Головко Юрій Вікторович. Зв’язок розподілу домішок в монокристалах кремнію з технологічними параметрами вирощування

brief description

Головко Юрій Вікторович. Зв’язок розподілу домішок в монокристалах кремнію з технологічними параметрами вирощування : Дис... канд. наук: 05.02.01 2009

Головко Ю.В. Звязок розподілу домішок в монокристалах кремнію з технологічними параметрами вирощування. Рукопис дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 «Матеріалознавство». Луцький національний технічний університет МОН України, м. Луцьк, 2009.
Розроблені математичні моделі розподілу домішок в монокристалах кремнію, що грунтуються на рівнянні балансу маси домішки, враховують залежність розподілу домішок від технологічних факторів процесу вирощування і не використовують такі фізичні параметри, які не можна виміряти в умовах промислового виробництва монокристалів.
За допомогою моделей оцінені за експериментальними даними величини ефективних коефіцієнтів розподілу легуючих (бор, фосфор) і фонових (вуглець і кисень) домішок; швидкостей надходження в розплав вуглецю й кисню з конструктивних елементів робочої камери та розчинення кварцу тигля в розплаві кремнію. Досліджені залежності цих величин, а також густини і розподілу мікродефектів від концентрації домішок і технологічних параметрів процесу вирощування монокристалів кремнію в промислових умовах.

1. Удосконалено спосіб вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральського:
шляхом введення в тепловий вузол установки вирощування комплекту додаткових теплоізолюючих екранів, завдяки чому економія споживаної в процесі вирощування монокристала електроенергії склала 43%; продуктивність процесу вирощування підвищилась на 34 %; маса придатної частини вирощуваного монокристала збільшилась на 25 %;
шляхом обдування монокристала висхідним потоком інертного газу (аргону) на ділянці, розташованій на відстані 0,40,6 діаметра вирощуваного монокристала від фронту кристалізації [9], завдяки чому швидкість витягування монокристала можна підвищувати в 1,68 разів порівняно зі стандартною технологією;
шляхом підтримання товщини розплаву під фронтом кристалізації, рівною 0,30,5 радіуса монокристала [8], завдяки чому підвищилась однорідність розподілу легуючої домішки за радіусом вирощуваного монокристала: величина радіального відносного відхилення питомого електричного опору по торцю монокристала знизилася на 3035 %.
2. Розвинутий новітній методологічний підхід до оцінювання фізичних параметрів розподілу домішок в кремнії, що заснований на математичному моделюванні.
3. Вперше побудовано математичні моделі розподілу домішок фосфору й кисню в кремнії під час вирощування монокристалів кремнію; удосконалено математичні моделі розподілу домішок бору і вуглецю. Переваги моделей:
врахування залежності фізичних параметрів розподілу від комплексу технологічних параметрів процесу вирощування монокристалів;
використання при їхньому розв'язанні поряд з довідниковими даними тільки тих параметрів якості монокристалів кремнію, що обов'язково вимірюються при стандартному контролі в промислових умовах;
інтегрованість в визначених величинах фізичних параметрів розподілу домішок впливу всіх технологічних факторів процесу вирощування монокристалів, включно з такими з них, що не піддаються безпосередньому вимірюванню та ідентифікації в промислових умовах.
4. За експериментальними даними за допомогою розроблених математичних моделей здійснено оцінювання фізичних параметрів, що визначають розподіл домішок в монокристалах кремнію та є необхідними для оптимізації технологічного процесу їхнього вирощування: величини ефективних коефіцієнтів розподілу основних домішок, а також швидкостей збагачення розплаву вуглецем і киснем. Вперше визначено величину швидкостей збіднення під час кристалізації розплаву кремнію летучими компонентами (фосфором й монооксидом кремнію).
5. Вперше встановлені кількісні зміни величини фізичних параметрів розподілу домішок фосфору, вуглецю й кисню в кремнії за довжиною монокристалів кремнію діаметром 100 мм, вирощених за методом Чохральського в промислових умовах:
ефективний коефіцієнт розподілу бору в слабко легованих монокристалах кремнію трохи зростає тільки в кінцевій частині монокристала, а в сильно легованих помітно зростає по всій його довжині;
ефективні коефіцієнти розподілу фосфору й кисню в кінцевій частині монокристала зменшуються на 30 %;
ефективний коефіцієнт розподілу вуглецю помітно зменшується по всій довжині монокристала;
швидкість випаровування з розплаву атомів фосфору й молекул монооксиду кремнію зменшуються при рості кінцевої частини монокристала.
6. Встановлений кількісний зв’язок параметрів розподілу домішок в кремнії з такими технологічними факторами процесу вирощування його монокристалів в промислових умовах, як швидкість кристалізації і переміщення тигля уверх відносно нагрівача на протязі процесу вирощування. Показано, що зменшення ефективного коефіцієнта розподілу домішок фосфору, вуглецю й кисню зі зменшенням швидкості вирощування монокристала є набагато більшим, ніж це випливає з кінетичної теорії кристалізації.
7. Вперше встановлений зв’язок між рівнем концентрації бору в монокристалах кремнію та зміною величини ефективного коефіцієнта його розподілу за довжиною монокристала.
8. Вперше встановлена тенденція залежності величини густини і розподілу мікродефектів в монокристалах кремнію з кристалографічною орієнтацію <100> та <111>, діаметром 100 мм з концентрацією домішки бору.
9. Результати виконаних оцінок і встановлені залежності ефективних коефіцієнтів розподілу основних домішок в кремнії від їхньої концентрації та від зміни технологічних параметрів на протязі процесу вирощування монокристала дозволяють збільшити довжину придатної частини монокристалів кремнію, тобто вихід придатного продукту.