Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки

Фрицлер, Константин Бернгардович

Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Фрицлер, Константин Бернгардович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки»

Автореферат диссертации на тему "Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки"

На правах рукописи

Фрицлер Константин Бернгардович

ФОРМИРОВАНИЕ ОГРАНКИ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОИ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЯ, ВЫРАЩЕННОГО МЕТОДОМ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ

ПЛАВКИ

Специальность 01.04.07 (физика конденсированного состояния)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на Соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 7 ИЮН 2012

Новосибирск - 2012

005045676

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Труханов Евгений Михайлович. Официальные оппоненты:

Исаенко Людмила Ивановна, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, в. н. с.

Кидяров Борис Иванович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, с. н. с.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. A.B. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита состоится «19» июня 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан «17» мая 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, ,

доктор физико-математических наук, доцент

Погосов Артур Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время наиболее широко используемым полупроводниковым материалом является кремний. Метод бсстигсльной зонной плавки (БЗП) позволяет получить существенно более чистые, по сравнению с методом Чохральского, бездислокационныс монокристаллы кремния. Содержание кислорода и углерода в современном БЗП кремнии не превышает 1016 см"3, а концентрация примесей, образующих глубокие уровни в запрещенной зоне (Ие, Си) - Ю10 - 10'2 см'3. Эти характеристики делают БЗП кремний незаменимым в силовой электронике, производстве высокоэффективных солнечных элементов, детекторов радиационных излучений и других полупроводниковых приборов. Для практического применения в данных областях требуются пластины кремния все большего размера.

При увеличении диаметра выращиваемого монокристалла становится более сложным и нестабильным характер распределения важнейших гидрогазодинамических и тсплофизических характеристик процесса, определяющих форму, структурное состояние и электрофизические свойства БЗП кремния. На результаты роста влияют гидродинамика расплава, поля температур и термических напряжений, концентрации примесей в жидкой фазе, в растущем кристалле и в окружающей среде. Особенностью метода бсстигсльной зонной плавки является также высокий, по сравнению с другими способами выращивания монокристаллов кремния, уровень термических напряжений. Так, для монокристалла БЗП диаметром 100 мм он составляет 99 МПа, а для слитка диаметром 300 мм, выращенного по методу Чохральского, всего 30 МПа [1]. Ясного представления о протекании этих процессов при росте монокристаллов большого диаметра (Э>40 мм) в литературе нет. Необходимо изучение и понимание особенностей роста монокристаллов БЗП кремния больших диаметров, влияния условий роста на введение дислокаций, захват примесей, образование микродефектов.

Вышеописанные особенности метода бсстигсльной зонной плавки существенным образом увеличивают риск генерации дислокаций в процессе роста. Это делает актуальным метод надежного и оперативного ш^Ш контроля структурного состояния монокристалла. В настоящее время таким методом, разработанным для слитков малого диаметра, является наблюдение за морфологией растущего монокристалла [2, 3]. Для надежного контроля качества монокристаллов, получаемых на современном оборудовании, актуальным является установление закономерностей процесса кристаллизации, определяющих морфологию кристаллов БЗП кремния большого диаметра и се связь со структурным состоянием слитков.

Описанная нестабильность ростовых процессов при получении монокристаллов большого диаметра приводит к неравномерному распределению примсссй и изменению электрофизических характеристик, в частности, времени жизни неравновесных носителей заряда. Исследование

распределения данного параметра и его связи с изменением условий роста является актуальной задачей для получения максимально однородных кристаллов.

Цель диссертационной работы заключалась в изучении влияния условий роста на реальную структуру, морфологию и электрофизику кристаллов Si большого диаметра, выращенных в направлении [111] методом бсстигсльной зонной плавки. Она также включала выяснение механизма роста и разработку методов оперативного контроля структурного состояния слитков большого диаметра.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Оптимизация технологии роста монокристаллов кремния диаметром до 125 мм.

2. Изучение зависимости морфологии монокристаллов БЗП кремния большого диаметра от условий роста.

3. Изучение кристаллической структуры выращенных слитков (отсутствие и возникновение дислокаций, двойников, блоков).

4. Исследование механизма формирования морфологических элементов монокристаллов БЗП кремния большого диаметра.

5. Исследование зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда и кристаллической структуры от условий роста монокристаллов кремния большого диаметра.

Научная новизна

1. Выявлены механизмы формирования морфологических элементов кристаллов Si. В результате комплексного исследования морфологических элементов поверхности монокристаллов БЗП Si большого диаметра установлено, что, в отличие от слитков малого диаметра (до 40 мм), минимальную скорость роста, кроме плотноупакованных плоскостей {111}, могут иметь грани {112} и {110}.

2. Показано, что, рост дислокационных кристаллов кремния протекает только в рамках октаэдрической формы, а рост бездислокационных монокристаллов возможен при реализации форм октаэдра, ромбического додекаэдра и тстрагонтриоктаэдра. Установлено, что существует зависящий от формы и размера индуктора критический диаметр D=Dn бездислокационного слитка Si [ 111 ], при котором происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста.

3. В кристаллах с большим временем жизни (больше 2 мс) обнаружено осциллирующее распределение времени жизни неравновесных носителей заряда по длине монокристалла тннзМ- Установлена связь тннз с изменениями скорости кристаллизации и образованием наростов (сравнительно крупных образований обтекаемой формы, локализованных в областях возникновения реберных выступов) при минимальной скорости роста граней {110} и {112}.

Практическая значимость

Разработан метод оперативного контроля структурного состояния выращенных монокристаллов кремния по регистрации морфологических элементов поверхности слитка. Метод позволяет оперативно обнаружить введение дислокаций в растущем монокристалле Si и остановить процесс выращивания, что даст существенную экономию поликристалличсского кремния, расходных материалов и электроэнергии.

Установлена конфигурация ВЧ индуктора, позволяющая получить максимально однородное распределение времени жизни неравновесных носителей заряда.

Полученные результаты и понимание влияния процессов формирования кристаллической структуры, могут стать основой для усовершенствования технологии роста монокристаллов БЗП кремния большого диаметра.

На защиту вынесены следующие положения.

1) В монокристаллах Si большого диаметра, кроме плотноупакованных плоскостей {111}, минимальную скорость роста могут иметь грани {112} и {110}.

2) Бездислокационныс монокристаллы БЗП Si [111] растут при реализации трех форм роста (октаэдра, ромбического додекаэдра и тстрагонтриоктаэдра), а дислокационные - только в рамках формы октаэдра.

3) В растущих бсздислокационных монокристаллах кремния на определенном, критическом диаметре (D>Dn) происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста.

4) Наросты являются морфологическими элементами боковой поверхности Si[lll], которые формируются медленно растущими плоскостями {110} и {112} при колебаниях скорости роста на локальных участках границы раздела фаз. Колебания скорости роста приводят к осцилляциям времени жизни неравновесных носителей заряда по длине слитков.

Достоверность

Достоверность полученных результатов и выдвигаемых на защиту научных положений определяется тем, что все результаты получены с использованием современной экспериментальной техники и апробированных методик измерений на большом числе образцов. Разработанный метод in-situ контроля структурного состояния кристаллов (генерация дислокаций, возникновение блоков) проверен на более чем 500 слитках. Установленные нами признаки бездислокационного, дислокационного и блочного роста кристаллов полностью подтверждены.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в исследовании влияния условий роста на морфологию монокристаллов БЗП кремния большого диаметра, изучении структурного состояния выращенных слитков металлографическими и рентгеновскими методами. Соискатель принимал непосредственное участие в разработке метода оперативного контроля структурного состояния монокристаллов Si в процессе роста методом бсстигельной зонной плавки.

