CS245079B1

CS245079B1 - Inductor for semiconductor crystals preparation by means of overhung zonal heat method with induction heating

Info

Publication number: CS245079B1
Application number: CS849768A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Zatopek; Vilem Smejkal
Original assignee: Frantisek Zatopek; Vilem Smejkal
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1986-08-14
Also published as: CS976884A1

Abstract

Podstata řešení spočívá v tom, že těleso induktoru, jehož vnitřní průměr je menší než průměr polykrystalického ingotu a vnější průměr větší než průměr rostoucího krystalu, je na straně polykrystalického ingotu vymezeno horním vnějším a horním vnitřním mezikružím, mezi kterými je zlom tvořený pláštěm horního komolého kužele s průměrem dolní podstavy rovným maximálnímu průměru polykrystalického ingotu, jehož funkcí je odtavování výčnělků pevné fáze na obvodu polykrystalického ingotu. Na straně rostoucího krystalu je těleso induktoru vymezeno dolním vnitřním a dolním vnějším mezikružím, mezi kterými je zlom tvořený pláštěm dolního komolého kužele s průměrem horní podstavy rovným střednímu průměru rostoucího krystalu, jehož funkcí je vytváření rovnováhy mezi gravitační silou, povrchovým napětím a elektrodynamickými silami na povrchu roztavené zóny nad rostoucím krystalem.The essence of the solution is that the body an inductor whose internal diameter is smaller than the diameter of the polycrystalline ingot and the outer diameter larger than diameter of growing crystal is on the side of the polycrystalline ingot delimited by the upper outer and upper inner the ring between which the break is formed the upper truncated cone with lower base diameter equal to maximum the diameter of the polycrystalline ingot, of which the function is the melting of solid phase protrusions on the perimeter of the polycrystalline ingot. On the side of the growing crystal is the inductor body delimited by lower inner and lower the outer ring between which there is a break formed by the lower truncated cone shell diameter of the upper base straight the diameter of a growing crystal whose function is creating a balance between gravity strength, surface tension and electrodynamic forces on the surface of the molten zone over growing crystal.

Description

Podstata řešení spočívá v tom, že těleso induktoru, jehož vnitřní průměr je menší než průměr polykrystalického ingotu a vnější průměr větší než průměr rostoucího krystalu, je na straně polykrystalického ingotu vymezeno horním vnějším a horním vnitřním mezikružím, mezi kterými je zlom tvořený pláštěm horního komolého kužele s průměrem dolní podstavy rovným maximálnímu průměru polykrystalického ingotu, jehož funkcí je odtavování výčnělků pevné fáze na obvodu polykrystalického ingotu. Na straně rostoucího krystalu je těleso induktoru vymezeno dolním vnitřním a dolním vnějším mezikružím, mezi kterými je zlom tvořený pláštěm dolního komolého kužele s průměrem horní podstavy rovným střednímu průměru rostoucího krystalu, jehož funkcí je vytváření rovnováhy mezi gravitační silou, povrchovým napětím a elektrodynamickými silami na povrchu roztavené zóny nad rostoucím krystalem.The principle of the solution consists in the fact that the inductor body, whose inner diameter is smaller than the diameter of the polycrystalline ingot and the outer diameter greater than the diameter of the growing crystal, is delimited on the polycrystalline ingot side by upper outer and upper inner ring. with a bottom base diameter equal to the maximum diameter of the polycrystalline ingot, the function of which is to melt the solid phase protrusions on the perimeter of the polycrystalline ingot. On the side of the growing crystal, the inductor body is delimited by the lower inner and lower outer annulus between which is the fracture of the lower truncated cone with the diameter of the upper base equal to the average diameter of the growing crystal. a molten zone above a growing crystal.

Vynález se týká induktoru pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem ve vertikálním uspořádání.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an inductor for the preparation of semiconductor crystals by the vertical zonal melting method with induction heating.

