CC BY
41
УДК 621.315.592
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.53451
ВЛИЯНИЕ КИСЛОРОДА И УГЛЕРОДА НА ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ УПАКОВКИ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ
© И. Ф. Червоный, А. В. Бубинец
Экспериментально установлено, что плотность окислительных дефектов упаковки (ОДУ) в монокристаллических пластинах кремния, легированных бором, тем выше, чем больше отношение концентрации атомов кислорода к концентрации атомов углерода в них. По результатам исследования геометрии колец ОДУ в разных сечениях монокристалла реконструирована геометрия областей с разной их плотностью. При корректировке режимов выращивания монокристаллов кремния достигается повышение выхода годного продукта
Ключевые слова: кремний, монокристалл, кислород, углерод, окислительный дефект упаковки, расплав, нагреватель, метод Чохральского, микродефекты
It is experimentally established, that density of oxidation-induced stacking faults (OISF) in the boron doped monocrystalline silicon plates, that above, than it is more relation of oxygen atoms concentration to carbon atoms concentration in them. On research results of geometry of OISF rings in the different sections of single-crystal geometry of areas is reconstructed with their different closeness. At adjustment of the growing modes of single-crystals of silicon the increase of output of suitable product is observed
Keywords: silicon, single crystal, oxygen, carbon, oxidation-induced stacking fault, fusion, heater, Chochralsky method, microdefects
ТЕХН1ЧН1 НАУКИ
1. Введение
Монокристаллы кремния, предназначенные для микроэлектроники, изготовляются выращиванием из расплава по методу Чохральского. В этом методе монокристалл, растущий на монокристаллической затравке, непрерывно вытягивается из расплава по мере кристаллизации всё новых его слоев. Расплав кремния находится в кварцевом тигле. Для расплавления кремниевой загрузки в тигле используют графитовый нагреватель. Тепловые экраны и другие элементы оснастки изготов-ливаются из материалов на основе графита. Процесс выращивания осуществляется в протоке инертного газа - аргона.
2. Литературный обзор
К чистоте монокристаллического кремния предъявляются очень высокие требования. Концентрация неконтролируемых примесей в нем не должна превышать 10-9 %. Примеси поступают в растущий монокристалл прежде всего из расплава. Это - разнообразные примеси, содержащиеся в исходном сырье - поликристаллическом кремнии полупроводниковой чистоты. Непосредственно в процессе выращивания в расплав поступает при-
месь кислорода вследствие частичного растворения в жидком кремнии стенок кварцевого тигля. Также в расплав поступают атомы углерода в результате их выделения нагретыми элементами графитовой оснастки плавильной камеры. Эти две загрязняющие прмеси в монокристаллах кремния называют фоновыми примесями, так как их поступление в расплав невозможно исключить при использовании существующих установок метода Чохральского. Многочисленными исследованиями показано, что атомы кислорода и углерода участвуют в процессах комплексообразования в монокристаллическом кремнии [1].
При изготовлении многих приборов и практически всех интегральных микросхем используется операция окисления кремниевых пластин. В процессе окисления в приповерхностных областях пластин наряду с появлением термических и механических напряжений происходит образование окислительных дефектов упаковки (ОДУ, О^) [1]. Это - двумерные дефекты, представляющие собой нарушение порядка укладки атомных слоёв. В кристаллической решётке кремния дефект упаковки чаще всего имеет меж-узельную природу и образуется путём «вставки» двух экстраплоскостей между двумя плотноупако-
ванными атомными плоскостями {111}. Окислительные дефекты упаковки снижают электрическую прочность плёнки двуокиси кремния, что приводит к снижению выхода годных приборов вследствие электрического пробоя изолирующего слоя [2].
При окислении дефекты упаковки зарождаются на микродефектах, представляющих собой кластеры межузельных атомов кремния, образовавшиеся в монокристалле кремния в процессе его выращивания. Это происходит из-за того, что по мере вытягивания монокристалла из расплава его верхняя часть постепенно остывает. Равновесная концентрация точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов кремния) падает, поэтому они начинают образовывать выделения. Микродефекты вакансионной природы образуются преимущественно при остывании от температуры 1420 до 1350 К [3], а межузельной природы - в более широком интервале температур - 1670... 1220 К [4]. Показано, что аггрегация межузельных атомов кремния происходит на примесных атомах углерода [5]. Атомы кислорода активно участвуют в образовании как микродефектов вакансионной природы, так и разнообразных комплексов.
