авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка способа выращивания профильных монокристаллов кремния из расплава методом чохральского

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СИЛАЕВ ИВАН ВАДИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЫРАЩИВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ИЗ РАСПЛАВА МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО

Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела и электроники физико-технического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

профессор, Блиев Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Мильвидский,

Михаил Григорьевич

доктор технических наук,

профессор, Козырев

Евгений Николаевич

Ведущая организация: Открытое Акционерное Общество

«Научно-Исследовательский Институт

Материалов Электронной Техники»

Защита состоится «___18__» _декабря_ 2008 г. в 14_ ч. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.132. 06 при Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу 119 941, Москва, Крымский вал, д. 3, аудитория К-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС

Автореферат разослан «_14_» _декабря___ 2008 г.

Справки по телефону: 638 -46-08

Ученый секретарь Совета_______________________Гераськин В. В.

д. ф-м. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Основными дискретными элементами систем и устройств промышленной электроники являются силовые полупроводниковые приборы – выпрямительные диоды, тиристоры, транзисторы, и т.д. Развитие конструкций дискретных приборов, в частности, в области силовой промышленной электроники идет по пути увеличения рабочих токов и напряжений, что требует новых технологических решений при выращивании полупроводникового монокристалла и разработке силовых полупроводниковых приборов на его основе. Это необходимо дальнейшего увеличения рабочих токов Iраб. и напряжений Uраб при одновременном снижении габаритов приборов и массы систем их охлаждения, Особенностями планарных силовых полупроводниковых приборов являются электрофизические эффекты, возникающие при приложении к прибору прямого и обратного напряжения а так же сложность отвода тепла, выделяющегося в полупроводнике и контактах : повышение плотности рабочего тока у одного из электродов, чья площадь меньше из-за фасок и охранных колец по краям полупроводниковой пластины, что может приводить к локальному перегреву и выходу структуры из строя; трудности при изготовлении плоских контактов к полупроводниковым структурам больших диаметров ( более 50 мм). Мощный планарный силовой полупроводниковый прибор всегда имеет радиаторы с воздушным или водяным охлаждением, значительно превышающие по габаритам и массе сам прибор.

Для устранения указанных особенностей планарных силовых полупроводниковых приборов были разработаны основы технологии производства монокристаллов кремния в виде полых цилиндров для изготовления на их основе силовых выпрямительных низкочастотных диодов. Структура трубчатых цилиндрических монокристаллов кремния должна соответствовать требованиям, предъявляемым к структуре монокристаллов, предназначенных для изготовления полупроводниковых приборов, плотность дислокаций должна быть не выше 103-104 см-2.

Известно, что профильные кристаллы кремния из расплава в виде труб выращивают методом Степанова. Их структура, содержащая более 106 см-2 дислокаций, не позволяет изготавливать на их основе мощные силовые полупроводниковые приборы.

Целью работы была разработка основ технологии выращивания монокристаллов кремния в виде полых цилиндров из расплава без формообразователя. В работе ставились следующие задачи: расчёт процессов теплопереноса в системе «полый цилиндрический кристалл-расплав» в процессе роста и в элементах конструкции теплового узла ростовой установки; разработка элементов теплового узла, позволяющего стабильно выращивать профилированные полые трубчатые монокристаллы кремния, пригодные для изготовления на их основе силовых выпрямительных диодов большой мощности; исследование влияния тепловых условий выращивания цилиндрических полых монокристаллов кремния на параметры их структуры и распределение удельного электросопротивления, изготовление опытных образцов выпрямительных диодов на основе полученных полых трубчатых монокристаллов кремния.

Научная новизна. На основании расчетов процесса теплообмена в системе «цилиндрическая полая затравка-расплав кремния в тигле» установлены общие закономерности процесса выращивания монокристаллов кремния в виде полых цилиндров методом Чохральского без формообразователя:

- температура расплава внутри цилиндрической затравки Т центра превышает температуру кристаллизации расплава кремния в зоне касания расплава ее торцом ;

- равенство удельных тепловых потоков «q» к внутренней и внешней поверхностям растущего трубчатого монокристалла ;

- величина градиента температуры по вертикальной оси системы цилиндрическая затравка- монокристалл исключает возникновение термоупругих напряжений, приводящих к образованию дислокаций.

На основе результатов расчета теплопередачи в системе цилиндрическая полая затравка- расплав создан ростовой узел новой конструкции для установки « Редмет-10М».

. Впервые методом Чохральского выращены полые монокристаллы кремния марки КЭФ-0,02 цилиндрической формы с плотностью дислокаций не выше (1-5)103 см–2 и разбросом удельного электрического сопротивления по объёму монокристалла не более 10%.

Получено решение о выдаче патента РФ по заявке № 2007112010/15(013056) от 01.08.2008. «Способ выращивания полых цилиндрических монокристаллов кремния на основе способа Чохральского и устройство для его осуществления».

