close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Фрицлер Константин Бернгардович Шифр научной специальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния Шифр диссертационного совета: Д 003.037.01 Название организации: Институт физики полупроводников СО РАН Адрес организации: 6300
На правах рукописи
Фрицлер Константин Бернгардович
ФОРМИРОВАНИЕ ОГРАНКИ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
КРЕМНИЯ, ВЫРАЩЕННОГО МЕТОДОМ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ
ПЛАВКИ
Специальность 01.04.07
(физика конденсированного состояния)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Новосибирск – 2012
1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте
физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук Труханов Евгений Михайлович.
Официальные оппоненты:
Исаенко Людмила Ивановна, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения
Российской академии наук, в. н. с.
Кидяров Борис Иванович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное
бюджетное учреждения науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского
отделения Российской академии наук, с. н. с.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук.
Защита состоится «19» июня 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета
Д 003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте
физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук,
630090, Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения
Российской академии наук.
Автореферат разослан «17» мая 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор физико-математических наук, доцент
Погосов Артур Григорьевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время наиболее широко используемым полупроводниковым материалом
является кремний. Метод бестигельной зонной плавки (БЗП) позволяет получить существенно
более чистые, по сравнению с методом Чохральского, бездислокационные монокристаллы
кремния. Содержание кислорода и углерода в современном БЗП кремнии не превышает 1016 см-3, а
концентрация примесей, образующих глубокие уровни в запрещенной зоне (Fe, Cu) – 1010 - 1012
см-3. Эти характеристики делают БЗП кремний незаменимым в силовой электронике, производстве
высокоэффективных солнечных элементов, детекторов радиационных излучений и других
полупроводниковых приборов. Для практического применения в данных областях требуются
пластины кремния все большего размера.
При увеличении диаметра выращиваемого монокристалла становится более сложным и
нестабильным характер распределения важнейших гидрогазодинамических и теплофизических
характеристик процесса, определяющих форму, структурное состояние и электрофизические
свойства БЗП кремния. На результаты роста влияют гидродинамика расплава, поля температур и
термических напряжений, концентрации примесей в жидкой фазе, в растущем кристалле и в
окружающей среде. Особенностью метода бестигельной зонной плавки является также высокий,
по сравнению с другими способами выращивания монокристаллов кремния, уровень термических
напряжений. Так, для монокристалла БЗП Si диаметром 100 мм он составляет 99 МПа, а для
слитка диаметром 300 мм, выращенного по методу Чохральского, всего 30 МПа [1]. Ясного
представления о протекании этих процессов при росте монокристаллов большого диаметра (D>40
мм) в литературе нет. Необходимо изучение и понимание особенностей роста монокристаллов
БЗП кремния больших диаметров, влияния условий роста на
введение дислокаций, захват
примесей, образование микродефектов.
Вышеописанные особенности метода бестигельной зонной плавки существенным образом
увеличивают риск генерации дислокаций в процессе роста. Это делает актуальным метод
надежного и оперативного in-situ контроля структурного состояния монокристалла. В настоящее
время таким методом, разработанным для слитков малого диаметра, является наблюдение за
морфологией растущего монокристалла [2, 3]. Для надежного контроля качества монокристаллов,
получаемых на современном оборудовании, актуальным является установление закономерностей
процесса кристаллизации, определяющих морфологию кристаллов БЗП кремния большого
диаметра и ее связь со структурным состоянием слитков.
Описанная нестабильность ростовых процессов при получении монокристаллов большого
диаметра приводит к неравномерному распределению примесей и изменению электрофизических
характеристик, в частности, времени жизни неравновесных носителей заряда. Исследование
3
распределения данного параметра и его связи с изменением условий роста является актуальной
задачей для получения максимально однородных кристаллов.
Цель диссертационной работы заключалась в изучении влияния
условий роста на
реальную структуру, морфологию и электрофизику кристаллов Si большого диаметра,
выращенных в направлении [111] методом бестигельной зонной плавки. Она также включала
выяснение механизма роста и разработку методов оперативного контроля структурного состояния
слитков большого диаметра.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Оптимизация технологии роста монокристаллов кремния диаметром до 125 мм.
2. Изучение зависимости морфологии монокристаллов БЗП кремния большого диаметра от
условий роста.
3. Изучение кристаллической структуры выращенных слитков (отсутствие и возникновение
дислокаций, двойников, блоков).
4. Исследование механизма формирования морфологических элементов монокристаллов БЗП
кремния большого диаметра.
5. Исследование зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда
и
кристаллической структуры от условий роста монокристаллов кремния большого диаметра.
