CS213699B1

CS213699B1 - Apparatus for radio frequency band melting

Info

Publication number: CS213699B1
Application number: CS888680A
Authority: CS
Inventors: Ales Zborilek; Dusan Mrazek; Zdenek Danicek; Frantisek Zatopek; Vilem Smejkal
Original assignee: Ales Zborilek; Dusan Mrazek; Zdenek Danicek; Frantisek Zatopek; Vilem Smejkal
Priority date: 1980-12-16
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1982-04-09

Abstract

Vynález se týká zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení vysoce čistého materiálu, např. Křemíku, které je vhodné zejména pro velké průměry zpracovávaného ingotu. Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení obsahuje indukční soustavu, skládající se z hlavní ohřívací a pomocné stabilizační cívky připojené k témuž zdroji proudu, kde hlavní ohřívací cívka má nejméně dvě tvarově odliSné části, navazující na sobe spojitě v jedné rovině kolmé pa osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu mají tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá část nebo části mají tvar oblouku křivky se spojitě a monotonně se zvětšující vzdáleností od osy rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě čésti hlavní ohřívací cívky, jsou radiálně připojeny přívody.The invention relates to a device for high-frequency flying zone melting of a high-purity material, e.g. silicon, which is particularly suitable for large diameters of the processed ingot. The device for high-frequency flying zone melting comprises an induction system consisting of a main heating and auxiliary stabilizing coil connected to the same current source, where the main heating coil has at least two parts of different shapes, connected to each other continuously in one plane perpendicular to the axis of rotation of the ingot, of which the first part or parts closer to the axis of rotation of the ingot have the shape of a circular arc with a center in the axis of rotation of the ingot and a radius smaller than the radius of the melted ingot, while the second part or parts have the shape of an arc of a curve with a continuously and monotonically increasing distance from the axis of rotation of the ingot, with the largest distance equal to at least the radius of the ingot, with leads being radially connected to both parts of the main heating coil.

Description

(54) Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení(54) Equipment for high-frequency flying band melting

Vynález se týká zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení vysoce čistého materiálu, např. Křemíku, které je vhodné zejména pro velké průměry zpracovávaného ingotu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for high frequency flying band melting of a high purity material, such as Silicon, which is particularly suitable for large diameters of the ingot being processed.

Zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení obsahuje indukční soustavu, skládající se z hlavní ohřívací a pomocné stabilizační cívky připojené k témuž zdroji proudu, kde hlavní ohřívací cívka má nejméně dvě tvarově odliSné části, navazující na sobe spojitě v jedné rovině kolmé pa osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu mají tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá část nebo části mají tvar oblouku křivky se spojitě a monotonně se zvětšující vzdáleností od osy rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě čésti hlavní ohřívací cívky, jsou radiálně připojeny přívody.The high-frequency flying-smelting apparatus comprises an induction system comprising a main heating coil and an auxiliary stabilizing coil connected to the same power source, wherein the main heating coil has at least two differently shaped parts adjoining each other continuously in a plane perpendicular to the axis of rotation. wherein the first portion or portions closer to the ingot axis of rotation have the shape of a circular arc centered on the rotary axis of the ingot with a radius smaller than the radius of the fused ingot, while the second portion or portions have a curve curve with continuous and monotonically increasing distance from the ingot rotation axis , with the greatest distance equal to at least the radius of the ingot, the inlets being radially connected to both parts of the main heating coil.

313 63»313 63 »

Oi». aOi ». and

213 699213 699

213 6.99213 6.99

213 899213 899

Vynález se týká zařízení pre vysokofrekvenční letmá pásmové tavení vysoce čistého materiálu, které je vhodné zejména pro velké průměry z praoovívaného ingotu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for high-frequency flying band melting of a high purity material, which is particularly suitable for large diameters of powdered ingot.