Анализ и интерпретация результатов были выполнены совместно с научным руководителем. Подготовка материалов к публикации осуществлялась совместно с соавторами.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры " Кремний 2002", Новосибирск,

(2002); X Национальная конференция по росту кристаллов, Москва с. 78 (2002); Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (" Кремний 2003"), Москва

(2003); Совещание "Кремний 2004, Иркутск 5-9 июля 2004г, (2004); III Российское совещание по росту кристаллов и пленок и исследованию их физических свойств и структурного совершенства (Крсмний-2006)". Красноярск (2006); V Международная конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2008". Черноголовка (2008); VI Международная конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2009". Новосибирск (2009); Первый междисциплинарный, международный симпозиум «Свойства вещества при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (PSHP&T-2011) , Ростов-на-Дону — пос. JIoo, 13-17 июня , 2011; Первый междисциплинарный, международный симпозиум «Кристаллография фазовых переходов при высоких давлениях и температурах (СРТ НР&Т)-2011» , г.Ростов-на-Дону - пос. JIoo, 9-13 июня , 2011.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 6 статей, глава в коллективной монографии и 9 тезисов докладов на Международных и Российских конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 121 наименования. Она содержит 149 страниц, включая 51 иллюстрацию и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, представлены научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая аннотация диссертации.

В первой главе на основе литературных данных представлено современное состояние метода бестигельной зонной плавки. Данный метод позволяет получать монокристаллы, содержащие минимальные, по сравнению с методом Чохральского концентрации примесей. В тоже время, он характеризуется высоким уровнем термических напряжений и существенной нестабильностью процесса роста, что способствует возникновению дислокаций.

Представлен обзор исследований морфологии монокристаллов БЗП кремния. Вершины, ребра и грани многогранников, образованных медленнорастущими плоскостями, в результате взаимодействия с боковой поверхностью слитка формируют соответствующие морфологические элементы конической и цилиндрической поверхностей кристалла. Согласно традиционным представлениям [2, 3], в качестве граней, имеющих минимальную скорость роста и определяющих форму кристаллов кремния, рассматривались исключительно плотноупакованные плоскости {111}. Дальнейшие исследования морфологии монокристаллов БЗП кремния связаны с развитием теории роста кристаллов, учитывающей предварительную ассоциацию атомов кремния в расплаве [4]. В соответствии с данной кристаллохимической моделью, при выращивании БЗП [111] кремния в пограничном слое расплава вблизи фронта кристаллизации возникают кластеры (или координированные группировки атомов (КГА) [4-7]). С ростом степени переохлаждения расплава Si размер данных кластеров увеличивается. Скорость роста различных граней зависит от размеров кластеров, что определяется величиной переохлаждения. Экспериментальное подтверждение формирования кластеров в переохлажденном расплаве кремния при температуре, близкой к температуре плавления, получено с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа, дифракции нейтронов и ряда других методов [6 - 8].

Во второй главе приводятся данные о морфологии поверхности слитков БЗП Si большого диаметра (D>Dn) и малого диаметра (D<Dn). Определены основные морфологические элементы, присутствующие на поверхности монокристаллов кремния. Такими элементами являются наросты, реберные выступы и полосы наклонных граней {111}. Проведенные комплексные рентгеновские и металлографические исследования позволили исключить участие в формировании данных морфологических элементов таких дефектов, как дислокации и двойники.

В ходе исследований выявлен механизм образования морфологических элементов. Детальный анализ геометрических параметров и азимутального расположения (с использованием Лауэ - съемок) показал, что их образование обусловлено влиянием различных гранных форм.

Рассмотрены различные модели роста кристаллов из расплава. Показано, что объяснить всю совокупность имеющихся экспериментальных данных можно только на основе кристаллохимической модели, учитывающей предварительную ассоциацию атомов в расплаве [4-7].

В зависимости от условий кристаллизации нами наблюдались три формы роста: (1) форма октаэдра, когда с минимальной скоростью растут грани {111}; (2) форма ромбического додекаэдра, когда минимальную скорость роста имеют грани {ПО}; (3) форма тетрагонтриоктаэдра, когда с минимальной скоростью растут грани {112}.

Реберные выступы (РВ) образуются в результате выхода на поверхность растущего монокристалла вершин (гранные формы октаэдра и тетрагонтриоктаэдра) или ребер многогранников (гранная форма ромбического додекаэдра), образованных медленнорастущими в

данных условиях кристаллизации плоскостями. Для вссх трех вариантов гранных форм (1-3) схема распределения РВ вдоль образующих цилиндра показана на рис. 1.

а б в

Рис. 1. Схемы расположения реберных выступов и формирующих их атомных граней на поперечном сечении слитка монокристалла Si (111) при возникновении РВ гранной формы октаэдра (а), ромбического додекаэдра (б) и тетрагонтриоктаэдра (в). Вверху показаны соответствующие равновесные формы октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра [2].

Три образующие цилиндра являются общими для медленнорастущих граней {111} и {110} первого и второго случая (точки А, С и Е на рис. 1,а и рис. 1,6). Установлены морфологические признаки, позволяющие отличать РВ, соответствующие указанным точкам, но сформированные медленно растущими гранями {111} и {110}. В варианте формы роста (3) общая картина распределения РВ похожа на картину варианта (2), но вся система реберных выступов повернута на 30°.

На рис.2 представлены различные участки слитка от затравки (рис. 2,а) до его завершающей части (рис. 2,д). Морфологическими признаками октаэдрической формы роста являются полосы наклонных граней (П на рис. 2,г и 2,д) и реберные выступы представляющие собой выход плоскостей и вершин октаэдра, образованного плоскостями {111} на боковую поверхность растущего монокристалла (О на рис. 2,а). Реберные выступы октаэдра расположены на поверхности монокристалла через 120° в области точек, обозначенных А, С и Е (рис. 1 а). Их положения определяются кристаллографическими направлениями типа <112>, проведенными от оси роста кристалла [111] и перпендикулярными этой оси. Ширина данных выступов Н находится в пределах 1 - 1,8 мм, а их высота L составляет доли миллиметра. Реберные выступы ромбододекаэдра и тетрагонтриоктаэдра имеют Н=5 мм и L ~ 3 мм. На рис.2,в и рис.2,г через Р обозначены РВ ромбододекаэдра.

д)

в)

б)

а)

Рис. 2. Фотографии различных областей слитка БЗП кремния: переход от затравки к конической части (а); конус (б); цилиндрическая часть (в) и (г); завершающая часть (д). Через О обозначены реберные выступы октаэдра, Р - выступы ромбододекаэдра, П - площадки наклонных граней.

Лауэ съемки показали, что

кристаллографические направления типа <112> и <110>, проведенные от оси кристалла перпендикулярно ей, определяют на поверхности слитка положения РВ ромбододекаэдра и тетрагонтриоктаэдра, соответственно. РВ ромбического додекаэдра равновероятно возникают как вблизи указанных точек А, С и Е, так и вблизи точек В, D и F (рис. 1,6). Установлены морфологические признаки тетрагонтриоктаэдра. К ним относятся реберные выступы, аналогичные по форме и размерам РВ ромбододекаэдра, которые наблюдаются в точках К, L, М, N, О, Р (рис. 1, в). Наросты всегда располагаются в области РВ ромбододекаэдра и тетрагонтриоктаэдра и представляют собой морфологические образования обтекаемой формы. Высота наростов составляет 1020 мм, ширина - 10-15 мм. Они показаны на рис. 3,а.

Подтверждением корректности вывода о различной природе РВ служит селективность воздействия низкочастотных колебаний жидкой фазы на морфологические элементы различных форм роста. Полученные результаты

свидетельствуют, что под воздействием колебаний реберные выступы октаэдра трансформируются в полосы наклонных граней {111}, в то время как выступы ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра сохраняют свою форму. Механизм такой селективности можно объяснить следующим образом.

РВ октаэдра возникают при максимальных переохлаждениях, когда в расплаве образуются крупные кластеры, содержащие более 4 атомов (п>4).Огранка плоскостями {110} или {112}, участвующими в формировании РВ ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра происходит, когда рост твердой фазы осуществляется за счет встраивания 2х атомных кластеров или

одиночных атомов [4]. Вибрации приводят к существенному изменению распределения конвективных потоков в расплаве, что вызывает уменьшение толщины диффузионного слоя, препятствуя образованию крупных кластеров. Кроме этого, при наличии вибраций более вероятно разрушаются координированные группировки атомов (КГА) крупных размеров. В процессе вибраций эти группировки переходят в сравнительно мелкие (п=2) и в отдельные атомы.

