CC BY
58
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621. 365
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВА В
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО
ОКСАНИЧА.П., МИХАЛЬЧУКВ.И.
Проводится краткий анализ условий теплообмена кристалла с окружающей средой ростовой установки и анализ методов контроля температуры расплава. Предлагается метод контроля температуры расплава кремния, приводятся основные соотношения и структурная схема подсистемы контроля температуры.
1. Введение
Большая часть монокристаллического кремния для изделий микроэлектроники производится методом Чохральского. Преимущества данного метода обусловлены возможностью увеличения диаметра кристалла, удовлетворением повышенных требований к структурному совершенству. Реализация потенциальных резервов, заложенных в методе, позволяет ужесточить требования по однородности электрофизических параметров: распределению примесей и микродефектов в объеме кристалла, величине времени жизни неосновных носителей заряда, нормированному содержанию кислорода, микрораспределению основной легирующей примеси и кислорода, уменьшению концентрации углерода, других фоновых примесей, созданию бездефектных приповерхностных зон и пр. [1] .
Дислокационная структура кристаллов (структурное совершенство) может формироваться различными путями [2,3]. Однако главной причиной образования дислокаций в кристалле являются температурные напряжения, возникающие во время роста кристалла, что экспериментально подтвер -ждено еще в 1958 году в работе Пеннинга [4].
Одним из основных контролируемых параметров при выращивании структурно-совершенных слитков кремния является температура поверхности расплава на границе фронта растущего слитка. В отечественных установках типа РЕДМЕТ температура расплава контролируется косвенно по температуре резистивного нагревателя. Вместе с тем, установка для выращивания монокристаллов представляет собой тепловой агрегат, в котором происходит сложный лучистый теплообмен между свободной поверхностью расплава, растущим кристаллом, средой, окружающей кристалл, и стенками
камеры выращивания. Установить однозначную зависимость между температурой нагревателя и температурой расплава сложно еще из-за таких факторов, как масса загрузки в тигель, текущее значение диаметра, масса и скорость роста слитка.
2. Постановка задачи
Цель — осуществить анализ методов контроля температуры расплава кремния вблизи границы фронта кристаллизации, обеспечивающих поддержание тепловых условий на протяжении всего технологического цикла получения монокристаллического слитка кремния по методу Чохральского.
Метод контроля температуры должен отвечать следующим требованиям: 1) погрешность измерения температуры для получения высококачественных слитков — не более ± 6°С; 2) диапазон измерения температуры — 1250- 1500°С; 3) не допускать легирование расплава химическими элементами; 4) не предполагать конструктивных изменений ростовой установки; 5) быть эффективным для реализации в составе автоматизированной системы.
3. Краткий анализ условий теплообмена кристалла с окружающей средой ростовой установки и анализ методов контроля температуры расплава
Температурные напряжения в кристалле — следствие неоднородного распределения температуры в слитке в процессе роста. Так как температурное поле кристалла определяется условиями теплообмена кристалла с окружающей средой, то исследование тепловых условий выращивания является необходимым для определения закономерностей формирования дислокационной структуры монокристаллов.
Проанализировать тепловые условия выращивания кристалла означает указать закономерности распределения удельных тепловых потоков на поверхности слитка. В условиях лучистого теплообмена в камере установки результирующий поток тепла на поверхности кристалла можно представить в виде [5]
q(z) = вПр5q [(tr(z) + 273)4 - (tШв (z) + 273)4] ,(1)
где в Пр — приведенная степень черноты системы, состоящей из кристалла и окружающей его среды; tr(z) — некоторая эффективная радиационная температура окружающих кристалл поверхностей.
Закон распределения удельного теплового потока q(z) по кристаллу можно получить с помощью конвективного теплообмена:
q(z) = a(z)(tпов (z) - tCp(z)) (2)
здесь a(z) — коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; tcp(z) — температура окружающей среды.
В этом случае радиационный теплообмен, характеризуемый параметрами вПр и tr (z), эквивалентен конвективному теплообмену с параметрами a(z) и
РИ, 2004, № 1
28
tcp (z). Символически эту равноценность представим соотношением [5]
{q(z)} = (єпр ,tr (z)} = (a(z), tcp (z)} . (3)
Однако при таком анализе вся сложность описания процесса теплообмена переносится на определение
коэффициента a(z) и температуры tcp(z), необходимые сведения о которых могут быть получены только на основании тщательного анализа экспериментальных данных по измерению распределения температуры в слитке в процессе его вытягивания из расплава.