Современный уровень технологии выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральско-го в Украине обеспечивает требуемую их чистоту, а также отсуствие линейных (дислокации) и двумерных дефектов (границ двойникови блоков, ростовых дефектов упаковки). Добиться полного отсуствия микродефектов в процессе выращивания монокристалла кремния по методу Чохральского невозможно. Можно лишь управлять концентрацией и типом микродефектов путём регулирования тепловой истории монокристалла, которая зависит не только от параметров процесса выращивания, но и от особенностей конкретной установки для выращивания. Поэтому на практике требуется экспериментальное исследование плотности и распределения ОДУ в монокристаллах кремния, выращенных в промышленных условиях.
3. Цель настоящей работы
Исследование влияния фоновых примесей кислорода и углерода на образование микродефектов, служащих зародышами окислительных дефектов упаковки, в ходе роста монокристаллов кремния в условиях промышленного их производства. Необходимость повышения структурного совершенства монокристаллов кремния, предназначенных для электроники, обусловливает актуальность такого исследования.
4. Материалы и методика исследований
Исследованы три пары бездислокационных монокристаллов кремния, выращенных в промышленных условиях по методу Чохральского с использованием установок типа «Редмет-30». Выращивание каждой пары монокристаллов производилось в одном процессе. Сначала выращивался монокристалл из первичной загрузки тигля. Загрузка состояла из поликристаллического кремния и отходов от разделки ранее выращенных монокристаллов кремния: их конических частей, забракованных по структурному
совершенству участков цилиндрическои части монокристаллов и т. п. Затем без остановки плавки в кварцевый тигель с остатками расплава загружалась дополнительная порция кремниевого сырья. Все монокристаллы - марки КДБ 12/24, легированы бором (концентрация ~1014 см-3), кристаллографическая ориентация - <100>, диаметр - 152,5 мм.
Параметры монокристаллов определяли по стандартным международным методикам. Методом поглощения инфракрасного излучения с использованием инфракрасного спектрофотометра измеряли концентрацию оптически активных атомов примесей кислорода [6] и углерода [7]. Наличие окислительных дефектов упаковки (ОДУ) контролировали на шайбах толщиной 10 мм, вырезанных из исследуемых монокристаллов кремния на различном расстоянии от начала их цилиндрической части и подвергнутых окислительному отжигу. Подготовку шайб производили по стандартной методике [8]. ОДУ выявляли путём селективного травления подготовленных шайб в одном из стандартных травителей [9] состава
100 мл (45 %-раствор) ОТ:50 г Сг03:100 мл Н2О.
Выявленные ОДУ наблюдали при помощи оптического микроскопа типа Альтами МЕТ 3Т. Методика подсчёта плотности ОДУ [10] несколько различна в зависимости от их количества, распределения и согласовывается с потребителем. В нашем исследовании использована методика контроля ОДУ, принятая на Запорожском заводе полупроводников по согласованию с потребителем их продукции - монокристаллов марки КДБ 12/24.
Сначала визуально устанавливали наличие или отсуствие матового кольца на поверхности протравленной шайбы. Затем под микроскопом проверяли, состоит ли это кольцо из ОДУ. При наличии кольца ОДУ шириной не менее 2 мм с плотностью ОДУ Нэд^Ю3 см-2 производили подсчёт Нэду в пяти точках, равномерно расположенных по окружности кольца
N = °ДУ 5 • S,
где п - количество ОДУ в ьтом поле зрения; Sпз - площадь поля зрения, см2.
При отсуствии кольца ОДУ, а также при наличии кольца ОДУ шириной меньше 2 мм или с Нэду<103 см-2 производили подсчёт Нэду в 9-ти точках по двум взаимно перпендикулярным диаметрам. Плотность ОДУ в этом случае
N = ——
'°ДУ п • S„.
где п=9 - количество контролируемых полей зрения.
Если ЫОду<100 см-2, то ЫОду подсчитывалось сплошным сканированием по обоим взаимно перпендикулярным диаметрам
N = — ' ОДУ Б • Ь'
где п - общее количество ОДУ, подсчитанное при сканировании; D - диаметр поля зрения микроскопа, см; L - общая длина линии сканирования (диаметр шайбы минус 1 см.), см.
Во всех случаях при подсчете учитывались только те ОДУ, которые в процессе окисления кремния образовались на внутренних микродефектах в монокристалле, то есть не связаны с механическими повреждениями поверхности шайбы.
