CS229264B1 - Dvouzávitový induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem - Google Patents

Abstract

Podstata vynálezu spočívá v tom, že stabilizující závit dvouzávitového paralelně připojeného induktoru, který rozhodující měrou ovlivňuje teplotní a elektrodynamické podmínky na dolním rozhraní fází, má tvar plošného induktoru s vnitřním průměrem srovnatelným s průměrem rostoucího krystalu, horní plochu omezenou rovinou kolmou k ose rotace krystalu, empiricky volený tvar dolní plochy a vnější průměr nejméně o 20 milimetrů větší než vnitřní průměr. Hlavní ohřívací závit, zhotovený z trubky o průměru 4 až 6 mm, uložený nad stabilizujícím závitem, vytváří asymetrické pole v oblasti horního rozhraní fází, kterým lze ovlivňovat proces tavení výchozích ingotů. Asymetrie pole hlavního ohřívacího závitu je v oblasti dolního rozhraní fází eliminována stabilizujícím závitem

Description

Podstata vynálezu spočívá v tom, že stabilizující závit dvouzávitového paralelně připojeného induktoru, který rozhodující měrou ovlivňuje teplotní a elektrodynamické podmínky na dolním rozhraní fází, má tvar plošného induktoru s vnitřním průměrem srovnatelným s průměrem rostoucího krystalu, horní plochu omezenou rovinou kolmou k ose rotace krystalu, empiricky volený tvar dolní plochy a vnější průměr nejméně o 20 milimetrů větší než vnitřní průměr. Hlavní ohřívací závit, zhotovený z trubky o průměru 4 až 6 mm, uložený nad stabilizujícím závitem, vytváří asymetrické pole v oblasti horního rozhraní fází, kterým lze ovlivňovat proces tavení výchozích ingotů. Asymetrie pole hlavního ohřívacího závitu je v oblasti dolního rozhraní fází eliminována stabilizujícím závitem.

'V. CQ “o -5b CSJ crj

Vynález se týká dvouzávitového induktoru pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem.

Při přípravě polovodičových, zejména křemíkových, krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem se pro vytvoření roztavené zóny používá jednak jedno- 1 vícezávltvých induktorů zhotovených z měděných nebo stříbrných trubek a jednak jednozávitových plošných induktorů zhotovených z rotačně symetrického tělesa, jehož vnitřní průměr je menší a vnější průměr větší než průměr připravovaného krystalu.

Nevýhodou jednozávitových induktorů zhotovených z trubek obvykle o průměru 4 až 6 mm je, že jsou použitelné pro přípravu krystalů do průměru 30 mm. Použití vícezávitových sériově vinutých induktorů, u kterých je průměr vnitřního závitu menší než průměr připravovaného krystalu, umožňuje sice přípravu krystalů i větších průměrů, ale v oblasti křížení závitů dochází ke značné nehomogenitě elektromagnetického pole, jež je příčinou mikroskopických změn rychlosti růstu krystalu a s ohledem na závislost rozdělovacího koeficientu příměsí v krystalech na rychlosti krystalizace, způsobuje nehomogenní rozložení příměsí v krystalech. Jsou-li závity induktoru připojeny ke společnému zdroji paralelně, je nutno v důsledku rozložení proudů volit vnitřní závit asymetrický, aby bylo zajištěno účinné odtavování výchozího ingotu po jeho celém průřezu, což rovněž značně narušuje rotační symetrii elektromagnetického pole.

Tyto nedostatky v symetrii pole sice odstraňují jednozávitové plošné induktory, jejichž profily jsou srovnatelné s profily vícezávitových induktorů, ale které mají menší účinnost. Zlepšení symetrie pole se neprojevuje u těchto induktorů jen v oblasti dolního rozhraní fází, tj. v místě, kde narůstá krystal, ale také u horního rozhraní fází, kde dochází k odtavování povrchu výchozího ingotu. Není-li výchozí ingot válcového tvaru, pak v tomto místě mohou vznikat drobné svisle orientované výčnělky pevné fáze, které v případě, že teplotní podmínky neumožňují jejich protavení, se prodlužují úměrně s posuvem roztavené zóny, až dojde k jejich kontaktu s induktorem, jenž znemožní plynulý přísuv tavícího se materiálu, nebo je příčinou vysokofrekvenčního výboje a tím i přerušení tavby. Symetrické pole v okolí horního rozhraní fází bývá rovněž příčinou vzniku souvislých neprotavených oblastí ve tvaru prstenců, které se vytvářejí uvnitř roztavené zóny v rovinách mezi horním rozhraním fází a nejužším místem roztavené zóny. Jejich protavení je provázeno náhlou změnou tvaru roztavené zóny a tím i její mechanické stability v takové míře, že nezřídka dojde k porušení rovnováhy mezi silovým působením gravitace, povrchového napětí a elektrodynamických sil s následným vykápnutím taveniny.