Наиболее простой способ контроля температуры расплава базируется на введении в расплав датчика температуры в виде терморезистора или термопары. Вместе с тем, применение контактного способа измерения температуры имеет ряд недостатков: возможно недопустимое легирование расплава химическими элементами, входящими в состав материала, из которого изготовлен защитный чехол; невозможно исключить отвод тепла по защитному чехлу, что неизбежно приведет к возмущению температурных полей расплава; технически сложно обеспечить вращение термопары или терморезистора вместе с тиглем, в котором находится расплав (в противном случае, если защитный чехол с датчиком остается неподвижным относительно тигля, возникнут недопустимые возмущения конвективных пото -ков расплава); поскольку выходной сигнал термопары очень мал, необходимо принимать специальные меры для снижения уровня шумов (и соответственно погрешности измерения).
К бесконтактным методам контроля температуры относятся методы, основанные на использовании законов излучения нагретых тел.
Получение монокристаллов кремния характеризуется высокой температурой плавления, а его повышенная реакционная способность требует проведения процессов в вакууме или в среде инертного газа при пониженном давлении. В процессе выращивания монокристаллов рабочий объем ростовой установки заполняется инертным газом, поэтому вывод излучения для измерения температуры осуществляется только через смотровое кварцевое окно, которое постепенно заращивается соединениями
кремния с кислородом вида БіхОі-х, что существенно влияет на результаты измерения температуры расплава [6].
Пирометры частичного излучения, равно как и пирометры полного излучения, работа которых основана на измерении его интегральной мощнос -ти, не дают требуемых результатов измерения температуры. Это обусловлено тем, что в общем спектре излучения найдется такой диапазон длин волн, который существенно поглощается соединениями кремния с кислородом вида 8іхО1-х, причем по мере зарастания смотрового окна этот диапазон будет смещаться. Кроме того, в пирометрах частичного и полного излучения очень трудно исключить или компенсировать влияние излучения частиц, находящихся в промежуточной среде между расплавом кремния и смотровым окном, а также оптические помехи, так как характер их проявления не однозначен в определенный момент времени [7].
Большой интерес для решения данной задачи представляют цветовые двух- или трехволновые пирометры [6-8].
Известно [9], что в некоторых случаях поглощательная способность реального тела хотя и остается меньшей единицы, однако является постоянной для всех частот (длин волн). Такие тела называют серыми. Излучение серого тела описывается функцией Планка (4), умноженной на коэффициент
серости а 0. Излучение поверхности расплава кремния, прошедшее сквозь защитное кварцевое окно и промежуточную среду расплав — смотровое окно, близко по характеристикам к излучению серого излучателя в диапазоне длин волн А > 1,15 мкм, где поглощением энергии в соединениях SixO1-x можно пренебречь [6]: с2
E= C^A, 5(e - 1) вт/м3, (4)
C1 =3,6910 -16 Вт/м2; С2=1,4410 -2 м К; А - длина волны, м; Т — температура, К.
Таким образом, можно предположить, что температура, измеренная с помощью цветового пирометра, будет наиболее близка к истинной температуре расплава кремния.
7
Структурная схема подсистемы контроля температуры расплава кремния
1
2
3
4
5
6
РИ, 2004, № 1
29
4. Основные соотношения для определения температуры расплава с помощью двухволнового цветового пирометра
Воспользовавшись уравнением Вина (5) [9]:
_ C2
EAT = CA 5е ХТ , (5)
можно записать для двух длин волн:
_ C2
Е(АД - C1^15e АД , (6)
C2
Е(А2) = C1^2 e A 2T (7)
Разделив уравнение (6) на (7) и взяв логарифм отношения, получим
ln^l)
Е(А 2)
C 2
2
1
A-1 у
I - 5ln -^L T A 2
(8)
сказывается селективность поглощения промежуточной среды, то значения тч (А1) и т ч (А2) приравняем к нулю. Тогда в конечном итоге уравнение (12) примет вид
T = C2
( ± ± Ї
у А 2 ^1 У
ІпЕрЧЧ + 5in
Ер (А2) А2
(13)
( ± ± Ї
или t = C2 Е ^ ^ ---273" C . (14)
ІпГііМ + 5 In Ті
ЕР (^2) ^2
Контроль температуры расплава кремния можно выразить в виде подсистемы (рисунок) единого комплекса средств автоматизации ростовой установки типа РЕДМЕТ.