K teplotnímu zpracování vysoce čistého materiálu, např. k výrobě monokrystalů polovodičového křemíku, se časté používá tzv. letmého pásmového tavení, kde zpracovávaný materiál ve tvaru obvykle válcovitého ingotu, upnutého v příslušné aparatuře, je místně taven za současného postupu taveného pásma ve směru podélné osy ingotu. K ohřevu slouží ohřívací indukční soustava., kterou protéká vysokofrekvenční proud a která obepíná roztavené pásmo v rovině kolmé k podélné ode ingotu. Konstrukce ohřívací indukční soustavy, zvláště pak tvar, rozměry a umístění hlavní ohřívací cívky vzhledem k tavenému ingotu mají rozhodující vliv na plynulost taveni, stabilitu roztaveného pásma a tvar krystalizačního rozhraní.The so-called flying zone melting is often used for thermal processing of highly pure material, eg for the production of semiconductor silicon single crystals, where the processed material in the form of a usually cylindrical ingot clamped in the respective apparatus is locally melted while the fused zone progresses in the longitudinal axis ingot. A heating induction system is provided for heating, through which a high-frequency current flows and which encircles the molten zone in a plane perpendicular to the longitudinal from the ingot. The design of the heating induction system, in particular the shape, dimensions and position of the main heating coil with respect to the molten ingot, have a decisive influence on the flow of melting, the stability of the molten zone and the shape of the crystallization interface.

Je známa řada zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení, řešících problém stability taveného pásma. Dosud se v běžné praxi používá indukčních soustav s různě provedenými závity nakrátko, jejichž účinek spočívá v deformaci elektromagnetického pole. Následkem toho se teplo vyvíjí pouze v části ingotu, která je vymezena závity nakrátko a výsledSé snížení osové výšky pásma se projeví ve zlepšení jeho stability. Nevýhodou indukčních -eeustav se závity nakrátko je nízká účinnost, labilita při vyšších rychlostech posuvu taveného pásma a praktická nepoužitelnost pro průměry ingotů větší než 30 mm.A number of devices for high-frequency flying band melting are known which solve the problem of stability of the fused band. To date, induction systems with various short-circuit threads have been used in practice, the effect of which is to distort the electromagnetic field. As a result, heat is generated only in the portion of the ingot that is defined by the short threads, and the resulting reduction in the axial height of the band results in an improvement in its stability. The disadvantages of short-threaded induction threads are low efficiency, lability at higher flux rates and practical inapplicability for billet diameters greater than 30 mm.

Déle jsou známa zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení, kde podobného Účinku jako u indukčních soustav se závity nakrátko se dosahuje pomocnými cívkami, napájenými v opačném smyslu z téhož zdroje proudem stejného kmitočtu jako hlavní ohřívací cívka. Pomocné cívky je možno rovněž napájet z pomocného zdroje proudem nižšího kmitočtu, kde se stabilizačního účinku dosahuje využitím podpůrných elektrodynamických sil. Nevýhodou obou těchto typů známých zařízení s pomocnými cívkami jě, kromě obdobných závad jako u indukčních soustav se závity nakrátko, i jejich poměrně složité konstrukce.Further, high-frequency flying-band melting devices are known in which a similar effect to short-circuit induction systems is achieved by auxiliary coils fed in the opposite direction from the same source at the same frequency as the main heating coil. The auxiliary coils can also be supplied from the auxiliary source with a lower frequency current, where the stabilizing effect is achieved by utilizing the supporting electrodynamic forces. A disadvantage of both of these types of known auxiliary coil devices is their relatively complicated construction, in addition to defects similar to short-circuit induction systems.