В третьей главе представлены результаты исследования взаимосвязи морфологии и реальной структуры кристалла.

В результате комплексных исследований с использованием селективного травления, метода Лауэ, рентгеновской топографии установлены основные типы дефектов, являющиеся причиной срыва бездислокационного роста на различных этапах процесса кристаллизации.

Показано, что на начальном этапе БЗП процесса (выращивании шейки слитка), кристаллизация происходит при максимальном переохлаждении в рамках формы роста октаэдра за счет встраивания кластеров большого размера. В данных условиях наиболее часто встречающимся структурными дефектами являются двойники. Одной из наиболее вероятных причин их образования служит неправильное встраивание КГА большого размера в растущую твердую фазу [4].

Установлено, что на конической части исследованных БЗП слитков причиной срыва бездислокационного роста служит двойникованис и генерация дислокаций, образующих малоугловые границы. Внутри кристалла обнаружены дефектные области, содержащие данные виды дефектов. Такую область невозможно обнаружить визуально до тех пор, пока се граница в процессе роста не достигнет поверхности монокристалла. Разработан метод, позволяющий оперативно выявлять присутствие дислокаций и двойников в объеме кристалла и прекратить процесс роста, экономя исходный поликристалличсский кремний, расходные материалы и электроэнергию. Установлено, что в процессе формирования конуса происходит постепенное уменьшение переохлаждения расплава и средней скорости кристаллизации, что приводит к псрсогранкс кристалла - переходу от формы роста октаэдра к формам, определяемым медленнорастущими плоскостями {110} и {112} на характерном для данного индуктора диаметре слитка D=Dn. Такой переход происходит только при росте бсздислокационного кристалла. Отсутствие перехода является признаком образования локализованной внутри кристалла дефектной области. Величина Dri составляет 45 - 80 мм в зависимости от конфигурации индуктора.

Исследования показали, что основной причиной срыва бездислокационного роста на исследованных монокристаллах большого диаметра (D>Dn) является генерация дислокаций, распространяющихся в растущем монокристалле по механизму скольжения. Возможность введения дислокаций по данному механизму зависит от уровня упругих термических напряжений в растущем кристалле, который, в свою очередь, находится в прямой зависимости от диаметра слитка. Так, при увеличении диаметра от 104 до 200 мм в аналогичных условиях роста величина

максимальных напряжений увеличивается от 99 до 260 МПа [1]. Увеличение уровня сдвиговых напряжений, действующих в плоскости скольжения дислокаций, приводит к тому, что все более мелкие скопления точечных дефектов могут становиться источниками новых дислокаций [9]. Размер дислокационного источника Я и уровень напряжений связаны зависимостью [10-11]

где IV - энергия дислокации единичной длины, Ъ - величина вектора Бюргерса и ть - проекция на вектор Бюргерса сдвиговых напряжений, действующих в плоскости скольжения. При увеличении диаметра от 104 до 200 мм величина II уменьшается от 0.26 до 0.1 мкм.

Установлено, что для монокристаллов большого диаметра (0>0п) признаком срыва бездислокационного роста является переход к октаэдрической форме роста от формы, определяемой медленнорастущими плоскостями {110} и {112}(рис. 2, д).

В четвертой главе представлены результаты исследования распределения времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) по длине выращенных монокристаллов кремния. Измерения х проводились с помощью бесконтактного метода, основанного на релаксации фотопроводимости, измеренной на сверхвысоких частотах [12]. Исследования выявили существенную неравномерность распределения т(х) по длине слитков х в области наростов (рис. 3). Из рисунка видно, что центральным частям наростов соответствуют минимальные значения т. Максимумы т располагаются между наростами.

координата х, мм

б)

Рис. 3. Корреляция между распределением наростов вдоль образующей цилиндрической поверхности слитка (а) и распределением времени жизни ННЗ (б).

Механизм влияния формы роста на распределение т(х) описывается зависимостью эффективного коэффициента распределения примеси к от скорости кристаллизации V [13]:

£ =_^о_

¿0 + (1-&0)ехр(-Г<5/£>) '

где: ко - равновесный коэффициент распределения, Б - коэффициент диффузии примеси в расплаве, 5 - толщина диффузионного слоя.

После накопления расплава в области нароста происходит локальное увеличение V. Следствием этого являются как периодические локальные увеличения диаметра монокристалла (обусловливающее формирования наростов, показанных на рис. 3, а), так и искривления фронта кристаллизации на периферии межфазной границы (показано стрелкой на рис. 4). Последний рисунок демонстрирует локальное увеличение V вблизи наростов в направлении оси слитка.

Рис. 4. Формирование нароста гранной формы ромбододекаэдра на поверхности монокристалла 81, т-51Ш регистрация.

В ходе экспериментов нами были выращен ряд монокристаллов, на конусной части которых также наблюдались резкие изменения скорости роста. Это имело место при диаметре монокристалла 0< Оп, то есть при октаэдричсской форме роста. В данном случае изменение скорости роста происходит на всей периферии фронта кристаллизации. Для контроля скорости роста использовался постоянно контролируемый технологический параметр Ь - расстояние от индуктора до фронта кристаллизации. На рис. 5 представлены зависимости И и т от расстояния до затравки. Данные величины коррелируют: максимумы Ь (которые соответствуют минимумам скорости кристаллизации) совпадают с максимумами значений т. Аналогичная зависимость т от V, описанная нами выше для наростов, свидетельствует об общей природе обсуждаемых явлений.

"у Г)

Ш-* ' I \ ■

1.0

0.9 0.8 0.7

0.6 о 2

0.5 "Ц

0.4 "

0.3

0.2

0.1

0.0

Рис. 5. Зависимость И и т от х, где х - расстояние от затравки.

Амплитуда осцилляций т(х) уменьшается при уменьшении диаметра О слитка в результате шлифовки. Это видно из сравнения зависимостей, приведенных на рис.6,а и рис. 6,6. Они получены, соответственно, для исходного слитка (Р=84 мм) и после утонения до Э=65 мм, когда осцилляции т(х) практически полностью исчезают. Таким образом, толщина слоя монокристалла, имеющего неоднородное распределение т(х), составляет около 1 см.

Переход от бездислокационного кристалла к дислокационному сопровождается уменьшением среднего уровня т примерно на порядок величины. Обычно резкое падение т начинается примерно за 10 -15 мм до участка кристалла, на котором имел место переход к дислокационному росту. Природа явления обусловлена повышенной рекомбинацией неосновных носителей заряда на дислокациях [14].

а) б)

Рис. 6. Распределение времени жизни ННЗ по длине слитка Ф302-1, диаметр которого (О) уменьшался i результате последовательных шлифовок; а - 0=84 мм (исходный слиток); б - 13- 65 мм

Основные результаты и выводы по диссертации

Установлены грани с минимальной скоростью роста, определяющие форму и свойства кристаллов большого диаметра. Обнаружены отличия кристаллической структуры и морфологии слитков большого (D>40mm) и малого диаметра, выращенных в направлении [111]. Зарегистрировано осциллирующее по длине слитка распределение времени жизни неравновесных носителей заряда, коррелирующее с формой роста кристаллов. Разработан метод in-situ контроля структурного качества кристаллов Si[l 11].

1. На основе модели роста, учитывающей предварительную ассоциацию атомов в расплаве, в диссертации раскрыты механизмы кристаллизации, показывающие влияние форм роста слитков БЗП кремния на структуру морфологических элементов, которые возникают на боковой поверхности Siflll], К морфологическим элементам поверхности относятся реберные выступы, полосы наклонных граней и наросты. Разработана классификация признаков данных элементов, позволяющая установить, какая из форм роста определила морфологию кристалла.

2. Морфологические элементы образуются в результате выхода медленнорастущих граней {111}, {110} и {112} на цилиндрическую поверхность слитка. Указанным граням соответствуют свои формы роста, которыми являются, соответственно, октаэдр, ромбический додекаэдр и тетрагонтриоктаэдр.