С другой стороны — общий поток излучения, попадающий в объектив:
Е(^г) = Е р(^г) + Е ч(^1 ^ч^) (9)
и Е(А 2) = Е Р (А 2) + Е Ч (А 2 ^ Ч (А 2), (10)
где т ч (А) — коэффициент пропускания промежуточной средой, зависящий от длины волны, толщины среды и концентрации частиц; Е р (А^, Е р (А 2 ) - энергетическая яркость расплава на длине волны А1 и А 2; Е ч (А1), Е ч (А2) — энергетическая яркость частицы на длине волны А1 и А2 . Подставив (9) и (10) в уравнение (8), получим
ln Ер(^з)+Еч^^ч^) ЕР (А 2)+Еч (А 2 К (^2)
C2
2
1
^1 у
-І - 5ln *1
T A2,
(11)
откуда
( ± ± Ї
T = C U2 Х1J _____________
2 ln ЕР^) + Ечч(Aj , 5ln ^1 . (12)
Е Р (А 2) + Е ч (А 2 )т ч (Л 2) А 2
Таким образом, для определения температуры расплава необходимо в каждый момент времени знать разницу
1п(ЕР (АД + Еч(А1)Тч(А1)) - 1п(Ер(А2) + Еч(А2)Тч (A2)), а также значения т ч (А 1) их ч (А 2), учитывающие неравномерность поглощения энергии по спектру, т.е. относительную прозрачность промежуточной среды.
Но поскольку на результатах измерения так называемой цветовой температуры значительно меньше
В камере 1 с помощью штока 2 осуществляется вращение и перемещение затравкодержателя 3 и кристалла 4. Температура расплава 6, расположенного в графитовом тигле, поддерживается резистивным нагревателем 5. Излучение из поверхности расплава по линии визирования через кварцевое стекло 7 поступает в оптическую систему 8 пирометра. Преобразованный оптический сигнал в электрический блоком 9 передается через предварительный усилитель 10 на синхронный детектор 11, роботу которого поддерживает триггер Шмидта 12, формирующий прямоугольные импульсы. Блок 13 осуществляет фильтрование и разложение сигнала на переменную и постоянную составляющие. Постоянная составляющая через масштабный усилитель 14 и преобразователь уровня 17 поступает в ПЭВМ 19. Переменная составляющая в ПЭВМ передается через усилитель 16 и АЦП 18. Работу блоков 13, 14 и 16 синхронизирует таймер 15. Дальнейшая обработка информации происходит на программном уровне.
5. Заключение
Предложен метод контроля температуры расплава кремния, выращиваемого по методу Чохральского. В частности, предлагается использование цветового пирометра, разработанного авторами [6]. Применение многоволнового пирометра обеспечивает точность измерения температуры не хуже чем ± 6°С в диапазоне измерения температуры от 1250 до 1500°С, что подтверждено экспериментами [6]. Метод не вносит легирующих воздействий на расплав кремния, а также не требует конструктивных изменений ростовой установки.
Литература: 1. Оксанин А.П. К вопросу влияния измерения температуры расплава на структурное совершенство слитков кремния // Системні технології. 2001. №4. 89 с. 2. Дэш В. В кн. 2 “Дислокации и механические свойства кристаллов”. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. С.413-435. 3. МильвидскийМ.Г., ОсвенскийВ.Б., Шифрин С. С., Гришина С.П. В кн. “Рост и легирование полупроводниковых кристаллов и пленок” , ч. II. Новосибирск: Наука, 1977. С. 273-279. 4. Penning P. Phillips Research
30
РИ, 2004, № 1
Reports, 1958, Vol. 13, N I. P. 79-97. 5. Щелкин Ю.Ф., Холодовская A.A., Титюник Л.Н. Анализ условий теплообмена кристалла с окружающей средой в процессе получения слитков из расплава методом Чохральского. Научные труды Гиредмета. Т. 103. С. 3-15. 6. Оксанин А.П., Вдовиченко Н.Д. Новые принципы построения устройств контроля процессов выращивания структурно-совершенных слитков кремния большого диаметра // Радиоэлектроника и информатика. 2001. № 1. С. 4245с. 7. Михальчук В.И. Влияние промежуточной среды на измерения температуры расплава в процессе выращивания монокристаллов кремния // Нові технології. 2002. №1. С. 19-21. 8. Михальчук В.И., Сидоренко С.Д. Применение многоволновых цветовых пирометров для определения температуры расплава в процессах выращивания монокристаллов кремния // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2002. № 9. С. 109-111. 9. Горбат А.М. Оптические измерения. Киев: Техника, 1967. С. 172-194.