Při přípravě polovodičových, zejména křemíkových, krystalů o průměru nad 30 mm metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem ve vertikálním uspořádání se pro vytvoření roztavené zóny využívá měděných nebo stříbrných induktorů, jejichž vnitřní průměr je menší než průměr polykrystalického ingotu a vnější průměr větší než průměr rostoucího krystalu. Jejich konstrukce musí současně zajišťovat dokonalé protavení roztavené zóny, spojité odtavování obvodu polykrystalického ingotu a růst krystalu s minimální nehomogenitou jeho elektrofyzikálních vlastností.In the preparation of semiconductor, in particular silicon, crystals over 30 mm in diameter by the zonal melting method with induction heating in a vertical configuration, copper or silver inductors having an inner diameter smaller than the diameter of the polycrystalline ingot and an outer diameter larger than the growing diameter crystal. At the same time, their design must ensure perfect melting of the molten zone, continuous melting of the polycrystalline ingot perimeter and crystal growth with minimal inhomogeneity of its electrophysical properties.

V současné době se používají dva základní typy induktorů: dvou nebo vícezávitové induktory se závity paralelně připojenými ke společnému zdroji vysokofrekvenčního proudu a jednozávitové induktory tvořené rotačním tělesem. Je známa celá řada konstrukcí vícezávitových induktorů, pro něž je charakteristická nehomogenita elektromagnetického pole v oblasti přívodů. Za účelem zlepšení odtavování obvodu polykrystalického ingotu a protavování roztavené zóny bývá tato nehomogenita pole ještě zvětšována tvarováním přívodů nebo asymetrií vnitřních závitů tak, aby došlo k lokálnímu zvětšení intenzity elektromagnetického pole, jež v souvislosti s rotací polykrystalického ingotu zajišťuje dokonalé protavení roztavené zóny a odtahování obvodu polykrystalického ingotu. Nevýhodou těchto řešení je, že lokální zvětšení intenzity elektromagnetického pole se nepříznivě projevuje na vlastnostech rostoucího krystalu. Při rotaci rostoucího krystalu dochází v této oblasti k opětovnému roztavení a zatuhnutí části rostoucího krystalu, což má za následek vytváření mikronehomogenit rozložení legující příměsi. Podstatně lepší symetrii elektromagnetického pole mají jednozávitové induktory tvořené rotačním tělesem, jejichž profily jsou srovnatelné s profily vícezávitových induktorů. Lepší symetrie se však neprojevuje jen v oblasti dolního rozhraní fází, tj. v místě, kde narůstá krystal, ale také v oblasti horního rozhraní fází, zejména na obvodu odtavujícího se polykrystalického ingotu. Není-li polykrystalický ingot dokonale válcového tvaru, mohou v tomto místě vznikat drobné, svisle orientované výčnělky pevné fáze, které v případě, že teplotní a elektrodynamické podmínky neumožňují jejich vtavení do roztavené zóny, se prodlužují úměrně s posuvem roztavené zóny, až dojde k jejich kontaktu s induktorem, jenž brání plynulému přísuvu tavícího se polykrystalického ingotu, nebo je příčinou vysokofrekvenčního výboje a tím i přerušení tavby. Jsou známy konstrukce, které problémy symetrie elektromagnetického pole jednozávitových induktorů tvořených rotačním tělesem řeší šikmým vedením přívodů (pat. NSR 28 12 216), mírnou asymetrií kružnic vymezujících vnitřní a vnější průměr induktoru (pat. NSR 27 37 035 J, symetrickými zářezy v tělese induktoru (pat. NSR 25 38 854J, dodatečnými přívody nad tělesem induktoru (ČSSR AO 220 628J nebo prostorově tvarovaným závitem přiléhajícím k horní ploše induktoru (pat. NSR 28 12 216). Tato řešení sice vyhovují podmínkám kladeným na odtavování polykrystalického ingotu, protavení roztavené zóny a symetrii elektromagnetického pole v místě narůstání krystalu, ale jen v úzkém rozmezí rychlosti rotace polykrystalického ingotu, což znemožňuje použití tohoto parametru tavby při stanovení optimálních podmínek tavby, popř. provádět tavbu bez rotace polykrystalického ingotu. Tělesa těchto induktorů jsou přitom na straně rostoucího krystalu omezena rovinou nebo experimentálně ověřenou plochou. Řešení, jež by uvádělo tvar této plochy do souvislostí s průměrem rostoucího krystalu, není známo.Currently, two basic types of inductors are used: two or more threaded inductors with threads connected in parallel to a common high-frequency current source and single-threaded inductors formed by a rotary body. Many constructions of multi-threaded inductors are known which are characterized by inhomogeneity of the electromagnetic field in the area of the feeders. In order to improve the melting of the polycrystalline ingot perimeter and the melting of the molten zone, this inhomogeneity of the field is further increased by shaping the inlets or asymmetries of the internal threads to locally increase the electromagnetic field intensity. ingot. The disadvantage of these solutions is that local increase in electromagnetic field intensity has an adverse effect on the properties of the growing crystal. As the growing crystal rotates in this region, a portion of the growing crystal re-melts and freezes, resulting in the formation of micro-homogeneities in the alloying alloy distribution. Single-threaded inductors consisting of a rotating body whose profiles are comparable to those of multi-threaded inductors have a much better symmetry of the electromagnetic field. However, better symmetry is not only in the region of the lower phase boundary, i.e. at the point where the crystal grows, but also in the area of the upper phase boundary, especially at the periphery of the melting polycrystalline ingot. If the polycrystalline ingot is not perfectly cylindrical, tiny, vertically oriented solid phase protrusions may arise at this point which, if temperature and electrodynamic conditions do not allow them to be fused into the molten zone, will increase in proportion to the displacement of the molten zone until contact with an inductor which prevents a continuous inflow of the melting polycrystalline ingot, or is the cause of a high-frequency discharge and hence a break in the melting. Constructions are known which solve the problems of electromagnetic field symmetry of single-threaded inductors formed by a rotary body by slanting lead leads (pat. NSR 28 12 216), slight asymmetry of circles delimiting the inner and outer diameter of the inductor (pat. NSR 27 37 035 J). (NSR 25 38 854J, additional inlets above the inductor body (CSR AO 220 628J) or spatially shaped thread adjacent the top surface of the inductor (NSR 28 12 216). These solutions meet the conditions for melting polycrystalline ingot, melting zone melting and symmetry of the electromagnetic field at the point of crystal growth, but only within a narrow speed range of the polycrystalline ingot, making it impossible to use this melt parameter to determine optimal melt conditions, or to melt without rotating the polycrystalline ingot. The solution to correlate the shape of the surface with the diameter of the growing crystal is not known.