5. Анализ влияния атомов кислорода и углерода на процесс образования зародышей ОДУ в монокристаллах кремния
Во всех шести исследованных монокристаллах в верхнем сечении их цилиндрической части обнаружены кольца ОДУ по периферии шайбы, а также ОДУ, равномерно распределённые по площади шайбы вне этих колец. Плотность ОДУ в кольцах на 2.. .3 порядка выше, чем за их пределами (рис. 1).
По мере удаления от верхнего сечения цилиндрической части монокристалла радиус колец ОДУ увеличивался, то есть кольца смещались к периферии шайбы. На некотором расстоянии от верхнего сечения кольца ОДУ уже отсуствовали. В монокристаллах № 1, № 3, № 5, выращенных из первичной загрузки, кольца ОДУ отсуствуют уже на расстоянии от верхнего сечения 30.40 мм., а в монокристаллах № 2, № 4, № 6, выращенных после дозагрузки - на расстоянии от верхнего сечения 75.95 мм (рис. 2).
я
<ц О
и
й g S
® S s к « ~
и О к
X о а с
100 80 60 40 20
Г^—ПГ————^
1 2 3 4 5 6 Номер кристалла
Рис. 2. Максимальное расстояние от начала цилиндрической части монокристалла, на котором наблюдаются кольца ОДУ
По результатам исследования геометрии колец ОДУ в разных сечениях монокристалла реконструирована геометрия областей с разной плотностью ОДУ (рис. 3).
0
б
Рис. 1. Фигуры травления окислительных дефектов упаковки в шайбах, вырезанных из цилиндрической части монокристаллов: а - в кольце ОДУ х800; б - вне колец ОДУ х800
Рис. 3. Схема расположения ОДУ в монокристаллах кремния, легированных бором: 1 - затравка; 2 - растущий монокристалл; 3 - ОДУ
Область с высокой плотностью ОДУ ~105...103 см-2 начинается сразу после начала раз-ращивания монокристалла, имеет форму конуса и распространяется вглубь растущего кристалла на расстояния, приведенные выше на рис. 2. В поперечных сечениях эта область имеет форму колец. В остальном объёме монокристалла ОДУ распределены случайным образом, а их плотность ниже 103 см-2.
Результаты измерения плотности ОДУ вне их колец сопоставили с концентрацией примесей кислорода и углерода. В монокристалле кремния, выращиваемом в установке по методу Чохральского, концентрация этих фоновых примесей изменяется по его длине от верхней к нижней части: кислорода -уменьшается, а углерода - повышается [11]. В работе [12] было показано, что процессы комплексообразо-вания в монокристалле кремния определяются не столько абсолютными величинами этих концентраций, сколько их соотношением. Обобщенные по шести исследованным нами монокристаллам кремния марки КДБ 12/24 результаты измерения плотности ОДУ приведены на рис. 4.
й
1000 -| 800 -
о 600
л н о о и
H
о ч С
400 -
200 -
Исходное сырье После дозагрузки
- Экспоненциальный (Исходное сырье)
- Экспоненциальный (После дозагрузки)
10
20
30
40
50
Отношение концентраций кислорода и углерода
Рис. 4. Зависимость плотности ОДУ, расположенных вне колец, от отношения концентраций фоновых примесей в монокристаллах кремния
Из данных рис. 4 видно, что плотность ОДУ тем выше, чем больше отношение концентрации кислорода к концентрации углерода.
6. Результаты исследования
В соответствии с результатами исследований было установлено, что плотность ОДУ вне колец распределения сопоставима с концентрацией примесей кислорода и углерода. При выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского, концентрация примесей кислорода и углерода изменяется по его длине от верхней к нижней части кристалла: концентрация кислорода - уменьшается, а углерода - повышается. Таким образом можно сделать вывод, что процессы комплексообразования в монокристалле кремния определяются не столько абсолютными величинами концентраций кислорода и углерода, сколько их соотношением. При корректировке режимов выращивания монокристаллов кремния достигается повышение выхода годного продукта.
7. Выводы
Экспериментально установлено, что плотность микродефектов, которые служат зародышами для образования окислительных дефектов упаковки (ОДУ) в монокристаллах кремния, легированных бором, тем выше, чем больше отношение концентрации кислорода к концентрации углерода в монокристалле.
Полученные результаты дают возможность корректировать параметры процесса выращивания монокристаллов кремния в промышленных условиях с целью повышения выхода годного продукта по параметру плотности окислительных дефектов упаковки.
