1.2 Выращивание мультикристаллического кремния

На сегодняшний день нет теории кристаллизации, в которой могло быть учтено частное выражение теории фазовых переходов с учётом всех особенностей кристаллического состояния. Каждая из нихиспользоваться только в узкой области практики кристаллизации и объясняет только одну сторону процесса, например, адсорбционную, диффузионную, дислокационную и т.д.

На основе приближения межфазной кинетики роста кристалла на атомно-шероховатой поверхности принято считать, что процесс продвижения фронта кристаллизации описывается гидродинамикой расплава и сопряжённым теплообменом с твёрдой фазой, границу которой определяет некая изотерма фазового перехода [9]. То есть при разработке основ управления процессом роста кристалла используют численное моделирование гидродинамики и сопряжённого теплообмена.С помощью чисел Pe, Gr и Sc для горизонтального варианта метода Бриджмена рис.1, показано влияние конвекции, обусловленное различными типами продольной макросегрегации примеси.

Рис.1 Области различных типов продольной макросегрегации при направленной кристаллизации (горизонтальный вариант метода Бриджмена) в плоскости безразмерных параметров: конвективный теплоперенос Gr·Scскорость роста Ре[9]: а) k_eff=1, чисто диффузионный перенос; б) k_eff ≈ k₀, полное конвективное перемешивание; в) k_eff ≈ k₀, полное перемешивание за счёт диффузии на предельно низкой скорости роста; г) k₀<k_eff<1 частичное перемешивание и пренебрежимо малое влияние переходных явлений; д) чисто диффузионный перенос и влияние переходных явлений; e) частичное перемешивание и преобладающее влияние переходных явлений.

Влияние конвекции на перенос вещества, описывается числом Vδ/D Пекле, которое зависит от толщины диффузионного слоя δ, коэффициента диффузииD, характеристической скорости V. Процесс теплообмена при свободной конвекции характеризует число Грасгофа Gr, характер отношения коэффициентов кинематической вязкости и диффузии вещества описывает число Шмидта Sc.Профили распределения (см.рис.1) демонстрируют возможные переходные явления в начале и в конце процессе роста. Переходные явления можно объяснить нестационарным распределением примеси в пределах диффузионного пограничного слоя, также конечностью объёма кристаллизуемого вещества.

При выращивании кристаллов фронт кристаллизации стремятся поддерживать плоским, а тепловую конвекцию либо подавляют, либо управляют ею. Максимально возможное подавление свободной конвекции при выращивании кристалла в диффузионном режиме (режиме теплопроводности) осуществляется следующими способами: охлаждение верхней части расплава максимально близкое к температуре кристаллизации; вращение системы в условиях микрогравитации; погружение в расплав нагревателей и экранов. Выращивание кристалла в режиме управляемой конвекции, осуществляющиеся следующими способами:перемещающееся и/или вращающееся магнитное поле;вибрационное перемешивание;вращающееся тепловое поле; использование ускоренного вращения тигля. Разработка метода выращивания должна решаться комплексно на основе эксперимента по выращиванию mc-Si и моделированию сопровождающих этот процесс гидродинамики и сопряжённого тепломассообмена.Рассмотрим и сравним методы, предназначенные для получения поликристаллических блоков кремния рис.2, такие как:плоскодонный вариант вертикального метода Бриджмена (DSS), метод активного теплообмена (НЕМ); метод литья (WICP), в котором плавление исходной загрузки осуществляют в отдельном контейнере, а кристаллизацию с дополнительным использованием горизонтального нагревателя для предупреждения замерзания свободной поверхности расплава.Данные методы различаются способом плавления исходной загрузки и условий теплоотвода:Процессы НЕМ и WICP отличаются высокими линейными скоростями кристаллизации.

Рис.2. Методы получения mc-Si: плоскодонный вариант метода Бриджмена DSS (слева), метод теплообмена НЕМ (в середине), метод отливки блоков кремния WICP (справа).

В тигле системы НЕМ фронт кристаллизации, приписываемый изотерме, является более выпуклым, чем в тигле DSS системы.Выпуклая форма хороша тем, что помогать вытеснению металлических примесей к краю слитка, расширять размер зерна, снижать плотность дефектов в кристалле. Однако, нужно избегать слишком выпуклый фронт кристаллизации поскольку он увеличивать время ростового цикла и остаточные деформации в слитке. Слитки, выращенные методом DSS, имеют лучшее качество пластины от боковых брусков, чем слитки-НЕМ, но пластин-НЕМ от центра слитков имеют лучшиехарактеристики поликристаллической структуры

Так как расплав кремния реагирует практически с любым веществом, то помимо выбора метода выращивания, важным вопросов является также выбор материала тигля.Традиционное применение кварца и графита обуславливает проблему кислорода и углерода в кремнии ввиду взаимодействия этих элементов с остаточными примесями и дефектами структуры, приводящего к деградации диффузионной длины ННЗ.Наилучшим в этом плане является стеклоуглерод. Данный материал благодаря его высокой химической стойкости, прочностным свойствам и гладкой поверхности, существенно уменьшает своё взаимодействие с кремнием.