Uvedené nedostatky odstraňuje induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohrevem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že těleso induktoru je na straně polykrystalického ingotu vymezeno horním vnitřním mezikružím s vnějším průměrem rovným maximálnímu průměru polykrystalického ingotu, pláštěm horního komolého kužele výšky 1 až 2 mm s vrcholovým úhlem 60° až 120° a průměrem dolní podstavy rovným vnějšímu průměru horního vnitřního mezikruží a horním vnějším mezikružím s vnitřním průměrem rovným průměru horní podstavy pláště horního komolého kužele. Je výhodné, aby těleso induktoru bylo na straně rostoucího krystalu vymezeno dolním vnitřním mezikružím s vnějším průměrem rovným střední hodnotě průměru rostoucího krystalu, pláštěm dolního komolého kužele výšky 2 až 5 mm s vrcholovým úhlem 90° až 150° a průměrem horní podstavy rovným vnějšímu průměru dolního vnitřního mezikruží a dolním vnějším mezikružím s vnitřním průměrem rovným průměru dolní podstavy pláště dolního komolého kužele.The above mentioned drawbacks are eliminated by an inductor for the preparation of semiconductor crystals by the method of the induction heating zonal melting according to the invention, which is characterized in that the inductor body is delimited on the polycrystalline ingot side by upper inner annulus with outer diameter equal to maximum polycrystalline ingot diameter. 1 to 2 mm with an apex angle of 60 ° to 120 ° and a diameter of the lower base equal to the outer diameter of the upper inner annular ring and an upper outer ring with an inner diameter equal to the diameter of the upper base of the upper frustoconical sheath. It is preferred that the inductor body is delimited on the growing crystal side by a lower inner annulus with an outer diameter equal to the mean of the growing crystal diameter, a 2 to 5 mm lower frustoconical sheath with a 90 ° to 150 ° apex angle and upper base diameter equal to the outer diameter an inner annulus and a lower outer annulus with an inner diameter equal to the diameter of the lower base of the truncated cone shell.