V poslední době se nejčastěji používá pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení velkých průměrů ingotu hlavních ohřívacích cívek obvykle kruhového tvaru nebo tvarů blízkých kruhovému, o vnitřním průměru menším až podstatně menším než je průměr taveného ingotu, s poměrem obou průměrů 1 : 1 až 1 : 2. íento typ zařízení využívá ke snížení výšky pásma, tudíž k zlepšení jeho stability, deformace elektromagnetického pole částí vlastního, taveného ingotu , tj. zdola kapalného pásma a shora taveného ingotu. Účinek je obdobný jako u výše uvedených indukčních soustavse závity nakrátko s tím rozdílem, že energie potřebné k deformaci elektromagnetického pole se současně využívá k vlastnímu tavení a použitelnost takovýchto zařízení se rozšiřuje pro větší průměry tavených ingotů. Ke zlepšení účinku se mnohdy používají i u těchto indukčních soustav pomocné cívky jako u výše uvedených zařízení.Recently, it has been most commonly used for high-frequency flying band melting of large ingot diameters of main heating coils, usually circular or close to circular, with an inside diameter smaller to substantially smaller than the diameter of the fused ingot, with a ratio of both diameters of 1: 1 to 1: 2. This type of device uses to reduce the height of the band, hence to improve its stability, deformation of the electromagnetic field by parts of its own, molten ingot, ie from the bottom of the liquid zone and from the top of the ingot. The effect is similar to the above-mentioned short-winding induction systems except that the energy required to deform the electromagnetic field is simultaneously used for self-melting and the applicability of such devices extends to larger diameters of fused ingots. Auxiliary coils are often used to improve the performance of these induction systems as in the above devices.

I tato zařízení mají některé nevýhody, z nichž nejvážnější je sklon k tvorbě kroužků neroztaveného materiálu v roztaveném pásmu, které pásmo deformuji a po jejichž přetavení dochází k periodickému porušování rovnováhy vlivem zvýšení hydrostatického tlaku. Proces tvoření a opětného přetavování těchto kroužků je rušivý, nebol se tím tvar pásma neustále * mění, což znesnadňuje dodržování plynulého tavení zvláště při růstu monokrystalů. DalšíThese devices also have some disadvantages, the most serious of which is the tendency to form rings of non-molten material in the molten zone, which deform the zone and after melting the periodic disturbance of the equilibrium due to an increase in hydrostatic pressure. The process of forming and remelting these rings is disturbing, since the shape of the band is constantly changing, which makes it difficult to maintain continuous melting, especially in the case of single crystal growth. Next

213 699213 699

2X3 B98 vážnou nevýhodou je tvorbo neroztavených vý/atupků, jež se při postupu roztaveného pásma přibližují k hlavní ohřívací cívce a při dotyku jsou zdroje· vysokofrekvenčních výbojů, jež mohou způsobit naprosté znehodnocení pásmové tavby.The 2X3 B98 serious disadvantage is the formation of non-molten outlets that approach the main heating coil as the molten zone advances and, upon contact, are sources of high-frequency discharges that can cause complete band melting degradation.

Výše uvedené nedastatky dosud známých zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení jsou odstraněny zařízením podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že hlavní ohřívací cívka mé nejméně dvě tvarově odlišné části, navazující na sebe spojitě v jedné rovině kolmé na osu rotace ingotu, z nichž první část nebo části bližší k ose rotace ingotu má tvar kruhového oblouku se středem v ose rotace ingotu o poloměru menším, než je poloměr taveného ingotu, zatímco druhá čést nebo části má tvar oblouku křivky se spojitě a monotónně se zvětšující vzdáleností od osy. rotace ingotu, s největší vzdáleností rovnou nejméně poloměru ingotu, přičemž na obě části hlavní ohřívací cívky jsou radiálně připojeny přívody.The aforementioned shortcomings of the prior art high-frequency zone melting devices are overcome by a device according to the invention, characterized in that the main heating coil has at least two differently shaped parts connected to one another in a plane perpendicular to the axis of rotation of the ingot. the portion or portions closer to the axis of rotation of the ingot has the shape of a circular arc centered on the axis of rotation of the ingot with a radius smaller than the radius of the fused ingot, while the other part or portions has the shape of a curve with continuous and monotonically increasing distance from the axis. rotation of the ingot, with the greatest distance at least equal to the radius of the ingot, with inlets radially connected to both parts of the main heating coil.