Литература
1. Рейви, К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии [Текст] / К. Рейви; под ред. С. Н. Горина. -М.: Мир, 1984. - 470 с.
2. Sadamitsu, S. A model for the formation of oxidation-induced stacking faults in Czochralski silicon [Text] / S. Sadamitsu, M. Okui, K. Sueoka, K. Marsden, T. Shigemat-su // Japanese journal of applied physics. - 1995. - Vol. 34. -P. L597-L599. doi: 10.1143/jjap.34.l597
3. Sinno, N. Modeling micro-defect formation in Czochralski silicon [Text] / N. Sinno // Journal of The Electrochemical Society. - 1999. - Vol. 146, Issue 6. - P. 2300. doi: 10.1149/ 1.1391931
4. Saishoji, T. Formation behavior of grown-in defects in silicon during Czochralski crystal - growth [Text] / T. Saishoji, К. Nakamura, Н. Nakajima, N. Yokoyama, F. Ishi-kawa, J. Tomioka // Electrochtm. Soc. Proc. - 1998. - Vol. 98, Issue 13. -P. 28-40.
5. Wijaranacula, W. Numerical modeling of the point defect aggregation during the Czochralski silicon crystal growth [Text] / W. Wija-ranacula // Journal of electrochemical society. - 1992. - Vol. 139, Issue 2. -P. 604. doi: 10.1149/1.2069265
6. ASTM F1188-00. Standard test method for interstitial atomic oxygen content of silicon by infrared absorption [Text]. - ASTM International, West Conshohocken, PA, 2000. doi: 10.1520/f1188-00
7. ASTM F1391-93. Standard test method for substitutional atomic carbon content of silicon by infrared absorption [Text]. - ASTM International, West Conshohocken, PA, 2000. doi: 10.1520/f1391-93r00
8. ASTM F1188. Standard practice for detection of oxidation induced defects in polished silicon wafers [Text]. -ASTM International, West Conshohocken, PA, 2000.
9. ASTM F1809. Standard guide for selection and use of etching solutions to delineate structural defects in silicon [Text]. - ASTM International, West Conshohocken, PA, 2000.
10. ASTM F1810. Standard test method for counting preferentially etched or decorated surface defects in silicon wafers [Text]. - ASTM International, West Conshohocken, PA, 2000.
11. Таран, Ю. Н. Полупроводниковый кремний: теория и технология производства [Текст] / Ю. Н. Таран, В. З. Куцова, И. Ф. Червоный и др.; под ред. Ю. Н. Тарана. - Запорожье: ЗГИА, 2004. - 344 с.
12. Реков, Ю. В. Влияние атомов углерода на образование примесных комплексов в монокристаллах кремния [Текст] / Ю. В. Реков, И. Ф. Червоный, Е. Я. Швец, Ю. В. Головко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - Т. 4, № 5 (58). - С. 24-27. - Режим доступа: http://jet.com.ua/images/stories/vipsat/pfm/24_27.pdf
References
1. Rejvi, K.; Gorina, S. N. (Ed.) (1984). Defekty i primesi v poluprovodnikovom kremnii. Moscow: Mir, 470.
2. Sadamitsu, S., Okui, M., Sueoka, K., Marsden, K., Shigematsu, T. (1995). A Model for the Formation of Oxidation-Induced Stacking Faults in Czochralski Silicon. Japanese Journal of Applied Physics, 34, L597-L599. doi: 10.1143/ jjap.34.l597
3. Sinno, T. (1999). Modeling Microdefect Formation in Czochralski Silicon. Journal of The Electrochemical Society, 146 (6), 2300. doi: 10.1149/1.1391931
4. Saishoji, T., Nakamura, К., Nakajima, Н., Yokoya-ma, N., Ishikawa, F., Tomioka, J. (1998). Formation behavior of grown-in defects in silicon during Czochralski crystal -growth. Electrochtm. Soc. Proc., 98 (13), 28-40.
5. Wijaranakula, W. (1992). Numerical Modeling of the Point Defect Aggregation during the Czochralski Silicon Crystal Growth. Journal of The Electrochemical Society, 139 (2), 604. doi: 10.1149/1.2069265
0
6. ASTM F1188-00 (2000). Standard test method for interstitial atomic oxygen content of silicon by infrared absorption. ASTM International, West Conshohocken, PA. doi: 10.1520/F1188-00
7. ASTM F1391-93 (2000). Standard test method for substitutional atomic carbon content of silicon by infrared absorption. ASTM International, West Conshohocken, PA. doi: 10.1520/f1391 -93r00
8. ASTM F1188 (2000). Standard practice for detection of oxidation induced defects in polished silicon wafers. ASTM International, West Conshohocken, PA.