Při tavbě mechanicky neopracovaného polykrystalického ingotu vznikají na jeho obvodu na rozhraní polykrystalického ingotu a roztavené zóny výčnělky pevné fáze, které se při pohybu roztavené zóny vůči polykrystalickému ingotu přibližují až do vzdálenosti 2 až 3 mm od tělesa induktoru. V tomto místě dochází po celém obvodu polykrystalického ingotu vlivem zlomu na tělese induktoru vytvořenému pláštěm horního komolého kužele k intenzivnějšímu ohřevu a ke zvětšení radiální složky vektoru elektrodynamické síly, kterou induktor působí na obvod polykrystalického ingotu. Tím je zajištěno protavení výčnělků pevné fáze a je jich vtavení do roztavené zóny bez ohledu na rychlost rotace polykrystalického ingotu. Rovnováha gravitační síly, povrchového napětí a elektrodynaroických sil je na povrchu roztavené zóny nad rostoucím krystalem, tj. v místě kritickém pro spojitý růst krystalu ve tvaru válce, zajišťována zlomem na tělese induktoru vytvořeným pláštěm dolního komolého kužele, jenž proti silám vyvolávajícím změnu tvaru roztavené zóny působí změnou radiální složky vektoru elektrodynamické sily.During the melting of the mechanically untreated polycrystalline ingot, solid phase protuberances occur at the periphery of the polycrystalline ingot and the molten zone, which move up to a distance of 2-3 mm from the inductor body as the molten zone moves relative to the polycrystalline ingot. At this point, the entire circumference of the polycrystalline ingot is subjected to more intense heating and an increase in the radial component of the electrodynamic force vector exerted by the inductor on the circumference of the polycrystalline ingot. This ensures that the solid phase protrusions are melted and melted into the molten zone regardless of the rate of rotation of the polycrystalline ingot. The equilibrium of gravitational force, surface tension and electrodynaroic forces on the surface of the molten zone above the growing crystal, i.e. at a location critical for continuous crystal growth in a cylindrical shape, is ensured by a fracture on the inductor body formed by the truncated cone. acts by changing the radial component of the electrodynamic force vector.

Příkladné provedení induktoru podle předloženého vynálezu je znázorněno na přiloženém výkresu, na němž obr. 1 představuje osový řez induktorem s polykrystalickým ingotem, roztavenou zónou a rostoucím krystalem a obr. 2 představuje půdorys induktoru z obr. 1.An exemplary embodiment of an inductor according to the present invention is shown in the accompanying drawing, in which Fig. 1 is an axial section of an inductor with a polycrystalline ingot, a molten zone and a growing crystal, and Fig. 2 is a plan view of the inductor of Fig. 1.

Jak vyplývá z obr. 1 a 2, tvoří těleso induktoru 4, polykrystalický ingot 1, roztavená zóna 2 a rostoucí krystal 3 osově symetrickou soustavu. Dutina v tělese induktoru 4 navazuje na duté přívody 5 připojené ke zdroji vysokofrekvenčního proudu a umožňuje chlazení tělesa induktoru 4 v průběhu tavby. Těleso induktoru 4 je na straně polykrystalického ingotu 1 vymezeno třemi plochami: horní vnitřní mezikruží 6 protahuje roztavenou zónu 2 nad úrovní tělesa induktoru 4, horní vnější mezikruží 8 zahřívá polykrystalický ingot 1 a plášť horního komolého kužele 7 protavuje výčnělky pevné fáze 12 a vtahuje je do roztavené zóny 2. Na straně rostoucího krystalu 3 je těleso induktoru 4 vymezeno třemi plochami: dolní vnitřní mezikruží 9 protavuje roztavenou zónu 2 pod úrovní tělesa induktoru 4, dolní vnější mezikruží 11 zahřívá rostoucí krystal 3 a plášť dolního komolého kužele 10 zajišťuje rovnováhu gravitační síly, povrchového napětí a elektrodynamických sil na povrchu roztavené zóny 2 nad rostoucím krystalem1 and 2, the inductor body 4, the polycrystalline ingot 1, the molten zone 2 and the growing crystal 3 form an axially symmetrical system. The cavity in the inductor body 4 adjoins the hollow inlets 5 connected to the high-frequency current source and allows cooling of the inductor body 4 during melting. The inductor body 4 is defined by three surfaces on the side of the polycrystalline ingot 1: the upper inner annulus 6 extends the molten zone 2 above the level of the inductor body 4, the upper outer annulus 8 heats the polycrystalline ingot 1 and the upper truncated cone 7 melts the protrusions of the solid phase 12. on the side of the growing crystal 3, the inductor body 4 is delimited by three surfaces: the lower inner annulus 9 melts the molten zone 2 below the level of the inductor body 4, the lower outer annulus 11 heats the growing crystal 3 and the lower truncated cone 10 provides gravity balance surface tension and electrodynamic forces on the surface of the molten zone 2 above the growing crystal

3.3.

