Ленточные (в общем случае — профилированные) кристаллы крем­ния, выращенные ST-способами, обладают характерными дефектами кристаллического строения, в число которых входят межзеренные гра­ницы (МЗГ), плоские границы (чаще всего двойникового типа), дисло­кации и их скопления, а также частицы или сростки частиц SiC.

В результате двойникования по пересекающимся плоскостям, что наблюдается на начальном этапе роста [8], в ленточном кристалле ус­танавливается устойчивая или квазиравновесная структура, характери­зующаяся наличием дефектных областей (плоских границ), перпенди­кулярных плоскости ленты и параллельных направлению вытягивания [40]. При этом поверхность кремниевой ленты имеет ориентацию {110}, а направление вытягивания совпадает с осью <211> . Такая ори­ентация устанавливается и поддерживается независимо от ориентации затравки и может быть достигнута сразу же на стыке затравка — кристалл, если затравка имеет ориентацию {110} <211>, или же в слу­чае, когда в качестве затравки используется отрезок кремниевой ленты (пластины) с устойчивой структурой [8].

Электрическая активность границ зерен намного превосходит ак­тивность прочих структурных дефектов (см. рис. 1.8). Эти границы в полупроводниках создают /?-и-р-структуры, что сильно снижает эффек­тивность фотопреобразователей. Поэтому влияние МЗГ на электриче­ские параметры в основном определяется примесным состоянием кремния. А основным источником его загрязнения является графито­вый ФО [40].

Использование графитового ФО при выращивании л-Si способами ST приводит к высокому содержанию углерода (около 2-Ю18 см-3) и наличию частиц SiC различного размера. Однако только некоторые из них влияют на электрические свойства ленточного кремния. Концен­трация кислорода обычно составляет около 5-Ю17 см-3 [41].

Двойники возникают непосредственно на фронте кристаллизации ленты, и их возникновение не зависит от материала ФО. Выделяются два основных типа двойниковых структур: столбчатая, с расположени­ем двойниковых плоскостей перпендикулярно или под углом к Широ­кой поверхности ленточного кристалла и пластинчатая, с расположени­ем двойниковых плоскостей параллельно широкой поверхности {111} ленточного кристалла [42]. Двойникование обычно связывается с попа­данием частиц SiC или с температурными напряжениями, возникаю­щими при неравномерном охлаждении. Авторы [42] считают, что мно­жественное двойникование ленточных кристаллов связано с особенно­стями процесса их роста в модификациях способа ST. Оно вызывается наличием в расплаве микрокристалликов, участвующих в росте, и мик — роступенчатым рельефом фронта кристаллизации, при котором двой­никовое врастание микрокристаллика энергетически выгоднее парал­лельного.

Появление микрокристалликов обязано значительному переохлаж­дению расплава, обеспечивающему большие скорости роста (по срав­нению со способом Чохральского). Большое переохлаждение, в свою очередь, приводит к огрублению фронта кристаллизации [42]. Выход системы двойниковых плоскостей на фронт кристаллизации приводит к изменению условий слоевого роста. Входящие углы двойников, устра­няющие энергетический барьер образования новых слоев, снижают пе­реохлаждение на ФК. Результаты исследования [42] показывают, что огранение ФК является достаточным условием рекомбинационной ак­тивности МЗГ.

Исследование поперечных шлифов показало, что зеренная струк­тура кристаллов зависит от толщины стенки S трубы, которая опреде­ляется скоростью вытяжки. При 8 >: 600 мкм не все зерна прорастали насквозь, при этом некоторые границы были параллельны поверхности образца. При S < 600 мкм такие зерна отсутствовали [43]. Линейные размеры зерен составляли около 1 см [42]. Структура граней кремние­вых многогранников отличается от структуры отдельно выращенных лент. Межзеренные границы, наклонные к направлению роста, выходят на края ленты и исчезают. Углы многогранника не являются аналогом краев ленты, поэтому в гранях наблюдаются наклонные зерна, тройные и множественные стыки МЗГ, двойниковые границы [43].