Научная новизна
1. Выявлены механизмы формирования морфологических элементов кристаллов Si. В
результате
комплексного
исследования
морфологических
элементов
поверхности
монокристаллов БЗП Si большого диаметра установлено, что, в отличие от слитков малого
диаметра (до 40 мм), минимальную скорость роста, кроме плотноупакованных плоскостей
{111}, могут иметь грани {112} и {110}.
2. Показано, что, рост дислокационных кристаллов кремния протекает только в рамках
октаэдрической
формы, а рост бездислокационных монокристаллов возможен при
реализации форм октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра. Установлено,
что существует зависящий от формы и размера индуктора критический диаметр D=DП
бездислокационного слитка Si [111], при котором происходит переход от формы октаэдра к
другим формам роста.
3. В кристаллах с большим временем жизни (больше 2 мс) обнаружено осциллирующее
распределение времени жизни неравновесных носителей заряда по длине монокристалла
τННЗ(х). Установлена связь τННЗ с изменениями скорости кристаллизации и образованием
наростов (сравнительно крупных образований обтекаемой формы,
локализованных в
областях возникновения реберных выступов) при минимальной скорости роста граней
{110} и {112}.
4
Практическая значимость
Разработан
метод
оперативного
контроля
структурного
состояния
выращенных
монокристаллов кремния по регистрации морфологических элементов поверхности слитка. Метод
позволяет оперативно обнаружить введение дислокаций в растущем монокристалле Si и
остановить процесс выращивания, что дает существенную экономию поликристаллического
кремния, расходных материалов и электроэнергии.
Установлена конфигурация ВЧ индуктора, позволяющая получить максимально однородное
распределение времени жизни неравновесных носителей заряда.
Полученные результаты и понимание влияния процессов формирования кристаллической
структуры, могут стать основой для усовершенствования технологии роста монокристаллов БЗП
кремния большого диаметра.
На защиту вынесены следующие положения.
1) В монокристаллах Si большого диаметра, кроме плотноупакованных плоскостей {111},
минимальную скорость роста могут иметь грани {112} и {110}.
2) Бездислокационные монокристаллы БЗП Si [111] растут при реализации трех форм роста
(октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра), а дислокационные – только в рамках
формы октаэдра.
3) В растущих бездислокационных монокристаллах кремния на определенном, критическом
диаметре (D>DП) происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста.
4) Наросты являются морфологическими элементами боковой поверхности Si[111], которые
формируются медленно растущими плоскостями {110} и {112} при колебаниях скорости роста на
локальных участках границы раздела фаз. Колебания скорости роста приводят к осцилляциям
времени жизни неравновесных носителей заряда по длине слитков.
Достоверность
Достоверность полученных результатов
определяется
тем,
что
все
и выдвигаемых на защиту научных положений
результаты
получены
с
использованием
современной
экспериментальной техники и апробированных методик измерений на большом числе образцов.
Разработанный метод in-situ контроля структурного состояния кристаллов (генерация дислокаций,
возникновение блоков) проверен на более чем 500 слитках. Установленные нами признаки
бездислокационного, дислокационного и блочного роста кристаллов полностью подтверждены.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в исследовании влияния
условий роста на
морфологию монокристаллов БЗП кремния большого диаметра, изучении
структурного состояния выращенных слитков металлографическими и рентгеновскими методами.
Соискатель принимал непосредственное участие в разработке метода оперативного контроля
структурного состояния монокристаллов Si в процессе роста методом бестигельной зонной
плавки.
5
Анализ и интерпретация результатов были выполнены совместно с научным руководителем.
Подготовка материалов к публикации осуществлялась совместно с соавторами.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры “ Кремний 2002”, Новосибирск,
(2002); X Национальная конференция по росту кристаллов, Москва с. 78 (2002); Третья Российская
конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения
легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (“ Кремний 2003”), Москва
(2003); Совещание "Кремний 2004, Иркутск 5-9 июля 2004г, (2004); III Российское совещание по
росту кристаллов и пленок и исследованию их физических свойств и структурного совершенства
(Кремний-2006)". Красноярск (2006); V Международная конференция по актуальным проблемам
физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и
приборов на его основе “Кремний 2008”. Черноголовка (2008); VI Международная конференции
по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния,
нанометровых структур и приборов на его основе “Кремний 2009”. Новосибирск (2009); Первый
междисциплинарный, международный симпозиум «Свойства вещества при высоких давлениях и
температурах. Физика, геология, механика, химия» (PSHP&Т-2011) , Ростов-на-Дону – пос. Лоо,
13-17 июня , 2011; Первый междисциплинарный, международный симпозиум «Кристаллография
фазовых переходов при высоких давлениях и температурах (СРТ НР&Т)-2011» , г.Ростов-на-Дону
– пос. Лоо, 9-13 июня , 2011.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 6 статей, глава в коллективной монографии и 9 тезисов
докладов на Международных и Российских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из
121 наименования. Она содержит 149 страниц, включая 51 иллюстрацию и 4 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи
работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, представлены научная новизна и
практическая ценность работы, дана краткая аннотация диссертации.