Příprava polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem se provádí v evakuované nebo inertním plynem napuštěné komoře zahřívání. Tato komora je v případě vertikálního souosého uspořádání opatřena dvěma vertikálně uloženými na sobě nezávisle pohyblivými hřídeli. Na horní hřídeli je připevněn polykrystalický ingot přibližně válcového tvaru, naThe preparation of semiconductor crystals by the method of fleet zone melting with induction heating is carried out in an evacuated or inert gas impregnated heating chamber. In the case of a vertical coaxial configuration, this chamber is provided with two vertically mounted, independently movable shafts. A polycrystalline ingot of approximately cylindrical shape is attached to the upper shaft

PlSDMÉTPlSDMÉT

Claims

An inductor for preparing semiconductor crystals by the method of vertical zone melting with induction heating in a vertical configuration, consisting of a rotationally symmetrical body with an inner diameter smaller than the diameter of a polycrystalline ingot and an outer diameter greater than the diameter of a growing crystal. ) is on the side of the polycrystalline ingot (lj

Monocrystalline embryo is attached to the lower shafts. High-frequency currents are supplied to the inductor disposed in the center of the device chamber from the oscillating circuit of the RF generator. The eddy currents induced at the lower end of the polycrystalline ingot heat the polycrystalline ingot until a cone-shaped melt droplet is formed thereon. After the melt is coupled to the monocrystalline seed in the space inside the inductor, the crystal is allowed to grow on the monocrystalline seed as the two shafts rotate and move downward. The shape of the inductor and the feed rate and rotation of the shafts are chosen so as to ensure optimal conditions of crystal growth while continuously melting the polycrystalline ingot. Both of these conditions can be accomplished with an inductor having a body diameter of 31 mm, an outside diameter of 74 mm and a maximum height of 8 mm when preparing silicon crystals with a diameter of 37 to 41 mm for which mechanically unprocessed polycrystalline ingots with a diameter of up to 42 mm are used. . On the side of the polycrystalline ingot, the inductor body is delimited by an upper inner annular and an upper outer annular, between which is a fracture of the upper truncated cone with a top angle of 90 °, a height of 1.5 mm and a bottom base diameter of 42 mm. On the side of the growing crystal, the inductor body is delimited by a lower outer annular ring and a lower inner annular ring, between which the fracture is formed by a lower truncated cone shell with a top angle of 120 °, height 3 mm and top base diameter 39 mm. The function of the upper and lower inner annulus is to melt the entire volume of the molten zone. The upper outer annulus heats the polycrystalline ingot, the lower outer annulus heats the growing crystal. The upper truncated cone shell melts the solid phase protrusions on the perimeter of the polycrystalline ingot and fuses them into the molten zone. The lower truncated cone shell provides a balance of gravitational force, surface tension, and electrodynamic forces on the surface of the molten zone above the growing crystal, i.e., at a point critical for successful crystal growth.

The use of the invention facilitates the production of semiconductor, especially silicon, crystals.

of the invention delimited by an upper inner annulus (6j with an outer diameter equal to the maximum diameter of the polycrystalline ingot (1j), a top frustoconical shell (7) of 1 to 2 mm height with an angle of 60 ° to T20 ° and ) and an upper outer annulus (8) with an inner diameter equal to the diameter of the upper base of the upper truncated cone (7).

2. Inductive zone induction heating semiconductor crystal inductor according to claim 1, characterized in that the inductor body (4) is defined on the side of the growing crystal (3) by a lower inner annulus (9) with an outer diameter equal to the mean diameter of ros8. of a melt cone (10) having a height of 2 to 5 mm with a top angle of 90 ° to 150 ° and a diameter of the upper base equal to the outer diameter of the lower inner annular (9) and lower outer annular (11i with an inner diameter equal to the diameter) the lower base of the truncated cone shell (10).

1 sheet of drawings