3. Установлена зависимость морфологии поверхности бездислокационного монокристалла БЗП кремния от диаметра слитка D. Установлено, что существует критическое значение D=Dn, при котором в бездислокационном кристалле происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста. Показано, что величина Dn зависит от размеров и формы индуктора и составляет от 40 до 80 мм.

4. Установлено, что нарост является морфологическим элементом боковой поверхности кристалла, который характеризует формы роста, реализуемые медленно растущими плоскостями {110} и {112}. Высота и ширина наростов достигают, соответственно, 20 и 15мм.

5. Зарегистрировано осциллирующее по длине монокристалла распределение времени жизни т неравновесных носителей заряда (ННЗ). Для измерений использовался бесконтактный метод, основанный на релаксации фотопроводимости, определенной на сверхвысоких частотах. Колебания Тннз зарегистрированы вдоль образующих цилиндрической поверхности монокристалла, содержащих наросты. Период колебаний коррелирует с периодом образования наростов. Осцилляции наблюдаются только в кристаллах с высоким временем жизни (более 2 мс), а их амплитуда достигает 6 мс.

наклонных граней), то имеет место рост дислокационного монокристалла. Если же на боковой поверхности слитка отсутствуют какие-либо реберные выступы или наросты, то имеет место рост блочного кристалла.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи

1. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Смирнов П.Л., Колесников A.B., Василенко А.П. In situ контроль структуры кристаллов бестигельного Si (111) на основе поведения реберных выступов-Письма в ЖТФ, 2007, т.ЗЗ, вып.12, с. 55-60.

2. Анфимов И, М, Бердников В. С., Борзых И. В., Калинин В. В., Кобслсва С. П., Осипов Ю. В., Фрицлер К. Б. Распределение удельного электрического сопротивления в монокристачлах кремния, выращенных методом бестигаъной зонной плавки - Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 2008, №1, с.9-14.

3. Trukhanov Е.М., Fritzlcr К.В., Lyubas G.A. and Kolesnikov A.V. Evolution of Film Stress with Accumulation of Misfit Dislocations at Semiconductor Interfaces - Applied Surface Science, 1998, v. 123/124, p.664-668.

4. Фрицлер К.Б., Труханов E.M., Калинин В.В., Дрофа А.Т., Василенко А.П., Колесников A.B., Федоров A.A. Качество монокристачлического кремния и некоторые проблемы рентгеновской интерферометрии - Актуальные вопросы современного естествознания, 2004, выпуск 2, с. 32-48.

5. Труханов Е.М., Калинин В.В., Фрицлер К.Б. Изучение кристаллографии фазового перехода в процессе роста монокристаллов кремния (111) методом бестигельной зонной тавки - Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. 2011, №6, http://ptosnm.ru/_filcs/Moduls/catalog/itcms/T_catalog_itcms_F_download_I_651_v2.pdf

6. Фрицлер К.Б., Калинин В.В., Труханов Е.М. Влияние процессов на границе раздела расплав -кристагчическая фаза кремния на структурные и электронные свойства кристалла - Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. 2011. №11, http://www.ptosnm.ru/_filcs/Moduls/catalog/itcms/T_catalog_itcms_F_download_I_696_vl.pdf

7. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Василенко А.П., Смирнов ПЛ.,. Колесников A.B. Пленочная рентгеновская интерферометрия и некоторые проблемы технологии БЗП кремния — В книге: Рентгеновская топография кремния на основе пленочной интерферометрии эпитаксиальных систем и эффекта Бормана. Великий Новгород: НовГу им. Ярослава Мудрого, 2006, с. 325-351.

Тезисы

8. Труханов Е. М., Фрицлер К. Б., Федоров A.A., Колесников А. В., Василенко А.П., Дрофа А.Т. Исследование дефектов структуры кремния с помощью рентгеновских дифракционных и интерференционных методов - Тезисы совещания по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния (Кремний - 2002), Новосибирск, 2002, с. 23.

9. Фрицлср К. Б., Труханов Е. М., Федоров A.A., Колесников А. В., Соколов J1.B., Дрофа А.Т., Калинин В.В. Контроль качества кремния с помощью рентгеновских дифракционных и интерференционных методов -- Тезисы докладов X Национальной конференции по росту кристаллов «НКРК-2002» "Рост кристаллов и их применение в новых технологиях", Москва, 2002, с.78.

10. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Колесников A.B., Василенко А.П., Калинин В.В., Дрофа А.Т. Исследование ростовых дефектов в слиточном БЗП — кремнии с помощью рентгенодифракционных и метапографических методов - Тезисы 3 Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний - 2003), Москва, 2003, с. 151.

11. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Дрофа А.Т., Смирнов П.Л., Борисов A.A., Василенко А.П., Колесников A.B. Возникновение дефектов структуры при выращивании БЗП слитков монокристаллического кремния - Тезисы докладов Совещания "Кремний 2004", Иркутск, 2004, с.82.

12. Труханов Е.М., Фрицлер К.Б., Калинин В.В. Взаимосвязь явлений, обусловливающих морфологию поверхности слитка и возникновение дефектов структуры в БЗП монокристаллах кремния - Тезисы докладов Совещания "Кремний 2004", Иркутск, 2004, с. 156.

13. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Смирнов П.Л., Василенко А.П., Колесников A.B. Влияние условий роста на морфологию поверхности монокристаллов БЗП кремния - Тезисы докладов III Российского совещания по росту кристаллов и пленок и исследования их физических свойств и структурного совершенства (Кремний-2006), Красноярск, 2006, с. 27.

14. Фрицлер К.Б., Калинин В.В., Труханов Е.М., Колесников A.B. - Исследование однородности распределения электрофизических параметров монокристаллов БЗП кремния - Тезисы докладов V Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2008", Черноголовка, 2008, с. 84.

15. Фрицлер К.Б., Калинин В.В. Влияние условий роста на однородность распределения электрофизических параметров монокристатлов кремния, выращенных методом бестигельной зонной плавки - Тезисы докладов VI Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2009", Новосибирск, 2009, с. 74.

16. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В. В. Влияние процессов на границе раздела расплав -кристаллическая фаза кремния на структурные и электронные свойства кристалла - Тезисы докладов Первого междисциплинарного, международного симпозиума «Свойства вещества при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (PSHP&T-2011), Ростов-на-Дону - пос. Лоо, 2011, с. 163.

17. Труханов Е.М., Калинин В.В., Фрицлер К.Б. - Изучение кристаллографии фазового перехода в процессе роста монокристаллов кремния (111) методом бестигельной зонной плавки - Тезисы докладов Первого междисциплинарного, международного симпозиума «Кристаллография фазовых переходов при высоких давлениях и температурах (СРТ НР&Т)-2011» , г. Ростов-на-Дону -пос. Лоо, 2011, с. 104.

Цитируемая литература

[1] Muiznieks A., Raming G., Muhlbaucr A., Virbulis J., Наппа В., Ammon W.v. Stress-induced dislocation generation in large Fz- and Cz-silicon single ciystals — numerical model and qualitative considerations - J. Cryst. Growth. 2001, v. 230, p. 305-313.

[2] Ciszck T. F. Non - Cylindrical Growth habbit of float zoned dislocation -free [111] silicon crystals -J. Crystal Growth, 1971, v. 10, p. 263-268.

[3] Салли И.В., Фальксвич Э.С. Управление формой роста кристаллов - Киев: Наукова Думка, 1989, 158 с.

[4] Строителсв С.А. Кристагюхимический аспект представлений о зарождении и росте кристаллов - Новосибирск: Наука, 1976, 193 с.

[5] Строителсв С. А., Камарали В. В., Муравицкий С. А. Форма роста бездислокационных монокристапов кремния, выращенных методом бестигелъной зонной плавки - Процессы роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск: Наука, 1975, с. 42- 44.

[6] Губенко А.Я. Фазовые превращения в твердом и жидком кремнии — Кристаллография, 2001, т. 46, №1, с.88.