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны технологические основы выращивания полых цилиндрических монокристаллов кремния из расплава методом Чохральского, что позволяет выращивать монокристаллы кремния с внутренним диаметром 30-38 мм, толщиной стенки 3-5 мм, плотностью дислокаций не выше (1-5)103 см–2, удельное электрическое сопротивление (УЭС) 0,02 Омсм, разброс значений УЭС не более 10%. На основе полученных монокристаллов возможно создание силовых выпрямительных диодов большой мощности, в которых охлаждение осуществляется пропусканием хладагента сквозь прибор по центральному каналу корпуса. Экспериментальные непланарн выпрямительные диоды имеют улучшенные электрические параметры и сниженное в несколько раз тепловое сопротивление корпуса по сравнению с корпусами планарных диодов; требуют радиаторов уменьшенной массы для охлаждения прибора по сравнению с существующими аналогами.

Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «Подольский химико – металлургический завод» г. Подольск.

На защиту выносятся.

1. Результаты расчета температурных полей в системе « цилиндрический полый монокристалл-расплав» в ростовом узле для проведения процесса выращивания профилированных монокристаллов кремния в виде полых цилиндров по методу Чохральского;

2. Теоретическое обоснование метода выращивания профилированных монокристаллов кремния в виде полых цилиндров методом Чохральского;

3. Технологические основы процесса выращивания монокристаллов кремния в виде полых цилиндров из расплава, обеспечивающие получение структуры профильных монокристаллов кремния со следующими параметрами: постоянный внешний диаметр, постоянная толщина стенки, разброс значений удельного электрического сопротивления не более 10%, плотность дислокаций не выше (1-5) 103 см-2.

Личный вклад автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Выбор темы и обсуждение полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем к. ф-м. н., профессором Блиевым А.П.

Основной объем теоретической, экспериментальной и расчетной работы И.В. Силаев выполнил самостоятельно. При непосредственном участии автора были получены первые образцы цилиндрических полых трубчатых монокристаллов кремния.

Работа проводилась при сотрудничестве с кафедрой технологии материалов электроники института физико - химии материалов ФГОУ ВПО МИСИС (ГТУ). Соавторы совместных публикаций не возражают против использования результатов исследований в настоящей диссертации.

Апробация результатов. Основные результаты, полученные в диссертации докладывались:

1. VII Московский Международный салон инноваций и инвестиций. г. Москва, февраль 2007.

2. Конференция «Промышленные технологии», Италия, г. Римини, сентябрь 2007г.

3. Конференция «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», Египет, Шарм-эль-Шейх, ноябрь 2007 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и списка литературы. Объем работы составляет 177 страниц, в том числе 112 рисунков и 23 таблиц. Список цитируемой литературы составляет 157 названий.

Основное содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность работы и выбор объектов исследования, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основании литературных данных выполнен сравнительный анализ способов получения профильных монокристаллов кремния. В главе дан обзор основных существующих методов выращивания профильных кристаллов кремния в виде труб из расплава – разновидностей способа А.В.Степанова. Описаны различные виды дефектов, которые образуются в результате взаимодействия расплава кремния с материалом формообразователя. Показано, что применение формообразователя, находящегося в контакте с расплавом и имеющего капиллярный питающий канал, обуславливает образование крупноблочной столбчатой структуры профилей, что вызывает образование дислокаций в структуре до 108 см-2 и не позволяет использовать вращение тигля и затравки для усреднения температурного поля и концентрации примеси у фронта кристаллизации. Изделия в виде труб, которые выращиваются с применением формообразователя, имеют столбчатую поликристаллическую структуру; плотность дислокации порядка 106—107 см–2; включения инородных частиц (SiC) в стенках профиля.

В изученной литературе не найдено сведений по получению монокристаллов в виде полых цилиндров классическим методом Чохральского.

В связи с этим существует необходимость исследования, моделирования и оптимизации параметров роста полых цилиндрических монокристалла кремния.

Во второй главе на основе выполненных исследований и анализа литературных данных о тепло - и массопереносе в процессе выращивания профильных кристаллов из расплава выбран способ Чохральского для получения монокристаллов кремния в виде труб, с малой плотностью дислокаций в структуре не выше 103-104 см-2.

На основе проведенных теоретических исследований обосновано применение полой цилиндрической монокристаллической затравки, предварительно изготовленной из монокристалла кремния и разработаны основные тепловые и гидродинамические условия процесса выращивания профильных трубчатых монокристаллов кремния со свободной поверхности расплава: неравномерное распределение температуры по объему и поверхности расплава в тигле. Температура в центре (Тц) должна быть выше температуры у краев (Tкраев); равенство удельных тепловых потоков к боковой поверхности растущего кристалла с внутренней и внешней сторон qвнутр=qвнеш; минимальный градиент температуры по толщине стенки профильного монокристалла T(r)min; инверсное направление конвективных потоков расплава, при котором их движение направлено от центра дна тигля по вертикали вверх и далее к краям, обратно движению потоков в классическом методе Чохральского; подавление колебаний поверхности расплава в результате движения конвективных потоков, амплитуда колебаний должна быть много меньше толщины стенки растущего кристалла; ламинарный режим движения расплава в непосредственной близости у поверхности фронта кристаллизации, при Vmin и Re0; отсутствие колебаний температуры (градиента температуры) по сечению растущей трубы; перемешивание расплава из фронта кристаллизации с целью подавления диффузионного переохлаждения в расплаве у фронта кристаллизации; обеспечение условий плоского фронта кристаллизации – по всему сечению фронта кристаллизации – оптимальное значение переохлаждения Tdiff должно совпадать с поверхностью фронта кристаллизации.