Tvarovým a funkčním rozlišením částí hlavní ohřívací cívky zařízení pro vysokofrekvenční letmé pásmové tavení podle vynálezu se docílí řízeného přenosu vysokofrekvenční isnergie.de roztaveného pásma a na tavený ingot v potřebném poměru odpovídajícím technologickému záměru. Tento poměr a těžiště působení vysokofrekvenční energie lze řídit, v závislosti na druhu tavby, průměru ongotu a rychlesti posuvu, poloměrem první topné části (částí) ohřívací cívky a délkou jejího oblouku ve vztahu k tvaru křivky druhé- natavovací části ohřívací cívky, což je významné zvláště k dosažení stabilního pásma a pro usměrňování tvaru krystalizačního rozhraní při tavbě sloužící k přípravě monokrystalů, zejména křemíku. Uspořádáním podle vynálezu je docíleno odstranění nebezpečí tvorby neroztavených výstupků a kraužků, vedoucích k vážným poruchám pásmového tavení.The shape and functional resolution of the main heating coil parts of the high-frequency flying-zone melting apparatus of the invention achieves a controlled transmission of the high-frequency isnergie.de of the molten zone and to the fused ingot in the necessary proportion to the technological intent. This ratio and the center of gravity of the RF energy can be controlled, depending on the kind of melting, ongot diameter and feed rate, the radius of the first heating coil section (s) and the arc length relative to the curve shape of the second heating coil section. in particular to achieve a stable band and to direct the shape of the crystallization boundary in the melt to prepare single crystals, especially silicon. The arrangement according to the invention eliminates the risk of the formation of non-molten protrusions and rings leading to severe zone melting disturbances.

Na výkresu jsou zobrazeny příklady základních provedení podle vynálezu. Na obr. 1 je základní teoreticky zdůvodněný tvar hlavní ohřívací cívky v půdorysů, na obr. 2 je praktic ký příklad uspořádání indukční soustavy s využitím základního tvaru hlavní ohřívací cívky podle obr. 1 v bokorysu, na obr. 3 je indukční soustava podle obr. 2 v půdorysu a na obr.The drawing shows examples of basic embodiments according to the invention. Fig. 1 is a theoretically justified main heating coil shape in plan view; Fig. 2 is a practical side view of the induction system arrangement using the main shape of the main heating coil of Fig. 1; 2 in plan view and in FIG.

je její další alternativní provedení.is another alternative embodiment thereof.

Hlavní ohřívací cívka (obr. 1) se skládá z první části I.tvořené obloukem půlkružnice se středem J!. o poloměru Ro, na který plynule navazuje druhá čést 2j tvořené obloukem spirály, vymezeným uhlem^ (180 °) funkce R sOtV*?.The main heating coil (Fig. 1) consists of the first part I. formed by the arc of a semicircle with the center J1. of radius Ro, to which the second part 2j formed by the arc of the spiral, defined by the angle β (180 °) of the function R sOtV *?

Na obě čésti 1 a 2, navazují radiálně přívody 3. Podmínkou této konstrukce hlavní ohřívací cívky je platnost nerovnosti R^«=:Rp kde R^ je poloměr taveného válcového ingotu.On both parts 1 and 2, radial inlets 3 are connected. The condition of this main heating coil construction is the validity of the inequality R ^ «=: Rp where R je is the radius of the fused cylindrical ingot.