[7] Gubenko A. Effect of the structural state of the melt on the properties of silicon crystals -Microelectronic Engineering, 1999, v. 45, p. 161-168.

[8] Wascda Y., Shinoda K. Sugiyama K., Takcda S., Tcrashima K., Toguru J. M. High Temperature X-ray Diffraction Study of Melt Structure of Silicon - Jpn. Appl. Phys, 1995, vol. 34, p. 4124-4128.

[9] De Kock A.J.R., Poksnocr P.J., Booncn P.G.T. The introduction of dislocations during the growth of floating-zone silicon crystals as a result of point defect consideration - J. of Cryst. Growth, 1975, v.30, № 3, p.279-294.

[10]Фридсль Ж. Дислокации. - Москва, "Мир", 1967, 644 с.

[11] Trukhanov Е. М., Stenin S.I. Equilibrium dislocation configurations in heterostructures. - Phys. Stat. Sol (a), 1981, v.66, p.591 -596.

[12] Бородовский П.А., Булдыгин А.Ф., Токарев А.С. Определение времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния по реюксации фотопроводимости измеренной на сверхвысоких частотах - ФТП, 2004, т. 36, № 9, с. 1043 - 1049.

[13] Burton J. A., Prim R.C., Sclichtcr W.P. The Distribution of Solute in Crystals Grown from the Melt. Parti. Theoretical. - J.Chcm. Phys., 1953, v. 21, № 11, p. 1987-1991.

[14] Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. - М: Мир, 1984, 475 с.

_Технический редактор Е.Г. Соколова_

Подписано к печати 15.05.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме.

_Печ.л. 1,0. Тираж 100. Зак. № 78_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, 630090, Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Фрицлер, Константин Бернгардович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1. Анализ моделей роста и механизмов формообразования кристаллов кремния, полученных методом БЗП.

1.1. Метод бестигельной зонной плавки.

1.2. Морфология монокристаллов кремния, полученных методом бестигельной зонной плавки.

1.3. Обзор некоторых теорий роста кристаллов.

1.4. Кристаллохимическая модель роста кристаллов С.А Строителева.

Формулировка задач диссертации.

ГЛАВА 2. Морфологические признаки форм роста.

2.1 Реберные выступы октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра.

2.2 Раздвоение и криволинейная форма реберных выступов.

2.3 Взаимодействие основных морфологических элементов, одновременная реализация различных гранных форм.

2.4 Воздействие вибрации на форму реберных выступов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Взаимосвязь между формами роста и структурным состоянием монокристаллов.

3.1. Переогранка в процессе роста на конической части монокристалла.

3.2. Факторы, способствующие введению дислокаций.

3.3. Двойникование кристаллов БЗП кремния.

3.4. Генерация дислокаций по механизмам скольжения и переползания. Влияние дислокаций на форму реберных выступов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Влияние условий роста на морфологию поверхности и электрофизические параметры монокристаллов БЗП кремния.

4.1. Образование наростов на поверхности монокристаллов.

4.2. Методика исследования распределения времени жизни неравновесных носителей заряда.

4.3. Измерение времени жизни неравновесных носителей заряда т на кристаллах с наростами.

4.4. Модель возникновения осцилляций времени жизни неравновесных носителей заряда.

Выводы по главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки"

Актуальность темы.

В настоящее время наиболее широко используемым полупроводниковым материалом является кремний. Метод бестигельной зонной плавки (БЗП) позволяет получить существенно более чистые, по сравнению с методом Чохральского, бездислокационные монокристаллы кремния. Содержание кислорода и углерода в современном БЗП кремнии не превышает 1016 см"3, а концентрация примесей, образующих глубокие уровни в запрещенной зоне (Бе, Си) - Ю10 - 1012 см"3. Эти характеристики делают БЗП кремний незаменимым в силовой электронике, производстве высокоэффективных солнечных элементов, детекторов радиационных излучений и других полупроводниковых приборов. Для практического применения в данных областях требуются пластины кремния все большего размера.

При увеличении диаметра выращиваемого монокристалла становится более сложным и нестабильным характер распределения важнейших гидрогазодинамических и теплофизических характеристик процесса, определяющих форму, структурное состояние и электрофизические свойства БЗП кремния. На результаты роста влияют гидродинамика расплава, поля температур и термических напряжений, концентрации примесей в жидкой фазе, в растущем кристалле и в окружающей среде. Особенностью метода бестигельной зонной плавки является также высокий, по сравнению с другими способами выращивания монокристаллов кремния, уровень термических напряжений. Так, для монокристалла БЗП диаметром 100 мм он составляет 99 МПа, а для слитка диаметром 300 мм, выращенного по методу Чохральского, всего 30 МПа. Ясного представления о протекании этих процессов при росте монокристаллов большого диаметра ф>40 мм) в литературе нет. Необходимо изучение и понимание особенностей роста монокристаллов БЗП кремния больших диаметров, влияния условий роста на введение дислокаций, захват примесей, образование микродефектов.

Вышеописанные особенности метода бестигельной зонной плавки существенным образом увеличивают риск генерации дислокаций в процессе роста. Это делает актуальным метод надежного и оперативного т^Ци контроля структурного состояния монокристалла. В настоящее время таким методом, разработанным для слитков малого диаметра, является наблюдение за морфологией растущего монокристалла. Для надежного контроля качества монокристаллов, получаемых на современном оборудовании, актуальным является установление закономерностей процесса кристаллизации, определяющих морфологию кристаллов БЗП кремния большого диаметра и ее связь со структурным состоянием слитков.

Описанная нестабильность ростовых процессов при получении монокристаллов большого диаметра приводит к неравномерному распределению примесей и изменению электрофизических характеристик, в частности, времени жизни неравновесных носителей заряда. Исследование распределения данного параметра и его связи с изменением условий роста является актуальной задачей для получения максимально однородных кристаллов.

Цель диссертационной работы заключалась в изучении влияния условий роста на реальную структуру, морфологию и электрофизику кристаллов Si большого диаметра, выращенных в направлении [111] методом бестигельной зонной плавки. Она также включала выяснение механизма роста и разработку методов оперативного контроля структурного состояния слитков большого диаметра.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Оптимизация технологии роста монокристаллов кремния диаметром до 125 мм.

2. Изучение зависимости морфологии монокристаллов БЗП кремния большого диаметра от условий роста.

Научная новизна

2. Показано, что, рост дислокационных кристаллов кремния протекает только в рамках октаэдрической формы, а рост бездислокационных монокристаллов возможен при реализации форм октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра. Установлено, что существует зависящий от формы и размера индуктора критический диаметр D=Dn бездислокационного слитка Si [111], при котором происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста.

3. В кристаллах с большим временем жизни (больше 2 мс) обнаружено осциллирующее распределение времени жизни неравновесных носителей заряда по длине монокристалла тНнз(*)- Установлена связь тНнз с изменениями скорости кристаллизации и образованием наростов (сравнительно крупных образований обтекаемой формы, локализованных в областях возникновения реберных выступов) при минимальной скорости роста граней {110} и {112}.

Практическая значимость

Разработан метод оперативного контроля структурного состояния выращенных монокристаллов кремния по регистрации морфологических элементов поверхности слитка. Метод позволяет оперативно обнаружить введение дислокаций в растущем монокристалле Si и остановить процесс выращивания, что дает существенную экономию поликристаллического кремния, расходных материалов и электроэнергии.

На защиту вынесены следующие положения.

2) Бездислокационные монокристаллы БЗП Б! [111] растут при реализации трех форм роста (октаэдра, ромбического додекаэдра и тетрагонтриоктаэдра), а дислокационные -только в рамках формы октаэдра.

3) В растущих бездислокационных монокристаллах кремния на определенном, критическом диаметре (Б>Оп) происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста.

4) Наросты являются морфологическими элементами боковой поверхности БЦШ], которые формируются медленно растущими плоскостями {110} и {112} при колебаниях скорости роста на локальных участках границы раздела фаз. Колебания скорости роста приводят к осцилляциям времени жизни неравновесных носителей заряда по длине слитков.