Поступила в редколлегию 02.10.2003
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.
Океании Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, проректор по НИР, зав. кафедрой КСА ИЭНТ, г. Кременчуг. Научные интересы: исследование физических процессов в полупроводниках, разработка измерительного оборудования. Увлечения и хобби: охота. Адрес: Украина, 39614, Кременчуг, ул. 50-лет СССР, 29, кв. 139, тел. (053бб) 3-83-33. E-mail: oksanich@cat-ua..com.
Михальчук Виктор Ильич, доцент кафедры ИУС ИЭНТ, г.Кременчуг. Научные интересы: современные компьютерные технологии, компьютеризация процессов выращивания полупроводников. Увлечения и хобби: радиоконструирование, спорт. Адрес: Украина, 39614, Кременчуг, ул. Первомайская, 3, кв. 49, тел.(05366) 303-22. E-mail: mihalchuk@cat-ua.com.
УДК 621.382.3
ОЦЕНКА ДИОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ТЕМНОВОМ РЕЖИМЕ
СУПРУНЖ.М., ПИСЬМЕНЕЦКИЙ В.А., СЛИПЧЕНКО Н.И.
Приводятся методы расчета диодных параметров фотоэлектрических преобразователей по темновым ВАХ. Исследуется влияние фактора неидеальности и сопротивления базы на вольт-амперную характеристику и дифференциальное сопротивление реальных полупроводниковых структур. Предлагается компьютеризированный метод измерения ВАХ.
Введение. Как известно [1,2], фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) работают в темновом и освещенном режимах. Обработка экспериментально полученных темновых ВАХ ФЭП сводится к анализу традиционных диодных ВАХ в прямом и обратном включениях. Изучение прямых ветвей темновых ВАХ ФЭП является эффективным экспрессным методом их первичной аттестации как на стадии разработки, так и на стадии серийного выпуска. При этом [2] в прямом включении определяются коэффициент неидеальности n, ток насыщения I0, и последовательное сопротивление Rn, которое фактически определяется сопротивлением R6 базовой области.
Темновая ВАХ ФЭП описывается выражением:
I = Ід
exp
e(U - IR б nkT
-1
(1)
где I — ток, протекающий через неосвещенный ФЭП; U — напряжение на ФЭП; R6 — сопротивление базы.
Это выражение легко преобразуется к виду [2]:
I = Bi{exp(B2U - B3I) -1, (2)
здесь В1=10, B2=e/(nKT), B3= eRg/(nkT).
Получение искомых параметров обычно достигается путем варьирования коэффициентовВ1-В3, которые обеспечивают наилучшую аппроксимацию темновой ВАХ.
Анализ состояния проблемы позволил сделать вывод о том, что данная методика не позволяет однозначно установить точные значения искомых параметров.
Актуальноеть иееледования определяется прикладной направленностью научных результатов. Измерение и последующая аналитическая обработка темновых и нагрузочных световых ВАХ - наиболее информативные методы для определения электрических параметров кремниевых ФЭП на стадии оптимизации их конструктивно-технологических решений (КТР).
Цель иееледования. Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования, в том числе анализ влияния указанных фотоэлектрических параметров R и n на огибающую ВАХ с учетом результатов анализа разработки алгоритма их вычисления.
Объектами иееледования являются фотоструктуры, полученные с применением разработанных КТР. В процессе проведения работы использовались еледующие методы: измерения электрофизических параметров и ВАХ. Обработка результатов, расчет и определение параметров структур проводились с применением средств вычислительной техники.
Новизна иееледования. Научная новизна работы заключается в изучении влияния сопротивления базы^ и коэффициента неидеальности n на реальную ВАХ и дифференциальное сопротивление с применением современных компьютерных программ, а также в разработке алгоритма определения этих параметров для реальных образцов диодов.
РИ, 2004, № 1
31