В первой главе на основе литературных данных представлено современное состояние
метода бестигельной зонной плавки.
Данный метод позволяет получать монокристаллы,
содержащие минимальные, по сравнению с методом Чохральского концентрации примесей. В
тоже время, он характеризуется высоким уровнем термических напряжений и существенной
нестабильностью процесса роста, что способствует возникновению дислокаций.
6
Представлен обзор исследований морфологии монокристаллов БЗП кремния. Вершины,
ребра и грани многогранников, образованных медленнорастущими плоскостями, в результате
взаимодействия с боковой поверхностью слитка формируют соответствующие морфологические
элементы конической и цилиндрической поверхностей кристалла. Согласно традиционным
представлениям [2, 3], в качестве граней, имеющих минимальную скорость роста и определяющих
форму кристаллов кремния, рассматривались исключительно плотноупакованные плоскости
{111}. Дальнейшие исследования морфологии монокристаллов БЗП кремния связаны с развитием
теории роста кристаллов, учитывающей предварительную ассоциацию атомов кремния в расплаве
[4]. В соответствии с данной кристаллохимической моделью, при выращивании БЗП [111]
кремния в пограничном слое расплава вблизи фронта кристаллизации возникают кластеры (или
координированные группировки атомов (КГА) [4-7]). С ростом степени переохлаждения расплава
Si размер данных кластеров увеличивается. Скорость роста различных граней зависит от размеров
кластеров, что определяется величиной переохлаждения. Экспериментальное подтверждение
формирования кластеров в переохлажденном расплаве кремния при температуре, близкой к
температуре плавления, получено с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа,
дифракции нейтронов и ряда других методов [6 - 8].
Во второй главе приводятся данные о морфологии поверхности слитков БЗП Si большого
диаметра (D>DП) и малого диаметра (D<DП). Определены основные морфологические элементы,
присутствующие на поверхности монокристаллов кремния. Такими элементами являются
наросты, реберные выступы и полосы наклонных граней {111}. Проведенные комплексные
рентгеновские
и
металлографические
исследования
позволили
исключить
участие
в
формировании данных морфологических элементов таких дефектов, как дислокации и двойники.
В ходе исследований выявлен механизм образования морфологических элементов.
Детальный анализ геометрических параметров и азимутального расположения (с использованием
Лауэ – съемок) показал, что их образование обусловлено влиянием различных гранных форм.
Рассмотрены различные модели роста кристаллов из расплава. Показано, что объяснить всю
совокупность
имеющихся
экспериментальных
данных
можно
только
на
основе
кристаллохимической модели, учитывающей предварительную ассоциацию атомов в расплаве
[4- 7].
В зависимости от условий кристаллизации нами наблюдались три формы роста: (1) форма
октаэдра, когда с минимальной скоростью растут грани {111}; (2) форма ромбического
додекаэдра,
когда
минимальную
скорость
роста
имеют
грани
{110};
(3)
форма
тетрагонтриоктаэдра, когда с минимальной скоростью растут грани {112}.
Реберные выступы (РВ) образуются в результате выхода на поверхность растущего
монокристалла
вершин
(гранные
формы
октаэдра
и
тетрагонтриоктаэдра)
или
ребер
многогранников (гранная форма ромбического додекаэдра), образованных медленнорастущими в
7
данных условиях кристаллизации плоскостями. Для всех трех вариантов гранных форм (1-3) схема
распределения РВ вдоль образующих цилиндра показана на рис. 1.
Рис. 1. Схемы расположения реберных выступов и формирующих их атомных граней на поперечном
сечении слитка монокристалла Si (111) при возникновении РВ гранной формы октаэдра (а), ромбического
додекаэдра (б) и тетрагонтриоктаэдра (в). Вверху показаны соответствующие равновесные формы
октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра [2].