Достоверность

Достоверность полученных результатов и выдвигаемых на защиту научных положений определяется тем, что все результаты получены с использованием современной экспериментальной техники и апробированных методик измерений на большом числе образцов. Разработанный метод т-вйи контроля структурного состояния кристаллов (генерация дислокаций, возникновение блоков) проверен на более чем 500 слитках. Установленные нами признаки бездислокационного, дислокационного и блочного роста кристаллов полностью подтверждены.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в исследовании влияния условий роста на морфологию монокристаллов БЗП кремния большого диаметра, изучении структурного состояния выращенных слитков металлографическими и рентгеновскими методами. Соискатель принимал непосредственное участие в разработке метода оперативного контроля структурного состояния монокристаллов в процессе роста методом бестигельной зонной плавки.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры " Кремний 2002", Новосибирск, (2002); X Национальная конференция по росту кристаллов, Москва с. 78 (2002); Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (" Кремний 2003"), Москва (2003); Совещание "Кремний 2004, Иркутск 5-9 июля 2004г, (2004); III Российское совещание по росту кристаллов и пленок и исследованию их физических свойств и структурного совершенства (Кремний-2006)". Красноярск (2006); V Международная конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2008". Черноголовка (2008); VI Международная конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний 2009". Новосибирск (2009); Первый междисциплинарный, международный симпозиум «Свойства вещества при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (Р8НР&Т-2011) , Ростов-на-Дону - пос. Лоо, 13-17 июня , 2011; Первый междисциплинарный, международный симпозиум «Кристаллография фазовых переходов при высоких давлениях и температурах (СРТ НР&Т)-2011» , г.Ростов-на-Дону - пос. Лоо, 9-13 июня , 2011.

Публикации

Структура и объем диссертации

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Установлены грани с минимальной скоростью роста, определяющие форму и свойства кристаллов большого диаметра. Обнаружены отличия кристаллической структуры и морфологии слитков большого (0>40мм) и малого диаметра, выращенных в направлении [111]. Зарегистрировано осциллирующее по длине слитка распределение времени жизни неравновесных носителей заряда, коррелирующее с формой роста кристаллов. Разработан метод т-вки контроля структурного качества кристаллов 81[111].

1. На основе модели роста, учитывающей предварительную ассоциацию атомов в расплаве, в диссертации раскрыты механизмы кристаллизации, показывающие влияние форм роста слитков БЗП кремния на структуру морфологических элементов, которые возникают на боковой поверхности БЦШ]. К морфологическим элементам поверхности относятся реберные выступы, полосы наклонных граней и наросты. Разработана классификация признаков данных элементов, позволяющая установить, какая из форм роста определила морфологию кристалла.

3. Установлена зависимость морфологии поверхности бездислокационного монокристалла БЗП кремния от диаметра слитка О. Установлено, что существует критическое значение 0=ВП, при котором в бездислокационном кристалле происходит переход от формы октаэдра к другим формам роста. Показано, что величина Эп зависит от размеров и формы индуктора и составляет от 40 до 80 мм.

5. Зарегистрировано осциллирующее по длине монокристалла распределение времени жизни т неравновесных носителей заряда (ННЗ). Для измерений использовался бесконтактный метод, основанный на релаксации фотопроводимости, определенной на сверхвысоких частотах. Колебания тннз зарегистрированы вдоль образующих цилиндрической поверхности монокристалла, содержащих наросты. Период колебаний коррелирует с периодом образования наростов. Осцилляции наблюдаются только в кристаллах с высоким временем жизни (более 2 мс), а их амплитуда достигает 6 мс.

6. Разработан метод in-situ контроля генерации дислокаций на основе регистрации форм роста и переходов между ними. Для D>Dn присутствие хотя бы одного морфологического элемента (реберный выступ или нарост) форм роста ромбододекаэдра или тетрагонтриоктаэдра является достоверным признаком выращивания бездислокационного монокристалла. Если при D>Dn регистрируются только формы роста октаэдра (реберные выступы или полосы наклонных граней), то имеет место рост дислокационного монокристалла. Если же на боковой поверхности слитка отсутствуют какие-либо реберные выступы или наросты, то имеет место рост блочного кристалла.

Свою искреннюю признательность автор выражает научному руководителю д.ф.м.-н. Е.М. Труханову и к.ф.-м.н. В.В. Калинину, без помощи которых диссертационная работа не была бы выполнена.

Автор благодарен соавторам включенных в диссертацию работ, и другим сотрудникам ННЦ СО РАН (ИФП, ИТФ) за большую помощь при получении экспериментальных результатов и на различных этапах анализа данных, которые составили основу диссертации, а именно: д.ф.м.-н. О. П. Пчелякову, д.ф.м.-н. В.Я. Принцу, д.ф.м.-н. B.C. Бердникову, к.ф.-м.н. A.B. Колесникову, к.ф.-м.н. A.M. Мясникову, к.ф.-м.н. С.П. Кобелевой, к.ф.-м.н. J1.B. Соколову, к.ф.-м.н. С. Н. Речкунову, к.ф.-м.н. А.Ф. Булдыгину, П. Л. Смирнову, Т. В. Булычевой, A.C. Токареву, А.П. Василенко, С.С. Шаймиеву, A.A. Борисову.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Фрицлер, Константин Бернгардович, Новосибирск

1. Современная кристаллография. Т.З: Образование кристаллов. Под ред. Вайнштейн Б.К., Чернов А.А., Шувалов Л.А., М.: Наука, 1980, 408 с.

2. Annual Report 2004/05, Institute for Crystal Growth Berlin, Germany.www.ikz-berlin.de

3. Zulehner W. Historical overview of silicon crystal pulling development. Materials Science and Engineering B, 2000, v.73, № 1-3, p. 7-15.

4. Pfann, W. G. Principles of zone-meiting. J. Metals, Trans. AIME, 1952, v. 194, p. 747-753.

5. Emeis R. Growing silicon single crystals without a crucible. Z. Naturforschung, 1954, v.9a, p. 67.

6. Siemens & Halske: BRD Patents 1.102.117 and 1.140.549, filed 1954, issued 1956.

7. Dash W. C. Growth of silicon crystals free from dislocations. J. Appl. Phys., 1959, v.30, p. 459-475.

8. Keller W., DBP 1.148.525, filed May 29,1959, patented Dec. 27,1963.

9. Crosby L. R., Stewart H. M., USP 3,249,406, filed Jan. 8, 1963, patented May 3,1966.

10. Салли И.В., Фалькевич Э.С. Управление формой роста кристаллов. Киев: "Наукова Думка", 1989, 158 с.

11. М.Г. Мильвидский Полупроводниковые материалы в современной электронике. -Москва: Наука, 1986, 144 с.

12. Voronkov V.V. The mechanism of swirl defects formation in silicon. J. Crystal Growth, 1982, v.59, p. 625-643.

13. Voronkov V.V., Falster R. Vacancy-type microdefect formation in Czochralski silicon. J. Crystal Growth, 1998, v. 194, p. 76 - 88.

14. De Kock A.J.R., Poksnoer P.J., Boonen P.G.T. The introduction of dislocations during the growth of floating -zone silicon crystals as a result of point defect condensation. J. Cryst. Growth, 1975, v.30, № 3, p.279-294.

15. Ciszek T. F. and Wang Т.Н. Silicon Float-zone crystal growth as a tool for the study of defects and impurities. J. Cryst. Growth, 2002, v. 237-239, p. 1685-1691.

16. Abe Т., Takahashi Т. Intrinsic point defect behavior in silicon crystals during growth from the melt: a model derived from experimental results. J. Cry. Growth, 2011, v. 334, p. 1636.

17. Ammon W.von, Holzl R., Virbulis J., Dornberger E., Schmolke R., Graf D. The impact of nitrigen on the defect agregation in Si. J. Cryst. Growth, 2001, v. 226 (1), p. 19-30.