Na obr. 2 je zobrazena hlavní ohřívací Cívka opět sestavené z první části 1 ve tvaru půlkružnice a z druhé části 2 ve tvaru oblouku spirály funkce R =Λ vymezeného úhlem π. Na obě části _1, _2 jsou radiálně připojeny přívody 3. Paralelně k přívodům 3 hlavní ohřívací cívky je připojena pomocná stabilizační cívka 4 ve tvaru kruhu, která zvyšuje stabilitu roztaveného pásma 6 válcového ingotu 8. Vlivem tvaru druhé části 2 hlavní ohřívací cívky se vytvoří r,a borní části nastavení ingotu_8 odtokový kanálek 7«FIG. 2 shows the main heating coil again assembled from the first half-shaped part 1 and the second part 2 in the form of a spiral arc of the function R = Λ defined by the angle π. Connections 3 are radially connected to both parts 1, 2. Parallel to the main heating coil inlets 3 an auxiliary stabilizing coil 4 is connected in the form of a circle, which increases the stability of the molten zone 6 of the ingot 8. , and boring section of the ingot_8 outlet channel 7 «

Na obr. 3 je zobrazena indukční soustava podle obr. 2 v půdorysu, ve směru osy rotace ingotu, procházející středem S.Fig. 3 shows the induction system of Fig. 2 in plan view, in the direction of the axis of rotation of the ingot, passing through the center S.

Na obr. 4 je příklad konstrukce indukční soustavy, kde hlavní ohřívací cívka se skládáFig. 4 is an example of an induction system design where the main heating coil is folded

213 699213 699

213 899 z ppvní části 1 ve tvaru půlkružnice se středem v ose rotace ingotu a druhé a třetí části 2, 2ve tvaru půlelipsy s délkau vedlejší pelaasy rovnau pelaměru půlkružnice a s délkau hlavní pelaasy revneu pelaměru tavenéha ingatu. Hlavní ohřívací cívka je přitem symetrické podle hlavní poloosy půlelipsy. Všechny části indukční soustavy jsou z důvadů chlazení v praxi vyrobeny např. z měděné trubky průměr 4 až 6 mm.213 899 from the first half-shaped part 1 with the center in the axis of rotation of the ingot and the second and third parts 2, 2 in the half-ellipse shape with the length of the side pellaase equal to the half circle The main heating coil is symmetrical to the main half axis of the half-ellipse. In practice, all parts of the induction system are made from copper pipes with a diameter of 4 to 6 mm.

Zařízení pra vysokofrekvenční letmé pásmové tavení padle vynálezu obsahuje indukční soustavu, jejíž hlavní ohřívací cívka se skládá vždy z nejméně dvou tvarově a funkčně odlišných částí, z nichž první část 1 (nebo části) bližší ose rotace ingotu mé tvar kruhevéha oblouku o poloměru menším, poloměru taveného ingotu se středem v jeho ose rotace a obepíná nejužší část roztaveného pásma ve vzdálenosti 1 až 3 mm. Vlivem takte těsné vysokofrekvenční vazby slouží tato první část 1 převážně k předávání energie de roztaveného páama. Druhá část (nebo části) 2 hlavní ohřívací cívky, bezprostředně navazující na část první má tvar a velikost volenou empiricky nebo výpočtem ve vztahu k požadevanému tvaru na tavení rotujícího ingetu nad roztaveným pásmem 6a hlavní ohřívací cívkou. K_olmá vzdá; lenost druhé části 2 hlavní ohřívací cívky od tavenéhe ingotu 8 je malá a rovněž nepřekročí v žádném místě hodnotu 1 až 3 mm. Tato druhá část 2 je tedy velmi těsně elektricky vázána na tavený ingat 8 nad oblastí reztavéného pásma 6 a slouží především k přímému tavení rotujícího ingetu J3, zatímco vysokofrekvenční vazba de roztaveného pásma 6 je vlivem většího odstupu potlačena.The high-frequency flying-melting apparatus of the present invention comprises an induction system whose main heating coil consists of at least two shape and functionally different parts, the first part 1 (or parts) closer to the axis of rotation of the ingot my circular arc shape with a radius smaller. the fused ingot centered on its axis of rotation and surrounds the narrowest portion of the molten zone at a distance of 1 to 3 mm. Due to the close tight RF coupling, this first part 1 serves predominantly to transmit the de-molten energy. The second main heating coil part (or parts) 2 immediately adjacent to the first heating part has a shape and size chosen empirically or by calculation in relation to the desired shape to melt the rotating inget above the molten zone 6a by the main heating coil. The surrender _{of the} LMA; The separation of the second part 2 of the main heating coil from the fused ingot 8 is small and also does not exceed 1 to 3 mm at any point. Thus, this second part 2 is very closely electrically coupled to the molten ingat 8 above the zone of the melting zone 6 and serves primarily to directly melt the rotating inget J3, while the high frequency coupling of the molten zone 6 is suppressed due to the greater distance.

