; С30В 29/06; С30В 25/18; С01В 33/02, публ. 27.01.2004].

К ограничению способа относится недостаточная степень чистоты получаемого поликристаллического кремния из-за совместного использования подложек из чистого кремния и основ из проводящего материала, вносящего примеси в зону осаждения, так как по способу-прототипу невозможно осуществить стартовый нагрев только подложек из кремния с высоким удельным сопротивлением выше 50 Ом·см.

Задачей изобретения является создание способа получения поликристаллического кремния, позволяющего повысить чистоту конечного продукта.

Задачей изобретения является создание способа получения поликристаллического кремния, позволяющего повысить чистоту конечного продукта.

Технический результат предложенного способа заключается в использовании при газофазном осаждении кремния подложек из чистого кремния с высоким удельным сопротивлением, предварительный нагрев которых ведут не только за счет резистивных потерь, но и за счет поляризационных (диэлектрических) потерь.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения поликристаллического кремния, включающем газофазное осаждение кремния на подложки из чистого кремния, предварительно нагретые протекающим током до температуры синтеза кремния, в отличие от прототипа предварительный нагрев подложек ведут высокочастотным током.

Для снижения мощности используемого высокочастотного источника применяют оптимальный закон изменения напряжения, согласно которому предварительный нагрев ведут растущим высокочастотным током при постоянном по величине напряжении до температуры, превышающей температуру перехода кремниевой подложки к собственной проводимости, затем предварительный нагрев ведут постоянным по величине высокочастотным током при снижающемся напряжении.

При высоком удельном сопротивлении кремниевых подложек (>50 Ом·см) кремний проявляет диэлектрические свойства и в области примесной проводимости, например, при комнатной температуре, где кремний проявляет свойства узкозонного диэлектрика, доля поляризационных потерь будет сравнима с резистивными. Это приводит к повышению эффективности нагрева высокочастотным током в сравнении с нагревом на постоянном токе. Нагревая кремниевые подложки высокочастотным током и используя оба компонента мощности, и за счет резистивных, и поляризационных потерь, мы можем нагреть кремниевые подложки с высоким удельным сопротивлением >50 Ом·см, а следовательно, повысить качество производимого поликристаллического кремния.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена экспериментально полученная зависимость температуры Т(К) от времени нагрева t(сек) кремниевой подложки с удельным сопротивлением при комнатной температуре ρ₀, равным 450 Ом·см, и длиной стержня 1, равной 24,2 см, и сечением, равным 1 см², на постоянном и переменном (10 кГц) токе, с напряжением, равным по величине 350 В, где кривая 1 - зависимость температуры Т(К) кремниевой подложки от времени нагрева t(сек) переменным током с частотой 10 кГц, кривая 2 - зависимость температуры Т(К) кремниевой подложки от времени нагрева t(сек) постоянным током; на фиг.2 представлена зависимость удельного сопротивления кремния ρ (Ом·см) от обратной

температуры 1000/Т(К^-1) на разных частотах, где кривая 3 - зависимость удельного сопротивления кремния ρ (Ом·см) от обратной температуры 1000/Т(К^-1) на постоянном по величине напряжении, кривая 4 - зависимость удельного сопротивления кремния ρ (Ом·см) от обратной температуры 1000/Т(К^-1) на частоте, равной 1 кГц, кривая 5 - зависимость удельного сопротивления кремния ρ (Ом·см) от обратной температуры 1000/Т(К^-1) на частоте, равной 1 кГц, 6 - область собственной проводимости, 7 - область примесной проводимости.

Зависимость, представленная на фиг.2, позволяет определить температуру перехода от примесной проводимости к собственной - точка перегиба кривых, разделяющая области собственной 6 и примесной 7 проводимости. После нагрева кремниевой подложки высокочастотным током до температуры перехода к собственной проводимости удельное сопротивление кремния уменьшается по закону:

где ρ - удельное сопротивление кремниевой подложки,

ρ₀ - удельное сопротивление кремниевой подложки при комнатной температуре,

W₁ - энергия активации собственной электропроводности кремния, совпадающая с энергией активации роста концентрации собственных носителей тока [Технология полупроводникового кремния// Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф. - М.: Металлургия 1992 г с 93-96],

k - постоянная Больцмана,

T - температура.