18. Ammon W.v., Holzl R., Wetzel Т., Zemke D., Raming G., Blietz M. Formation of stacking faults in nitrogen-doped silicon single crystal. Microelectronic Engineering, 2003, v. 66, p. 234-246

19. Sumino K., Yonenaga I., Imai M., Abe T. Effects of nitrogen on dislocation behavior and mechanical strength in silicon crystals. J. Appl. Phys., 1983, v. 54, p. 5016-5020.

20. Keller W., Muhlbauer A. Floating-Zone Silicon. New Jork and Basel: Marcel Dekker Inc., 1981, 298 p.

21. Фалькевич Э. С. Технология полупроводникового кремния. Москва: Металлургия, 1992, 408 с.

22. Collins R. L. Growth parameters for large diameter float zone silicon crystals. J. Cryst. Growth, 1977, v. 42, p. 490-492.

23. Keller W. Experimental influence of some growth parameters upon the shape of the melt interfaces and the radial phosphorus distribution during float-zone growth of silicon single crystals. J. Cryst. Growth, 1976, v. 36, p. 215 -231.

24. Реньян В.P. Технология полупроводникового кремния. Москва: Металлургия, 1969, 336 с.

25. Фалькевич Э. С., Елецкая Н. И., Неймарк К. Н., Осовский М. И. Особенности внешнего вида бездислокационных монокристаллов кремния. в кн.: Рост кристаллов, ред. Шефталь Н.Н., М.: Наука, 1972, т. 2., с. 189-192.

26. Бевз В. Е., Осовский М. И., Фалькевич Э. С. Влияние условий роста на внешнюю форму монокристаллов. в кн.: Рост кристаллов, ред. Шефталь Н.Н., М.: Наука, 1974, т. 10, с. 221-225.

27. Бевз В. Е., Осовский М. И., Фалькевич Э. С., Неймарк К. И. Внешняя форма дислокационных и бездислокационных монокристаллов при выращивании из расплава.

28. Процессы роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск : Наука, 1975, с. 39-41.

29. Фалькевич Э. С. Особенности внешнего вида бездислокационных монокристаллов кремния и германия. Физика кристаллизации, Калинин.: Калининю гос. ун-т, 1978, с.69-76.

30. Wilcox W. R. The influence of a temperature gradient on crystal faceting. J. Cryst. Growth, 1970, v. 7, p. 203-208.

31. Ciszek T. F. Non Cylindrical Growth habbit of float zoned dislocation -free 111. silicon crystals. - J. Cryst. Growth, 1971, v. 10, p.263-268.

32. Abe T. The growth of Si single crystals from the melt and impurity incorporation mechanisms. J. Cryst Growth, 1974, v. 24, № 2, p.463-467.

33. Лодиз P., Паркер P. Рост монокристаллов. M.: Мир, 1974, 542 с.

34. Herring С. Some Theorems on the Free Energies of Crystal Surfaces. Phys. Rev., 1951, v. 82, p. 87 - 93 .

35. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 234 с.

36. Козлова О. Г. Рост кристаллов. М.: Издательство Московского Университета, 1967, 238 с.

37. Burton W. К., Cabrera N., Frank F. С. Role of dislocations in crylal growth. Nature, 1949, v. 103, №4141, p. 398-399.

38. Каишев P. О некоторых вопросах молекулярно-кинетической теории образования и роста кристаллов,- Рост кристаллов, т. 3,. М.: Изд-во АН СССР, 1961, с.26-51.

39. Джексон К. А. Механизм роста кристаллов Жидкие металлы и их затвердевание.-М: Металлургиздат, 1962, с. 200-214.

40. Джексон К. А., Ульманн Д., Хант Дж. О механизме роста кристаллов из расплава. -Проблемы роста кристаллов, М.: Мир, 1968, с. 27-86.

41. Van der Eerden J.P. Surface roughening, surface melting and crystal quality Faraday Discuss, 1993, v. 95, p. 65 -74.

42. Регель А.Р., Глазов В.М. Периодический закон и физические свойства электронных расплавов М.: Наука, 1978, 309 с.

43. Глазов В.М. Айвазов А.А. Энтропия плавления металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1980, 172 с.

44. Глазов В.М. Лазарев В.Б., Жаров В.В. Фазовые диаграммы для простых веществ. -М.: Наука, 1980,270 с.

45. Sangwal К. On the estimation of surface entropy factor, interfacial tension, dissolution enthalpy and metastable zone width for substances crystallizing from solution J. Cryst. Growth, 1989, v.97, p. 393-405.

46. Таран Ю.Н. Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия, 1978, 312 с.

47. Кидяров Б.И. Термодинамические и теплофизические критерии морфологической устойчивости роста кристаллов. Теплофизика и аэромеханика, 2009, т. 16, с. 777 - 782.

48. Olshanetsky B.Z., Solovyov А.Е., Dolbak А.Е., Maslov A.A. Structures of clean and nickel-containing high Miller index surfaces of silicon Surface Science, 1994, v. 306, p. 327-341.

49. Voronkov V.V. Theory of crystal surface formation in the pulling process. J. Crys. Growth, 1981, v.52, p. 311-318.

50. Баковец В.В. Актуальные проблемы капиллярности в электронном материаюведении. Часть 3, Новосибирск: Институт неорганической химии СО РАН, 1994, 196 с.

51. Vasiliev Ya V., Borovlev Yu.A., Shlegel V.N., Akhmetshin R.R., Grigorev D.N., Smakhtin V.P., Gusev V.A. BGO crystals grown by a low-thermal gradient Czochralski technique. Nucl. Instrum. Meth., 1996, a379, p.533-535.

52. Френкель Я. И. Собрание избранных трудов, т. III. М.: Изд-во АН СССР, 1959, 358 с.

53. Шефталь Н.Н. Закономерности реального кристаллообразования и некоторые принципы выращивания монокристаллов. Рост кристаллов, т. 10, М.: Наука, 1974, с. 195-220.

54. Шефталь Н.Н. К вопросу о реальном кристаллообразовании. Рост кристаллов, т. 3, М.: изд-во АН СССР, 1961, с. 9-21.

55. Строителев С. А. Кристаллохимический аспект технологии полупроводников. -Новосибирск: Наука, 1976, 193 с.

56. Строителев С.А., Изергин А. П., Павленко Ю. С. Влияние вибраций на форму кристаллов, выращенных из расплава по методу Чохралъского. Изв. вузов. Физика, 1959, № 1, с. 107-109.

57. Строителев С. А. О причинах образования пластинчатых и игольчатых кристаллов полупроводников, В кн.: Кристаллизация и фазовые переходы, Минск: Изд. АН БССР, 1962, с. 183-187.

58. Строителев С. А. О причинах образования комбинационной штриховки кристаллов.-Зап. Всес. минерал, об-ва, 1961', ч. 90, с. 709-714.

59. Строителев С. А. Образование двойников роста кристаллов германия, кремния и полупроводниковых соединений А"'ВУ.- Изв. СиС. ОТД АН СССР. Серия хим. наук, 1966, №3, вып. 1, с. 57-60.

60. Строителев С.А. Кристаллохимический аспект представлений о зарождении и росте кристаллов,- В кн.: Механизм и кинетика кристаллизации. Минск: Наука, и техника, 1969, с. 47-54.

61. Строителев С. А. О зарождении ростовых дефектов структуры кристаллов,- В кн.: Матер Всес. совещ. по дефектам структуры в полупроводниках, ч. 1, Новосибирск, 1969, с. 31-39.

62. Строителев С. А. Образование двойников роста алмаза,- «Минерал, сб.», Львов, 1967, т. 21, № 4, с. 392-394; К вопросу образования двойников роста кристаллов минералов.-«Минерал, сб.», Львов, 1969, т. 23, № 3, с. 321-323.

63. Строителев С. А. Влияние примесей в растворе на форму кристаллов при их росте. -Геол. и геофиз., 1961, № 6, с. 31-39.

64. Строителев С. А. О двух типах дендритов полупроводников и механизме их роста,-Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1968, т. 4, № 9, с. 1411-1415.