Для исследования перечисленных условий был проведен расчёт распределения температуры в системе «цилиндрическая затравка - кристалл» с помощью прикладной программы, разработанной Институтом Прикладной Механики РАН. Схема объекта представлена на рисунке 1.

 Рисунок 1- Схема взаимного расположения-0

Рисунок 1- Схема взаимного расположения тигля с расплавом и элементов теплового узла с резистивным нагревателем. 1 - полая цилиндрическая затравка с боковыми окнами; 2 – кварцевый плавильный тигель с плоским дном; 3 – полая графитовая цилиндрическая опора; 4 - конусный тепловой экран; 5 – нагреватель; 6 – торец нижнего штока.

Моделирование распределения температуры в системе цилиндрическая затравка - расплава и тепловой баланс при теплообмене между поверхностями, обозначенными на схеме, рассчитывали на основе сопряжения данных расчета кондуктивного теплопереноса в твердых деталях ростового узла и радиационного теплопереноса в вакууме, с обязательным учетом таких свойств материалов элементов теплового узла, как плотность, теплоемкость, коэффициент черноты поверхности, теплопроводность.

Уравнение кондуктивного теплопереноса для всех элементов деталей

теплового узла записывали в виде

, (4)

Распределение температуры по зеркалу расплава в тигле при различном его положении относительно верхнего среза нагревателя представлены на рисунке 2.

  Распределение температуры по-2

Рисунок 2 — Распределение температуры по зеркалу расплава.

1 — зеркало расплава в тигле ниже верхней кромки нагревателя на 30 мм; 2 — зеркало расплава в тигле выше верхней кромки нагревателя на 5 мм; 3 — зеркало расплава в тигле на уровне верхней кромки нагревателя

Результаты расчета тепловых полей в системе расплав- цилиндрическая затравка показали, значения градиентов температуры по вертикали и по горизонтали в расплаве зависят от взаимного расположения элементов теплового узла, плавильного тигля и конусного экрана, что позволяет управлять величиной этих градиентов.

Перемещение тигля с расплавом по высоте относительно верхней кромки нагревателя при одном и том же положении края конусного экрана относительно верхней кромки нагревателя приводит к изменению значений градиентов температуры по вертикали и горизонтали от центра поверхности расплава. Перемещение тигля позволяет управлять величинами градиентов температуры в расплаве.

Применение экрана с утеплителем позволяет увеличить значения градиентов по вертикали (оси вращения тигля) и по горизонтали (по поверхности расплава) в тигле.

 Расчетное распределение-3

Рисунок 3 - Расчетное распределение температуры в системе расплав- затравка по зеркалу расплава в тигле при расположении зеркала расплава в тигле на уровне верхней кромки нагревателя 1 - конусный экран без утеплителя ниже дна тигля, 2 - конусный экран без утеплителя на уровне дна тигля, 3 - конусный экран без утеплителя на уровне зеркала расплава в тигле.

Изменение высоты нижней кромки конусного экрана над поверхностью расплава в тигле от 5 до 15 мм слабо влияет на величину градиента по вертикали, (по оси тигля). Изменение высоты нижней кромки конусного экрана влияет на изменение градиента температуры в глубине и на поверхности расплава в тигле.

Выполненные расчеты распределения температуры расплава в системе затравка—расплав показали, что при выбранной схеме расположения деталей теплового узла величина градиента температуры по вертикали может составлять от 0,3 до 0,5 К/мм. Температура расплава внутри цилиндрического кристалла на поверхности расплава может превышать температуру расплава в зоне кристаллизации: Трасплава внутр. > Tрасплава внешн..

 Расчетное распределение-4

Рисунок 4 - Расчетное распределение температуры по зеркалу расплава в тигле при различных расположениях экрана с утеплителем относительно уровня зеркала расплава. Зеркало расплава на уровне верхней кромки нагревателя. 1- экран с утеплителем ниже дна тигля; 2- экран с утеплителем на уровне поверхности зеркала расплава в тигле.

По итогам моделирования предложен способ выращивания монокристаллов кремния в виде труб, отличающийся тем, что сечение профильного монокристалла в виде окружности формируется в результате смачивания расплавом торца профильной цилиндрической полой затравки.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния тепловых условий выращивания профильного монокристалла кремния методом Чохральского на его параметры с целью определения условий формирования структуры с плотностью дислокаций не выше 103-104 см-2. Так же в главе были произведены теоретические расчеты для использования в процессе роста тиглей диаметрами 152 и 200 мм.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.