Три образующие цилиндра являются общими для медленнорастущих граней {111} и {110}
первого и второго случая (точки А, С и Е на рис. 1,а и рис. 1,б). Установлены морфологические
признаки, позволяющие отличать РВ, соответствующие указанным точкам, но сформированные
медленно растущими гранями {111} и {110}. В варианте формы роста (3) общая картина
распределения РВ похожа на картину варианта (2), но вся система реберных выступов повернута
на 30°.
На рис.2 представлены различные участки слитка от затравки (рис. 2,а) до его завершающей
части (рис. 2,д). Морфологическими признаками октаэдрической формы роста являются полосы
наклонных граней (П на рис. 2,г и 2,д) и реберные выступы представляющие собой выход
плоскостей и вершин октаэдра, образованного плоскостями {111} на боковую поверхность
растущего монокристалла (О на рис. 2,а). Реберные выступы октаэдра расположены на
поверхности монокристалла через 120о в области точек, обозначенных А, С и Е (рис. 1 а). Их
положения определяются кристаллографическими направлениями типа <112>, проведенными от
оси роста кристалла [111] и перпендикулярными этой оси. Ширина данных выступов H находится
в пределах 1 - 1,8 мм, а их высота L составляет доли миллиметра. Реберные выступы
ромбододекаэдра и тетрагонтриоктаэдра имеют H=5 мм и L ≈ 3 мм. На рис.2,в и рис.2,г через Р
обозначены РВ ромбододекаэдра.
8
Лауэ
съемки
показали,
что
кристаллографические направления типа <112> и
<110>,
проведенные
от
оси
кристалла
перпендикулярно ей, определяют на поверхности
слитка
положения
РВ
тетрагонтриоктаэдра,
ромбододекаэдра
соответственно.
и
РВ
ромбического додекаэдра равновероятно возникают
как вблизи указанных точек А, С и Е, так и вблизи
точек
В,
D
и
F
(рис.
1,б).
Установлены
морфологические признаки тетрагонтриоктаэдра. К
ним относятся реберные выступы, аналогичные по
форме и размерам РВ ромбододекаэдра, которые
наблюдаются в точках K, L, M, N, O, P (рис. 1, в).
Наросты всегда располагаются в области РВ
ромбододекаэдра
и
тетрагонтриоктаэдра
и
представляют собой морфологические образования
обтекаемой формы. Высота наростов составляет 1020 мм, ширина - 10-15 мм. Они показаны на рис.
3,а.
Подтверждением корректности вывода о
различной природе РВ служит селективность
воздействия низкочастотных колебаний жидкой
фазы на морфологические элементы различных
форм
роста.
Полученные
результаты
свидетельствуют, что под воздействием колебаний
реберные выступы октаэдра трансформируются в
Рис. 2. Фотографии различных областей слитка
БЗП кремния: переход от затравки к конической
части (а); конус (б); цилиндрическая часть (в) и
(г); завершающая часть (д). Через О обозначены
реберные выступы октаэдра, Р - выступы
ромбододекаэдра, П – площадки наклонных
граней.
полосы наклонных граней {111}, в то время как
выступы
ромбического
тетрагонтриоктаэдра
додекаэдра
и
сохраняют свою форму.
Механизм такой селективности можно объяснить
следующим образом.
РВ октаэдра возникают при максимальных переохлаждениях, когда в расплаве образуются
крупные кластеры, содержащие более 4 атомов (n>4).Огранка плоскостями {110} или {112},
участвующими в формировании РВ ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра происходит,
когда рост твердой фазы осуществляется за счет встраивания 2х атомных кластеров или
9
одиночных атомов [4]. Вибрации приводят к существенному изменению распределения
конвективных потоков в расплаве, что вызывает уменьшение толщины диффузионного слоя,
препятствуя образованию крупных кластеров. Кроме этого, при наличии вибраций более вероятно
разрушаются координированные группировки атомов (КГА) крупных размеров.
В процессе
вибраций эти группировки переходят в сравнительно мелкие (n=2) и в отдельные атомы.
В третьей главе
представлены результаты исследования взаимосвязи морфологии и
реальной структуры кристалла.
В результате комплексных исследований с использованием селективного травления, метода
Лауэ, рентгеновской топографии установлены основные типы дефектов, являющиеся причиной
срыва бездислокационного роста на различных этапах процесса кристаллизации.
Показано, что на начальном этапе БЗП процесса (выращивании шейки слитка),
кристаллизация происходит при максимальном переохлаждении в рамках формы роста октаэдра за
счет встраивания кластеров большого размера. В данных условиях наиболее часто встречающимся
структурными дефектами являются двойники. Одной из наиболее вероятных причин их
образования служит неправильное встраивание КГА большого размера в растущую твердую фазу
[4].