Uvedené nedostatky odstraňuje dvouzávitový induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že stabilizující závit, který je uložen pod hlavním asymetrickým závitem, je tvořen rotačně symetrickým tělesem, jehož vnitřní průměr je srovnatelný s průměrem rostoucího krystalu, vnější průměr je nejméně o 20 mm větší než průměr rostoucího krystalu a jehož horní plocha leží v rovině kolmé na osu rotace rostoucího krystalu.

Rovina hlavního asymetrického ohřívacího závitu je skloněna tak, že jeho vzdálenější část tvořená křivkou směřuje od přívodů do prostoru vymezeného stabilizujícím závitem.

Hlavní ohřívací závit navazuje na přívody v nestejných vzdálenostech od horní plochy stabilizujícího závitu.

Asymetrický ohřívací závit, jehož polovina vzdálenější od přívodů ke koaxiálnímu vedení má tvar křivky, která svým průměrem do roviny kolmé na osu rotace krystatalu nepřesahuje průřez rostoucího krystalu a která spojitě navazuje na oblouky protáhlé až pod okraj tavícího se ingotu, umožňuje protavení ingotu po té části jeho průřezu, jež je průmětem hlavního ohřívacího závitu ve směru osy rotace do tohoto průřezu. Nechá-li se horní hřídel zařízení, jež je opatřeno takto konstruovaným induktorem, rotovat velmi pomalou rychlostí, nejlépe 0,5 až 2 ot/min, pak v průběhu tavby se dostává postupně každý bod průřezu ingotu do místa, ve kterém je zajištěno efektivní odtavování. Z hlediska působení induktoru na případné nerovnosti na povrchu výchozího ingotu, odtoku taveniny z okrajových částí tavícího se ingotu do roztavené zóny a znemožňování vzniku souvislých neprotavených oblastí ve tvaru prstenců, je účelné volit hlavní ohřívací závit mírně skloněný vůči rovině kolmé k se rostoucího krystalu tak, aby rovina jím vymezená směřovala od přívodů do prostoru vymezeného stabilizujícím závitem, nebo aby hlavní ohřívací závit navazoval na přívody v nestejné vzdálenosti od horní plochy stabilizujícího závitu. Nepříznivý vliv asymetrie pole hlavního ohřívacího závitu je v oblasti dolního' rozhraní fází eliminován stabilizujícím závitem. Účinnost takto konstruovaného induktoru je srovnatelná s účinností induktorů zhotovených z trubek.

Příkladná provedení induktorů podle předloženého vynálezu jsou znázorněna na přiložených výkresech, na nichž představuje obr. 1 dvouzávitový induktor, jehož hlavní ohřívací závit leží v rovině kolmé k ose soustavy; obr. 2 dvouzávitový induktor, jehož hlavní ohřívací závit je skloněn do prostoru vymezeného stabilizujícím závitem; obr. 3 dvouzávitový induktor, jehož přívody k hlavnímu ohřívacímu závitu nejsou ve stejné

229284 vzdálenosti od horní plochy stabilizujícího závitu; obr. 4 půdorys induktoru z obr. 1 až 3.

Jak vyplývá z obr. 1 a obr. 4, tvoří výchozí ingot 1, roztavená zóna 2, rostoucí krystal 3 a stabilizující závit 4 osově symetrickou soustavu. Hlavní ohřívací závit zhotovený z trubky sestává ze dvou částí. Polovina vzdálenější od přívodů 7 je tvořena křivkou 5, která svým průmětem nepřesahuje průřez rostoucího krystalu 3 a její funkcí je zúžení a protavení roztavené zóny 2 po celém průřezu. Druhá polovina hlavního ohřívacího závitu má tvar oblouků 6, jež navazují na přívody 7 ve vzdálenosti rovné poloměru výchozího ingotu 1 od osy rotace ingotu 1, a její funkcí je protavení okrajových částí výchozího ingotu 1, jenž se tak při rotaci dostává v průběhu tavby každým bodem svého průřezu do místa s dostatečně účinným tavením. Nad místem, kde hlavní ohřívací závit navazuje na přívody 7 od koaxiálního vedení, dochází rovněž k odtavování neprotavených výčnělků 8 pevné fáze, jež vznikají na povrchových nerovnostech, a ve směru rotace se vytváří odtokový kanál 9, jenž umožňuje spojité přitékání taveniny do roztavené zóny 2. Funkce odtokového kanálu 9 je účinnější, je-li hlavní ohřívací závit skloněn tak, že jeho vzdálenější část tvořená křivkou 5‘ směřuje do prostoru vymezeného stabilizujícím závitem 4, jak je znázorněno na obr. 2. Zlepšení odtavování neprotavených výčnělků 8 pevné fáze lze dosáhnout tím, že přívody 7‘ od koaxiálního vedení navazují na. hlavní ohřívací závit v nestejné vzdálenosti od horní plochy stabilizujícího závitu 4, jak je znázorněno na obr.

3. Stabilizující závit 4, který je tvořen rotačně symetrickým tělesem, vytváří v oblasti krystalizace mezi roztavenou zónou 2 a rostoucím krystalem 3 tepelné a elektrodynamické podmínky umožňující spojitý růst monokrystalu a současně v tomto místě eliminuje vliv asymetrie ohřívacího závitu.