9. ASTM F1809 (2000). Standard guide for selection and use of etching solutions to delineate structural defects in silicon. ASTM International, West Conshohocken, PA.
10. ASTM F1810 (2000). Standard test method for counting preferentially etched or decorated surface defects in silicon wafers. ASTM International, West Conshohocken, PA.
11. Taran, Ju. N., Kucova, V. Z., Chervonyj, I. F. et. al; Tarana, Ju. N. (Ed.) (2004). Poluprovodnikovyj kremnij: teorija i tehnologija proizvodstva. Zaporozh'e: ZGIA, 344.
12. Rekov, Ju. V., Chervonyj, I. F., Shvec, E. Ja., Golovko, Ju. V. (2012). Influence of carbon atoms on formation of impurity complexes in silicon single crystals. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4/5 (58), 24-27. Available at: http://jet.com.ua/images/stories/vipsat/pfm/ 24_27.pdf
Дата находження рукопису 20.10.2015
Червоный Иван Федорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, кафедра металлурги цветных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Ленина 226, г. Запорожье, Украина, 69006 Е- mail : rot44@yandex.ru
Бубинец Алексей Вадимович, кафедра металлургии цветных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, пр. Ленина 226, г. Запорожье, Украина, 69006 E-mail: rot44@yandex.ru
УДК 536.24:533.6.011
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.53141
ТЕПЛООБМ1Н ТА АЕРОДИНАМ1КА ПАКЕТ1В ПЛОСКООВАЛЬНИХ ТРУБ З ЛУНКАМИ
© В. А. Кондратюк, G. М. Письменний, О. М. Терех
Приведет результати експериментальних до^джень теплообмту i аеродинамiчного опору поперечно-омиваних шахових пакетiв плоскоовальних труб з лунками на плоских бiчних поверхнях в дiапазонi чисел Рейнольдса 1250< ReH <13500. Розглянуто три варiанти розмiщення труб при однаковому мiнiмальному .значены поперечного кроку труб S1. Проведено порiвняння експериментальних даних з теплообмту i ае-родинамiчного опору пакетiв труб з лунками i без них
Ключовi слова: теплообмiн, аеродинамiчний отр, iнтенсифiкацiя, плоскоовальна труба, шаховий пакет, лунка, порiвняння
Experimental investigations of heat transfer and aerodynamic drag of staggered bundles offlat-oval tubes with dimples on the lateral surfaces in cross flow in the range of Reynolds numbers 1250< ReH <13500 are performed. Three variants of placing of tubes are considered at the similar minimum value of transversal pith of tubes S\. Comparison of experimental data of heat transfer and aerodynamic drag for tube bundles with dimples and without them are performed
Keywords: heat transfer, aerodynamic drag, intensification, flat-oval tube, staggered bundles, dimple, comparison
1. Вступ
Важливим напрямом шдвищення ефективно-ст1 газотурбшних установок з простим регенерати-вним циклом е вдосконалення регенератор1в -пов1тро-нагр1вач1в за рахунок збшьшення ступеня регенерацп теплоти 1 полшшення !х теплоаероди-нам1чних характеристик. Цю проблему можна ви-ршити одночасно за допомогою двох заход1в. Перший пов'язаний з використанням в конструкщях теплообмшнишв поверхонь нагр1ву з плоскоовальних труб [1]. Замша круглих труб на плоскоовальш дозволяе шдвищити коефщент теплопередач1 в 1,3...1,8 раз1в при прийнятних втратах тиску в га-
зовому 1 пов1тряному трактах повггронагр1вача. Другий пов'язаний з штенсифжащею зовшшнього теплообм1ну за рахунок нанесення на поверхню труб р1зних турбул1затор1в потоку, наприклад за-глиблень у вигляд1 масиву лунок, внаслщок чого штенсившсть теплообмту може збшьшитися на 30...70 % [2, 3].
З метою отримання даних про можливу штен-сифжацш теплообм1ну шляхом використання лунок, в НТУУ "КШ" проведет експериментальт досль дження конвективного теплообмту 1 аеродинашчно-го опору шахових пакепв плоскоовальних труб з ци-л1ндричними лунками 1 без них.