65. Строителев С. А. Габитусное профилирование кристаллов. Кинетика и механизм кристаллизации, Минск, 1973, с. 242-247.

66. Строителев С. А. О ростовых точечных дефектах структуры,- Матер. III Всес. совещ. по дефектам структуры в полупроводниках. Новосибирск, 1973, с. 38-40.

67. Хартман П. Зависимость морфологии кристалла от кристаллической структуры.-Рост кристаллов, т. 7, М.: Наука, 1967, с. 8-24.

68. Губенко А.Я. Фазовые превращения в твердом и жидком кремнии -Кристаллография, 2001, т. 46, №16 с.88.

69. Gubenko A. Effect of the structural state of the melt on the properties of silicon crystals -Microelectronic Engineering, 1999, v. 45, p. 161-168.

70. Ginkin V., Kartavykh A., Zabudko M. A melt clusterization within the interfacial boundary layer and its hydrodynamics modeling at the microgravity semiconductor single crystal growth. J. Cryst. Growth, 2004, v. 270, p. 329-339.

71. Картавых A.B., Гинкин В.П. Структурная самоорганизация расплавов в переходном слое при росте кристаллов в условиях микрогравитации. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2009, № 2, с. 49-57.

72. Waseda Y., Shinoda К. Sugiyama К., Takeda S., Terashima К., Toguru J. M. High Temperature X-ray Diffraction Study of Melt Structure of Silicon Jpn. Appl. Phys, 1995, vol. 34, p. 4124-4128.

73. Кожемякин Г.Н Крюков М.О. Воздействие ультразвуковых волн на нанокластеры в расплавах. Вюник СНУ iM. В. Даля, 2010, №12, ч.2, с. 84- 88.

74. Асеев A.JI., Голобоков Ю.Н., Стенин С.И. Микромеханизмы пластической деформации кремния и германия при температурах от 0.5 до 0.95 Тт. В кн.: Матер. III Всес. совещ. по дефектам структуры в полупроводниках, Новосибирск, 1973, с. 131133.

75. Фрицлер К.Б., Труханов Е.М., Калинин В.В., Смирнов П.Л., Колесников А.В., Василенко А.П. In situ контроль структуры кристаллов бестигельного Si (111) на основе поведения реберных выступов Письма в ЖТФ, 2007, т.ЗЗ, вып.12, с. 55-60.

76. Фридель Ж. Дислокации. Москва, "Мир", 1967, 644 с.

77. Trukhanov Е. М., Stenin S.I. Equilibrium dislocation configurations in heterostructures. -Phys. Stat. Sol (a), 1981, v.66, p.591-596.

78. Trukhanov E.M., Stenin S.I., Noskov A.G. Dislocation interactions in germanium covered with dielectric films Phys. Stat. Sol (a), 1979, v.56, p.443-450.

79. Trukhanov E.M., Stenin S.I., Noskov A.G. Dislocations and stresses in a crystal with an island film Phys. Stat. Sol (a), v.53,1979, p.433-440.

80. Trukhanov E.M., Stenin S.I. Initial stage of plastic deformation of substrates in heterostructures. Phys. Stat. Sol.(a), 1981, v.66, p.125-131.

81. Trukhanov E.M. Accomodation of misfit in heterostructures with continous and island films. Phys. Stat. Sol.(a), 1983, v.16, p.437-445.

82. Горохов Е.Б., Носков А.Г., Стенин С.И., Труханов Е.М. Напряженное состояние и дефекты кристаллического строения в системах полупроводник-аморфная диэлектрическая пленка.- Микроэлектроника, 1983,т. 12, №3, с.200-209.

83. Trukhanov Е.М., Zsoldos L. Some Features of Generation of Misfit Dislocations in SI during В diffusion. Phys. Stat. Sol.(a), 1981, v.66, p. 157-164.

84. Бабенкова С.Л., Труханов E.M. Возникновение дислокаций в полупроводниковой подложке вблизи прямолинейного края пленки- Поверхность. Физика, химия, механика,1989, №8, с.59-65.

85. Труханов Е.М., Тришункин В.Ф., Грачев К.В., Стенин С.И. Влияние формы и размера островков пленки на начало пластической деформации подложек. Поверхность, 1991, №5, с.50-58.

86. Fitzgerald Е.А. Dislocations in strained-layer epitaxy: theory, experiment and applications. -Materials Sci. Reports, 1991, v. 7, № 3, p. 87-143.

87. Jain S. C., Willis J. R., Bullough R. A review of theoretical and experimental work on the structure of GeSi strained layers and superlattices, with extensive bibliography. Advances in Physics, 1990, v. 39, № 2, p. 127-190.

88. Matthews J. W. The observation of dislocations to accommodate the misfit between crystals with different lattice parameters. Phil. Mag., 1961, v.6, № 71, p. 1347-1349.

89. Jesser W.A., Matthews J. W. Evidence for Pseudomorphic growth of iron on copper. Phil. Mag., 1967, v.15, № 138, p. 1097-1106.

90. Trukhanov E.M., Fritzler K.B., Lyubas G.A., Kolesnikov A.V. Evolution of Film Stress with Accumulation of Misfit Dislocations at Semiconductor Interfaces Applied Surface Science, 1998, v. 123/124, p.664-668.

91. Matthews J.W., Blakeslee A.E.J., Mader S. Use of misfit strain to remove dislocations from epitaxial thin film. Thin Solid Films, 1976, v. 33, p. 253-266.

92. Тхорик Ю.А., Хазан JI.C. Пластическая деформация и дислокации несоответствия в гетероэпитаксиалъных системах. Киев: Наукова Думка, 1983, 135с.

93. Muiznieks A., Raming G., Muhlbauer A., Virbulis J., Hanna В., Amnion W.v., Stress-induced dislocation generation in large Fz- and Cz-silicon single crystals numerical model and qualitative considerations. - J. Cryst. Growth, 2001, v. 230, p. 305-313.

94. Muhlbauer A., Muiznieks A., Virbulis J., Ludge A., Riemann H. Interface shape, heat transfer and fluid flow in th floating zone silicon crystals with the needle-eye technique. J. Cryst. Growth, 1995, v. 151, p. 66-79.

95. Muhlbauer A., Muiznieks A., Virbulis J. Análisis of the dopant segregation effects at the floating zone growth of large silicon crystals. J. Cryst. Growth,1997, v. 180, p. 372-380.

96. G. Raming, A. Muiznieks, A. Muhlbauer. Numerical investigations of the influence of EM fields on fluid motion and resistivity distribution during floating-zone growth of large silicon single crystals.- J. Cryst. Growth, 2001, v. 230, p. 108-117.

97. Бородовский П.А., Булдыгин А.Ф., Токарев А.С. Определение времени жизни неосновных носителей заряда в слитках кремния по релаксации фотопроводимости измеренной на сверхвысоких частотах. ФТП, 2004, т. 36, № 9, с. 1043 - 1049.

98. Бородовский П.А., Булдыгин А.Ф., Токарев А.С., Чернявский Е.В. Исследование СВЧ метода измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в слитках слаболегированного кремния. Микроэлектроника, 2005, т. 34, № 5, с. 375 - 384.

99. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М: Мир, 1984, 472 с.

100. Родес Р. Г. Несовершенства и активные центры в полупроводниках. М: Металлургия, 1968, 372 с.

101. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М: Металлургия, 1984, 256 с.

102. Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир, 1974, 464 с.

103. Осипьян Ю.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках. М: Эдиториал УРСС, 2000, 315 с.

104. Burton J. A., Prim R.C., Sclichter W.P. The Distribution of Solute in Crystals Grown from the Melt. Part I. Theoretical. J.Chem. Phys., 1953, v. 21, № 11, p. 1987-1991.

105. Труханов Е.М., Фрицлер К.Б., Калинин В.В. Взаимосвязь явлений, обусловливающих морфологию поверхности слитка и возникновение дефектов структуры в БЗП монокристаллах кремния Тезисы докладов Совещания "Кремний 2004", Иркутск, 2004, с. 156.