Tvarem druhé čésti 2 ohřívací cívky, jejíž vzdálenest od rotační esy ingotu 8 se spojitě zvětšuje až na vzdálenost poloměru ingotu_8, bylo docíleno nového účinku tím,že vli“ vem malé vzdálenosti od rotujícího taveného ingotu 8 dochází k místnímu tavení materiálu velkou intenzitou vysokofrekvenčního pole. Pgdle počtu těchto druhých částí 2_ se vytvoří ; nejméně jeden odtokový kanálek J_, kopírující tvar druhé části _2_cívky a odvádějící taveninu do roztaveného pásma jS.. Tento odtokový kanálek 7 se posouvá po natavené části ingotu £1, obvodovou rychlostí odpovídající rychlosti rotace 8. Rychlost natavování je nezávislé na j rychlosti posuvu roztaveného pásma 6 a lze ji řídit s ohledem na plynulé odtavovéní.The shape of the second part 2 of the heating coil, whose distance from the rotating ace 8 of the ingot 8 continuously increases to the distance of the ingot radius 8, has achieved a new effect by providing local material melting with a high RF field intensity. The number of these second portions 2 is formed; at least one outflow channel 7, copying the shape of the second part of the coil 2 and discharging the melt into the molten zone 16. This outlet channel 7 is moved along the molten portion of the ingot at a peripheral speed corresponding to the rotation speed 8. 6 and can be controlled for smooth deposition.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An apparatus for high-frequency flying band melting of a coaxial rotating ingot of high purity material, in particular silicon, the induction system of which comprises a main coil and an auxiliary stabilizing coil connected to the same power source, characterized in that the main coil has at least two different shapes parts connected consecutively in one plane perpendicular to the axis of rotation of the ingot, wherein the first part (1) closer to the axis of rotation of the ingot (8) has the shape of a circular arc centered on the axis of rotation of the ingot (8) and a radius smaller than the radius of the fused ingot (8), while the second portion (2) has the shape of an arc of a curve with a continuous and monotonically increasing distance from the axis of rotation of the ingot (8), with the greatest distance equal to at least 2) main heating coils, radially connected inlets (3).

213 699

213 899

2. The high-frequency flying-melting apparatus of claim 1, wherein the main heating coil has two parts (1, 2), the first part (1) of which is closer to the axis of rotation of the ingot (8), having a semicircular shape with a center. in the axis of rotation of the ingot (8), while the second part (2) has the shape of the curve of the function curve R = z z / vymez defined by the angle with the center of rotation also in the axis of rotation of the ingot (8).

3. The high-frequency flying-smelting apparatus of claim 1, wherein the main heating coil has two parts, the first part (1) closer to the axis of rotation of the ingot (8) having a semicircular shape centered on the axis of rotation of the ingot (8). ), while the second part (2) has the shape of a half-pole (radius of the arithmetic diameter length of the first aiid) and the flux of the fused ingot (8), the center lying on a line perpendicular to the axis of rotation of the ingot (8); ), the main heating coils.

4. The high-frequency flying-smelting apparatus of claim 1, wherein the main heating coil has three portions, the first portion (1) of which is closest to the axis of rotation of the ingot (8) having a semicircular shape centered on the axis of rotation of the ingot. the second and third portions (2, 2 *) are in the form of a half-ellipse with a length of the minor half-axis equal to the radius of the half-circle and a length of the main half-axis equal to the radius of the fused ingot.