Заявляемый способ позволяет производить стартовый разогрев на переменном токе высокой частоты за счет двух компонент выделяемой энергии: джоулева разогрева (резистивных потерь) и поляризационных (диэлектрических) потерь. Соотношение компонент мощности за счет джоулева разогрева P₁ и поляризационных потерь P₂ на переменном напряжении определяются удельным сопротивлением подложки и поляризационными потерями (2) и (3) [Орешкин П.Т. «Физика полупроводников и диэлектриков», с.364-385, издательство «Высшая Школа», 1977 г.]:

где U_eff - эффективное значение напряжения;

S - сечение подложки;

L - длина подложки;

Α - коэффициент, учитывающий геометрию кремниевой подложки;

U_max - амплитуда напряжения, действующая на кремниевую подложку;

f - частота действующего напряжения;

ε - диэлектрическая проницаемость кремниевой подложки;

tgδ - диэлектрические потери в кремниевой подложке.

Способ получения поликристаллического кремния осуществляют путем газофазного осаждения (водородного восстановления трихлорсилана или термического разложения моносилана) в реакторе на поверхности разогретых подложек из чистого кремния с удельным сопротивлением выше 50 Ом·см. Подложки могут быть выполнены в виде цилиндрических стержней или пластин. Оптимальным условием процесса восстановления трихлорсилана является температура 1273-1473К и процесса термического разложения моносилана 973К. Предварительный (стартовый) разогрев кремниевых подложек ведут протекающим высокочастотным током. При этом используют оптимальный закон изменения напряжения, согласно которому вначале подложку нагревают на постоянном по величине напряжении высокой частоты при растущем токе до температуры, превышающей температуру перехода к собственной проводимости. После перехода кремния к собственной проводимости предварительный (стартовый) нагрев продолжают вести на постоянном по величине переменном токе при снижающемся напряжении.

Для сравнения эффективности нагрева высокочастотным напряжением и постоянным напряжением было произведено экспериментальное моделирование по нагреву кремниевой подложки, выполненной в форме стержня в условиях, приближенных к промышленному реактору для получения поликристаллического кремния. Длина стержня равна 24,2 см, и сечение стержня равно 1 см², удельное сопротивление при комнатной температуре ρ₀ равно 450 Ом·см. Нагрев производился высокочастотным источником с частотой 10 кГц и источником постоянного тока на напряжении, равном по величине 350 В. Подложки нагревались в камере, заполненной аргоном при атмосферном давлении, для моделирования тепловых потерь за счет конвекции в реальных реакторах. Электроды изготавливались из графитовой ваты и прижимались медными хомутами для снижения контактного сопротивления. Температура измерялась с помощью хромель-копелевых термопар. Для тепловой и электрической изоляции стержень устанавливался на диэлектрические подставки из нитрида бора. Результаты измерений представлены на фиг.1, где кривая 1 - зависимость температуры Т(К) стержня от времени нагрева t(сек) на напряжении частотой 10 кГц, кривая 2 - зависимость температуры Т(К) стержня от времени нагрева 1(сек) на постоянном напряжении. Из фиг.1 видно, что скорость нагрева на переменном напряжении выше на 33%. Это доказывает преимущество высокочастотного старта нагрева кремния.

Преимущества заявляемого способа заключаются в повышении чистоты получаемого поликристаллического кремния, при этом применение оптимального режима изменения напряжения и тока позволяет снизить мощность используемого источника переменного тока.

Изобретение может быть использовано в производстве полупроводниковых материалов, солнечных элементов и микроэлектронике. Кремний осаждают на предварительно нагретые высокочастотным током подложки из чистого кремния. Изобретение позволяет получать кремний высокой чистоты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения поликристаллического кремния, включающий газофазное осаждение кремния на подложки из чистого кремния, предварительно нагретые протекающим током до температуры синтеза кремния, отличающийся тем, что предварительный нагрев подложек ведут высокочастотным током.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев ведут растущим высокочастотным током при постоянном по величине напряжении до температуры, превышающей температуру перехода подложки из чистого кремния к собственной проводимости, затем предварительный нагрев ведут постоянным по величине высокочастотном током при снижающемся напряжении.