Установлено, что на конической части исследованных БЗП слитков причиной срыва
бездислокационного роста служит двойникование и генерация дислокаций, образующих
малоугловые границы. Внутри кристалла обнаружены дефектные области, содержащие данные
виды дефектов. Такую область невозможно обнаружить визуально до тех пор, пока ее граница в
процессе роста не достигнет поверхности монокристалла. Разработан метод, позволяющий
оперативно выявлять присутствие дислокаций и двойников в объеме кристалла и прекратить
процесс роста, экономя исходный поликристаллический кремний, расходные материалы и
электроэнергию. Установлено, что в процессе формирования конуса происходит постепенное
уменьшение переохлаждения расплава и средней скорости кристаллизации, что приводит к
переогранке кристалла – переходу от формы роста октаэдра к формам, определяемым
медленнорастущими плоскостями {110} и {112} на характерном для данного индуктора диаметре
слитка D=DП. Такой переход происходит только при росте бездислокационного кристалла.
Отсутствие перехода является признаком образования локализованной внутри кристалла
дефектной области. Величина DП составляет 45 - 80 мм в зависимости от конфигурации
индуктора.
Исследования показали, что основной причиной срыва бездислокационного роста на
исследованных монокристаллах большого диаметра (D>DП) является генерация дислокаций,
распространяющихся
в растущем монокристалле по механизму скольжения. Возможность
введения дислокаций по данному механизму зависит от уровня упругих термических напряжений
в растущем кристалле, который, в свою очередь, находится в прямой зависимости от диаметра
слитка. Так, при увеличении диаметра от 104 до 200 мм в аналогичных условиях роста величина
10
максимальных напряжений увеличивается от 99 до 260 МПа [1]. Увеличение уровня сдвиговых
напряжений, действующих в плоскости скольжения дислокаций, приводит к тому, что все более
мелкие скопления точечных дефектов могут становиться источниками новых дислокаций [9].
Размер дислокационного источника R и уровень напряжений связаны зависимостью [10-11]
R = 2W/(bτb),
где W – энергия дислокации единичной длины, b – величина вектора Бюргерса и τb – проекция на
вектор Бюргерса сдвиговых напряжений, действующих в плоскости скольжения. При увеличении
диаметра от 104 до 200 мм величина R уменьшается от 0.26 до 0.1 мкм.
Установлено, что для монокристаллов большого диаметра (D>DП) признаком срыва
бездислокационного роста является переход к октаэдрической форме роста от формы,
определяемой медленнорастущими плоскостями {110} и {112}(рис. 2, д).
В четвертой главе представлены результаты исследования распределения времени жизни
неравновесных носителей заряда (ННЗ) по длине выращенных монокристаллов кремния.
Измерения τ
проводились с помощью бесконтактного метода, основанного на релаксации
фотопроводимости, измеренной на сверхвысоких частотах [12]. Исследования выявили
существенную неравномерность распределения τ(х) по длине слитков х в области наростов (рис.
3). Из рисунка видно, что центральным частям наростов соответствуют минимальные значения τ.
Максимумы τ располагаются между наростами.
Рис. 3. Корреляция между распределением наростов вдоль образующей цилиндрической поверхности
слитка (а) и распределением времени жизни ННЗ (б).
11
Механизм влияния формы роста на распределение τ(х) описывается зависимостью
эффективного коэффициента распределения примеси k от скорости кристаллизации V [13]:
k=
k0
,
k0 + (1 − k0 ) exp(−Vδ / D )
где: k0 - равновесный коэффициент распределения, D – коэффициент диффузии примеси в
расплаве, δ - толщина диффузионного слоя.
После накопления расплава в области нароста происходит локальное увеличение V.
Следствием этого являются как периодические локальные увеличения диаметра монокристалла
(обусловливающее формирования наростов, показанных на рис. 3, а), так и искривления фронта
кристаллизации на периферии межфазной границы (показано стрелкой на рис. 4). Последний
рисунок демонстрирует локальное увеличение V вблизи наростов в направлении оси слитка.
Рис. 4. Формирование нароста гранной формы ромбододекаэдра на поверхности монокристалла Si,
in-situ регистрация.
В ходе экспериментов нами были выращен ряд монокристаллов, на конусной части которых
также наблюдались резкие изменения скорости роста. Это имело место при диаметре
монокристалла D< Dп, то есть при октаэдрической форме роста. В данном случае изменение
скорости роста происходит на всей периферии фронта кристаллизации. Для контроля скорости
роста использовался постоянно контролируемый технологический параметр h – расстояние от
индуктора до фронта кристаллизации. На рис. 5 представлены зависимости h и τ от расстояния до
затравки. Данные величины коррелируют: максимумы h (которые соответствуют минимумам
скорости кристаллизации) совпадают с максимумами значений τ. Аналогичная зависимость τ от V,
описанная нами выше для наростов, свидетельствует об общей природе обсуждаемых явлений.