Основные места преимущественного вхождения примесей, оказы­вающих влияние на электрическую активность МЗГ, — это двугранные углы, образующиеся из линии пересечения ФК с МЗГ. При этом столб­чатая, перпендикулярная к поверхности ленты, и пластинчатая структу­ры образуются в момент кристаллизации, а столбчатая структура, рас­положенная под углом к поверхности ленточного кристалла, — в ре­зультате рекристаллизации при остывании. В соответствии с различ­ными условиями возникновения различаются и свойства МЗГ: примес­ный и дефектный состав в приграничных областях, а следовательно, и электрическая активность МЗГ. Межзеренные границы, возникшие при охлаждении, не обладают рекомбинационной активностью для носите­лей зарядов [43].

В исследовании [44] показано, что крупные зерна с высокой плот­ностью дислокаций (до 107 см-2 при средней около 104 см-2) могут да­вать вклад в объемную рекомбинацию, не только сравнимый с вкладом МЗГ, но и значительно выше.

Изучение ФК показало, что огранка фронта кристаллизации плос­костями {111} наблюдается лишь в окрестности высокоэнергетических границ общего типа и двойниковых границ высших порядков, напри­мер {111}—{115}. Отклонение фронта кристаллизации от плоского в области когерентных двойников не превышает 2 мкм. Суммарная пло­щадь фронта кристаллизации, ограниченная плоскостями {111}, неве­лика; основная часть фронта повторяет изотерму кристаллизации и со­ответствует плоскости, близкой к {112}, в отдельных случаях — и к плоскости {110} (рис. 4.15), каждая из которых может расти по парал­лельному механизму. Таким образом, при росте плоских кристаллов кремния реализуется как послойный, так и нормальный механизмы роста [8].

Обнаруженные особенности фронта кристаллизации в способе ST могут быть связаны с влиянием примесей на свободную энергию гра­ней или на кинетику роста [8], поэтому в отличие от работы [42] В. А. Татарченко [8] считает, что реализация высоких скоростей роста не обязательно связана с огранкой ФК.

Бичом технологий выращивания профилированного кремния явля­ется SiC. Карбид кремния определяет и влияние ФО, вносит тепловые и капиллярные искажения, когда образуется на рабочих кромках графи­тового ФО при взаимодействии последнего с расплавом Si. Помимо влияния на структуру профилей карбид кремния, внедряющийся в при­поверхностный слой кристалла в виде частиц, сильно влияет на качест­во получаемого кремниевого материала. Искривление кромки ФО при­водит к искажению мениска, в результате на поверхности лент и труб появляются характерные борозды, а в отдельных случаях — выступы вдоль направления вытягивания, которые обрываются при захвате час­тицы SiC кристаллом. Количество и размер одновременно захватывае­мых частиц зависят от амплитуды колебаний положения ФК и от сред­ней высоты мениска [8].

Уменьшения количества карбидных включений в профилирован­ных кристаллах кремния можно добиться несколькими путями [8]:

— использованием тиглей, формообразователей и кристаллизато­ров из плотного графита (>1,9 г/см3);

— покрытием графита слоем защитного материала (пироуглерод, стеклографит, нитрид и оксинитрид кремния и др.);

— поддерживанием высокого мениска расплава (выращивание замкнутых профилей-труб).

Эксперименты по легированию профилированного кремния редко­земельными элементами показали, что при введении в расплав кремния примеси Gd в количестве > 0,05 мае. % на поверхности профиля не об­наруживается включений SiC при любой высоте мениска [37].

Основными дефектами в монокристаллических лентах кремния яв­ляются дислокации и слоистое распределение примеси. Плотность дис­локаций составляет обычно 102— I О4 см-2. При плотности выше 104 см-2 дислокации образуют локальные скопления. В бездислокационных лен­тах выявляются только слоистые примесные неоднородности. Микро­дефекты выявить не удается [33] из-за малой толщины ленточного кри­сталла, приводящей к быстрому стоку точечных дефектов к его поверх­ности за время охлаждения. Выявляется несколько видов слоистых не­однородностей распределения примесей. Период и электрическая ак­тивность этих неоднородностей зависят от материала ФО и легирова­ния: например, период уменьшается с уменьшением равновесного ко­эффициента распределения [33] (см. приложение 3).