Příprava polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem se provádí v evakuované nebo Inertním plynem napuštěné komoře zařízení. Tato komora je v případě vertikálního souosého uspořádání opatřena dvěma vertikálně uloženými na sobě nezávisle pohyblivými hřídeli. Na horní hřídeli je připevněn ingot výchozího materiálu, tj. polykrystalická tyč přibližně válcového tvaru, na dolní hřídeli je připevněn monokrystalický zárodek. K induktoru, uloženému uprostřed komory zařízení, jsou od oscilačního obvodu vysokoferkvenčního generátoru přiváděny vysokofrekvenční proudy. Vířivými proudy naindukovanými na dolním konci polykrystalické tyče se polykrystalická tyč zahřívá, až na ní dojde k vytvoření kapky taveniny kuželového tvaru. Po spojení taveniny s monokrystalickým zárodkem v prostoru uvnitř induktoru se při rotaci a pohybu směrem dolů obou hřídelí nechá na monokrystalickém zárodku narůstat krystal. Tvar induktoru a rychlost posuvu a rotací hřídelí se volí především tak, aby byly zajištěny optimální podmínky růstu krystalu. Jednou z těchto podmínek je dosažení maximální míry rotační symetrie pole v oblasti krystalizačního rozhraní, a tím potlačení mikroskopických změn v rychlosti krystalizace, jež jsou příčinou nehomogenního ukládání atomů příměsi v rostoucím krystalu. Tato symetrie, jež bývá zajišťována, ve srovnání s indduktory zhotovenými z trubek, málo účinnými plošnými induktory ve tvaru rotační plochy, se však nepříznivě projevuje při tavení polykrystalické tyče tím, že dává vzniknout uvnitř roztavené zóny neprotaveným souvislým oblastem ve tvaru prstenců, jejichž náhlé protavení je provázeno výraznou změnou podmínek růstu krystalu, a v případě asymetrie nebo nerovného povrchu polykrystalické tyče nezaručuje spojité tavení povrchu polykrystalické tyče. Oba tyto jevy lze odstranit a současně zvýšit účinnost induktoru tím, že volíme induktor sestavený ze dvou paralelně k jednomu zdroji připojených závitů. Horní závit, který má funkci hlavního ohřívacího závitu, je zhotoven z trubky tak, že jeho polovina vzdálenější od přívodů má tvar křivky, která svým průmětem do roviny kolmé k ose rotace nepřesahuje průřez rostoucího krystalu, a druhá polovina má tvar oblouků, které navazují na přívody pod okrajem výchozího ingotu. Takový závit umožňuje postavení ingotu na průřezu, který je přibližně shodný s tvarem závitu, a při rotaci výchozího ingotu pak celý průřez. Asymetrie pole se projevuje tak, že nad místem, kde navazuje tento závit na přívody, vzniká oblast s intenzivnějším působením pole, ve které dochází k odtavování drobných výčnělků pevné fáze. Působením této asymetrie dochází rovněž při rotaci k vytváření skloněných protavených oblastí spojujících okrajové části výchozího ingotu s rotavenou zónou, tzv. odtokových kanálů, které umožňují spojité naplňování roztavené zóny taveninou. Negativní působení asymetrie pole na rostoucí krystal je pak omezeno dolním stabilizujícím závitem, jenž má tvar rotačního, se soustavou symetrického tělesa a jenž vedle své hlavní funkce, kterou je vytváření takových teplotních a elektrodynamických podmínek v oblasti krystalizace, jež umožňují spojitý růst monokrystalu požadovaného průměru, eliminuje v této oblasti svým působením vliv asymetrického pole hlavního závitu. Zlepšení funkce odtokového kanálu, resp. účinnějšího odtavování povrchu výchozího ingotu lze dosáhnout tím, že hlavní ohřívací závit neleží v rovině kolmé na osu soustavy, resp. že tento závit navazuje na přívody v nestejné výšce.

Claims (3)

PŘEDMĚT

1. Dvouzávitový induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem ve vertikálním souosém uspořádání sestávající z hlavního asymetrického ohřívacího závitu a k němu paralelně připojeného stabilizačního závitu, vyznačený tim, že stabilizující závit (4), který je uložen pod hlavním asymetrickým ohřívacím závitem, je tvořen rotačně symetrickým tělesem, jehož vnitřní průměr je srovnatelný s průměrem rostoucího krystalu (3), vnější průměr je nejméně o 20 mm větší než průměr rostoucího krystalu (3) a jehož horní plocha leží v rovině kolmé na osu rotace rostoucího krystalu.

VYNÁLEZU

2. Dvouzávitový induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem podle bodu 1, vyznačený tím, že rovina hlavního asymetrického ohřívacího závitu je skloněna tak, že jeho vzdálenější část tvořená křivkou (5) směřuje od přívodů do prostoru vymezeného stabilizujícím závitem (4).

3. Dvouzávitový induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem podle bodů 1 a 2, vyznačený tím, že hlavní ohřívací závit navazuje na přívody (7) v nestejných vzdálenostech od horní plochy stabilizujícího závitu (4).