12
Рис. 5. Зависимость h и τ от х, где х - расстояние от затравки.
Амплитуда осцилляций τ(х) уменьшается при уменьшении диаметра D слитка в результате
шлифовки. Это видно из сравнения зависимостей, приведенных на рис.6,а и рис. 6,б. Они
получены, соответственно, для исходного слитка (D=84 мм) и после утонения до D=65 мм, когда
осцилляции τ(х) практически полностью исчезают. Таким образом, толщина слоя монокристалла,
имеющего неоднородное распределение τ(х), составляет около 1 см.
Переход от бездислокационного кристалла к дислокационному сопровождается уменьшением
среднего уровня τ примерно на порядок величины. Обычно резкое падение τ начинается примерно
за 10 -15 мм до участка кристалла, на котором имел место переход к дислокационному росту.
Природа явления обусловлена повышенной рекомбинацией неосновных носителей заряда на
дислокациях [14].
время жизни ННЗ, мс
10
время жизни ННЗ, мс
8
6
4
2
8
6
4
2
0
0
0
50
100
150
200
0
250
координата x, мм
50
100
150
200
250
координата x, мм
б)
а)
Рис. 6. Распределение времени жизни ННЗ по длине слитка Ф302-1, диаметр которого (D) уменьшался
в результате последовательных шлифовок; а – D=84 мм (исходный слиток); б – D= 65 мм
13
Основные результаты и выводы по диссертации
Обнаружены грани с минимальной скоростью роста, определяющие форму и свойства
кристаллов большого диаметра. Установлены отличия кристаллической структуры и морфологии
слитков
большого
(D>40мм)
и
малого
диаметра,
выращенных
в
направлении
[111].
Зарегистрировано осциллирующее по длине слитка распределение времени жизни неравновесных
носителей заряда, коррелирующее с формой роста кристаллов. Разработан метод in-situ контроля
структурного качества кристаллов Si[111].
1. На основе модели роста, учитывающей предварительную ассоциацию атомов в расплаве, в
диссертации раскрыты механизмы кристаллизации, показывающие влияние форм роста слитков
БЗП кремния на структуру морфологических элементов, которые возникают на боковой
поверхности Si[111]. К морфологическим элементам поверхности относятся реберные выступы,
полосы наклонных граней и наросты. Разработана классификация признаков данных элементов,
позволяющая установить, какая из форм роста определила морфологию кристалла.
2. Морфологические элементы образуются в результате выхода медленнорастущих граней
{111}, {110} и {112} на цилиндрическую поверхность слитка. Указанным граням соответствуют
свои формы роста, которыми являются, соответственно, октаэдр, ромбический додекаэдр и
тетрагонтриоктаэдр.
3. Установлена зависимость морфологии поверхности бездислокационного монокристалла
БЗП кремния от диаметра слитка D. Установлено, что существует критическое значение D=DП,
при котором в бездислокационном кристалле происходит переход от формы октаэдра к другим
формам роста. Показано, что величина DП зависит от размеров и формы индуктора и составляет от
40 до 80 мм.
4. Установлено, что нарост является морфологическим элементом боковой поверхности
кристалла, который характеризует формы роста, реализуемые медленно растущими плоскостями
{110} и {112}. Высота и ширина наростов достигают, соответственно, 20 и 15 мм.
5. Зарегистрировано осциллирующее по длине монокристалла распределение времени жизни
τ неравновесных носителей заряда (ННЗ). Для измерений использовался бесконтактный метод,
основанный на релаксации фотопроводимости, определенной на сверхвысоких частотах.
Колебания
τННЗ
зарегистрированы
вдоль
образующих
цилиндрической
поверхности
монокристалла, содержащих наросты. Период колебаний коррелирует с периодом образования
наростов. Осцилляции наблюдаются только в кристаллах с высоким временем жизни (более 2 мс),
а их амплитуда достигает 6 мс.
6. Разработан метод in-situ контроля генерации дислокаций на основе регистрации форм
роста и
переходов между ними. Для D>DП присутствие хотя бы одного морфологического
элемента (реберный выступ или нарост) форм роста ромбододекаэдра или тетрагонтриоктаэдра
является достоверным признаком выращивания бездислокационного роста монокристалла. Если
при D>DП регистрируются только формы роста октаэдра (реберные выступы или полосы
14
наклонных граней), то имеет место рост дислокационного монокристалла. Если же на боковой
поверхности слитка отсутствуют какие-либо реберные выступы или наросты, то имеет место рост
блочного кристалла.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.
1. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Смирнов П.Л., Колесников А.В., Василенко А.П.
In situ контроль структуры кристаллов бестигельного Si (111) на основе поведения реберных
выступов – Письма в ЖТФ, 2007, т.33, вып.12, с. 55-60.
2. Анфимов И. М., Бердников В. С., Борзых И. В., Калинин В. В., Кобелева С. П., Осипов Ю. В.,
Фрицлер К. Б. Распределение удельного электрического сопротивления в монокристаллах
кремния, выращенных методом бестигельной зонной плавки – Известия высших учебных
заведений. Материалы электронной техники, 2008, №1, с.9-14.
3. Trukhanov E.M., Fritzler K.B., Lyubas G.A. and Kolesnikov A.V. Evolution of Film Stress with
Accumulation of Misfit Dislocations at Semiconductor Interfaces - Applied Surface Science, 1998,
v.123/124, p.664-668.
4. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Дрофа А.Т., Василенко А.П., Колесников А.В.,
Федоров А.А. Качество монокристаллического кремния и некоторые проблемы рентгеновской
интерферометрии - Актуальные вопросы современного естествознания, 2004, выпуск 2, с. 32-48.
5. Труханов Е.М., Калинин В.В., Фрицлер К.Б. Изучение кристаллографии фазового перехода в
процессе роста монокристаллов кремния (111) методом бестигельной зонной плавки - Фазовые
переходы,
упорядоченные
состояния
и
новые
материалы.
2011,
№6,
http://ptosnm.ru/_files/Moduls/catalog/items/T_catalog_items_F_download_I_651_v2.pdf
6. Фрицлер К.Б., Калинин В.В., Труханов Е.М. Влияние процессов на границе раздела расплав кристаллическая фаза кремния на структурные и электронные свойства кристалла - Фазовые
переходы,
упорядоченные
состояния
и
новые
материалы.
2011.
№11,
http://www.ptosnm.ru/_files/Moduls/catalog/items/T_catalog_items_F_download_I_696_v1.pdf
7. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Василенко А.П., Смирнов П.Л.,. Колесников А.В.
Пленочная рентгеновская интерферометрия и некоторые проблемы технологии БЗП кремния – В
книге: Рентгеновская топография кремния на основе плёночной интерферометрии эпитаксиальных
систем и эффекта Бормана. Великий Новгород: НовГу им. Ярослава Мудрого, 2006, 351 с.
8. Труханов Е. М., Фрицлер К. Б., Федоров А.А., Колесников А. В., Василенко А.П., Дрофа А.Т.
Исследование дефектов структуры кремния с помощью рентгеновских дифракционных и
интерференционных методов – Тезисы совещания по росту кристаллов, пленок и дефектам
структуры кремния (Кремний – 2002), Новосибирск, 2002, с. 23.
9. Фрицлер К. Б., Труханов Е. М., Федоров А.А., Колесников А. В., Соколов Л.В., Дрофа А.Т.,
Калинин В.В. Контроль качества кремния с помощью рентгеновских дифракционных и
интерференционных методов -- Тезисы докладов X Национальной конференции по росту
15
кристаллов «НКРК-2002» "Рост кристаллов и их применение в новых технологиях", Москва, 2002,
с.78.
10. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Колесников А.В., Василенко А.П., Калинин В.В., Дрофа А.Т.
Исследование
ростовых
дефектов
в
слиточном
БЗП
–
кремнии
с
помощью
рентгенодифракционных и металлографических методов - Тезисы 3 Российской конференции по
материаловедению
и
физико-химическим
основам
технологий
получения
легированных
кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний – 2003), Москва, 2003, с.151.
11. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Дрофа А.Т., Смирнов П.Л., Борисов А.А.,
Василенко А.П., Колесников А.В. Возникновение дефектов структуры при выращивании БЗП
слитков монокристаллического кремния - Тезисы докладов Совещания “Кремний 2004”, Иркутск,
2004, с.82.
12. Труханов Е.М., Фрицлер К.Б., Калинин В.В. Взаимосвязь явлений, обусловливающих
морфологию поверхности слитка и возникновение дефектов структуры в БЗП монокристаллах
кремния - Тезисы докладов Совещания "Кремний 2004", Иркутск, 2004, с.156.
13. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Смирнов П.Л., Василенко А.П., Колесников А.В.
Влияние условий роста на морфологию поверхности монокристаллов БЗП кремния - Тезисы
докладов III Российского совещания по росту кристаллов и пленок и исследования их физических
свойств и структурного совершенства (Кремний-2006), Красноярск, 2006, с. 27.
14. Фрицлер К.Б., Калинин В.В., Труханов Е.М., Колесников А.В. - Исследование однородности
распределения электрофизических параметров монокристаллов БЗП кремния - Тезисы докладов
V Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения,
технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе “Кремний
2008”, Черноголовка, 2008, с. 84.
15. Фрицлер К.Б., Калинин В.В.
Влияние условий роста на однородность распределения
электрофизических параметров монокристаллов кремния, выращенных методом бестигельной
зонной плавки - Тезисы докладов VI Международной конференции по актуальным проблемам
физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и
приборов на его основе “Кремний 2009”, Новосибирск, 2009, c. 74.
16. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В. В. Влияние процессов на границе раздела расплав –
кристаллическая фаза кремния на структурные и электронные свойства кристалла - Тезисы
докладов Первого междисциплинарного, международного симпозиума «Свойства вещества при
высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (PSHP&Т-2011) , Ростовна-Дону – пос. Лоо, 2011, с. 163.
17. Труханов Е.М., Калинин В.В., Фрицлер К.Б. - Изучение кристаллографии фазового перехода в
процессе роста монокристаллов кремния (111) методом бестигельной зонной плавки - Тезисы
докладов
Первого
междисциплинарного,
международного
16
симпозиума
«Кристаллография
фазовых переходов при высоких давлениях и температурах (СРТ НР&Т)-2011» , г. Ростов-на-Дону
– пос. Лоо, 2011, с. 104.
Цитируемая литература
[1] Muiznieks A., Raming G., Muhlbauer A., Virbulis J., Hanna B., Ammon W.v. Stress-induced
dislocation generation in large Fz- and Cz-silicon single crystals – numerical model and qualitative
considerations - J. Cryst. Growth. 2001, v. 230, p. 305-313.
[2] Ciszek T. F. Non – Cylindrical Growth habbit of float zoned dislocation –free [111] silicon crystals J. Crystal Growth, 1971, v. 10, p. 263-268.
[3] Салли И.В., Фалькевич Э.С. Управление формой роста кристаллов - Киев: Наукова Думка,
1989, 158 c.
[4] Строителев С.А. Кристаллохимический аспект представлений о зарождении и росте
кристаллов - Новосибирск: Наука, 1976, 193 с.
[5] Строителев С. А., Камарали В. В., Муравицкий С. А. Форма роста бездислокационных
монокристаллов кремния, выращенных методом бестигельной зонной плавки - Процессы роста и
синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск: Наука, 1975, с. 42- 44.
[6] Губенко А.Я. Фазовые превращения в твердом и жидком кремнии – Кристаллография, 2001, т.
46, №1, с.88.
[7] Gubenko A.
Effect of the structural state of the melt on the properties of silicon crystals -
Microelectronic Engineering, 1999, v. 45, p. 161-168.
[8] Waseda Y., Shinoda K. Sugiyama K., Takeda S., Terashima K., Toguru J. M. High Temperature Xray Diffraction Study of Melt Structure of Silicon - Jpn. Appl. Phys, 1995, vol. 34, p. 4124-4128.
[9] De Kock A.J.R., Poksnoer P.J., Boonen P.G.T. The introduction of dislocations during the growth of
floating-zone silicon crystals as a result of point defect consideration - J. of Cryst. Growth, 1975, v.30,
№ 3, p.279-294.
[10]Фридель Ж. Дислокации. - Москва, “Мир”, 1967, 644 c.
[11] Trukhanov E. M., Stenin S.I. Equilibrium dislocation configurations in heterostructures. - Phys.
Stat. Sol (a), 1981, v.66, p.591-596.
[12] Бородовский П.А., Булдыгин А.Ф., Токарев А.С. Определение времени жизни неосновных
носителей заряда в слитках кремния по релаксации фотопроводимости измеренной на
сверхвысоких частотах - ФТП, 2004, т. 36, № 9, с.1043 – 1049.
[13] Burton J. A., Prim R.C., Sclichter W.P. The Distribution of Solute in Crystals Grown from the Melt.
Part I. Theoretical. - J.Chem. Phys., 1953, v. 21, № 11, p. 1987-1991.
[14] Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. - М: Мир, 1984, 475 с.
17
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
60
Размер файла
492 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа