FR2512847A1 - Forming single crystal silicon ribbons - by pulling at small angle over edge of meniscus attachment member - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et appareil pour la fabrication d rubans cristallins
L'invention est relative, de façon générale, à la fabrication d'un ruban monocristallin et, plus particulièrement, à un procédé de fabrication en continu de rubans de cristal de silicium ainsi qu'à un appareil de mise en oeuvre du procédé.Method and apparatus for manufacturing crystal ribbons
The invention relates, in general, to the manufacture of a monocrystalline ribbon and, more particularly, to a process for the continuous production of silicon crystal ribbons as well as to an apparatus for implementing the method.
Les tranches monocristallines semi-conductrice destinées à diverses applications électroniques ont jusqu 'à présent été obtenues, de façon type, sous la forme de tiges en tirant lentement vers le haut un cristal de germination a partir d'une masse de silicium fondu. La tige, une fois formée, est ensuite coupée en tranches minces qui peuvent elles aussi être coupées en composants semi-conducteurs de plus petite dimension. Ce processus demande enormément de temps et est très coûteux en raison du fait qu'une grande partie du matériau est perdue au cours de l'opération de découpe.Monocrystalline semiconductor wafers for various electronic applications have so far been typically obtained in the form of rods by slowly pulling up a seed crystal from a mass of molten silicon. The rod, once formed, is then cut into thin slices which can also be cut into smaller semiconductor components. This process is very time consuming and very expensive due to the fact that much of the material is lost during the cutting operation.
Afin de supprimer quelques-uns des problèmes inhérents aux techniques de tirage vertical, un effort considérable a été fait en vue de pouvoir fabriquer directement le matériau semi-conducteur en un ruban, éliminant ainsi la perte de matériau et de temps inhérente à la découpe de tiges en tranches. Un mince ruban monecristallin, une fois formé, peut ensuite être entaillé sous forme du dessin désiré et les différents éléments ainsi formés détachés du ruban pour leur utilisation en tant que composants.In order to eliminate some of the problems inherent in vertical pulling techniques, considerable effort has been made to be able to directly manufacture the semiconductor material from a ribbon, thus eliminating the waste of material and time inherent in cutting the sliced stems. A thin monocrystalline ribbon, once formed, can then be notched in the form of the desired design and the various elements thus formed detached from the ribbon for their use as components.
Alors que le ruban mince pourrait être tiré directement à travers une fente dans une filière suivant une direction verticale au-dessus d'un bain de matériau fondu, le processus est extrêmement lent. Plus récemment, des efforts ont porté sur le tirage d'un ruban horizontalement à partir de la surface d'un bain de matériau semi-conducteur fondu, laquelle technique fournit une plus grande zone d'interface solide/ liquide de formation de cristal et, en conséquence, est plus productive que les techniques de croissance cristalline verticale.Cependant, les techniques et appareillages utilisés jusqu a présent pour la croissance de rubans monocristallins semi-conducteurs utilisant le processsus de tirage horizontal n'ont pas donné satisfaction du point de vue de la qualité, de l'épaisseur et de la largeur qui doivent etre uniformes et de la stabilité de fonctionnement.While the thin ribbon could be pulled directly through a slit in a die in a vertical direction over a bath of molten material, the process is extremely slow. More recently, efforts have been made to draw a ribbon horizontally from the surface of a bath of molten semiconductor material, which technique provides a larger area of solid / liquid crystal formation interface and, consequently, is more productive than vertical crystal growth techniques. However, the techniques and apparatuses used until now for the growth of semiconductor monocrystalline ribbons using the horizontal pulling process have not been satisfactory from the point of view of the quality, thickness and width which must be uniform and the operating stability.
C'est en conséquence un but de l'invention d'apporter des améliorations aux procédés et appareillages de formation en continu de rubans semi-conducteurs cristallins.It is therefore an object of the invention to provide improvements to the methods and apparatus for the continuous formation of crystalline semiconductor tapes.
C'est un autre but de l'invention de fournir un procédé et un appareillage permettant de fabriquer des rubans semiconducteurs de haute qualité avec un rendement de production élevé et présentant des dimensions uniformes.It is another object of the invention to provide a method and an apparatus for manufacturing high quality semiconductor tapes with a high production yield and having uniform dimensions.
L'invention fournit un procédé pour faire croître, en continu, un ruban de matériau semi-conducteur cristallin, caractérisé en ce qu'on forme un bain de matériau semiconducteur fondu, on place un germe cristallin à la surface du bain, on tire le germe suivant une direction formant un angle faible à partir de la surface du bain et par-dessus l'arête d'une paroi d'attache de ménisque, à une vitesse correspondant à la formation du ruban de cristal solide et on commande et stabilise au-dessous de la surface du bain la vitesse de formation de cristal en largeur et en épaisseur.The invention provides a method for continuously growing a ribbon of crystalline semiconductor material, characterized in that a bath of molten semiconductor material is formed, a crystal seed is placed on the surface of the bath, the seed in a direction forming a slight angle from the surface of the bath and over the edge of a meniscus attachment wall, at a speed corresponding to the formation of the solid crystal ribbon and the - below the surface of the bath the speed of crystal formation in width and thickness.
L'invention fournit également un appareil propre à être utilisé pour la fabrication en continu de rubans de semiconducteurs cristallins, contenant une cuve relativement peu profonde propre à contenir une masse de matériau semiconducteur fondu, un racloir disposé au-dessous de la surface du matériau fondu, son bord supérieur étant disposé à proximité de la surface et propre à former un ménisque dressé jusqu'à la face inférieure du ruban tiré suivant un angle de faible valeur au-dessus du bord de la paroi d'attache du ménisque. Un stabilisateur de bord d'avance ou bord avançant est disposé au-dessous de la surface du bain et au-dessous du bord d'avance du ruban solide pour compenser automatiquement les modifications dans la vitesse de tirage, la vitesse de croissance, la température de la masse fondue et d'autres facteurs.Des stabilisateurs latéraux sont prévus au-dessous de la surface du bain de chaque cté du ruban pour régler la largeur du ruban et une impédance thermique est montée au-dessous de l'interface du ruban et du matériau liquide pour régler la convection thermique.The invention also provides an apparatus suitable for use in the continuous manufacture of crystalline semiconductor tapes, containing a relatively shallow vessel capable of containing a mass of molten semiconductor material, a scraper disposed below the surface of the molten material. , its upper edge being arranged close to the surface and suitable for forming a meniscus drawn up to the underside of the ribbon pulled at an angle of small value above the edge of the wall of attachment of the meniscus. A leading edge stabilizer or advancing edge is disposed below the surface of the bath and below the leading edge of the solid tape to automatically compensate for changes in drawing speed, growth speed, temperature melt and other factors.Lateral stabilizers are provided below the bath surface on each side of the tape to adjust the width of the tape and a thermal impedance is mounted below the tape interface and liquid material to regulate thermal convection.
L'invention est décrite plus en détail ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure l est une vue latérale en coupe d'un appareil de croissance d'un ruban cristallin conforme à l'invention; la figure 2 est une vue d'une partie de la figure 1, à plus grande échelle; la figure 3 en est une vue en plan de dessus; la figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue en plan, de dessus, quelque peu schématique, indiquant les caractéristiques de croissance d'un ruban formé conformement à l'invention; la figure 6 est une vue en plan de dessus d'une variante de l'invention; la figure 7 est une vue en coupe transversale selon la ligne 7-7 de la figure 6; la figure 8 est une vue en plan d'une autre variante de l'invention, la figure 9 est une vue en coupe transversale selon la ligne 9-9 de la figure 8; la figure 10 est une vue en perspective de la réalisation selon la figure 8, avec des parties en arraché; la figure 11 est une vue en coupe montrant un détail de la figure 1, à une plus grande échelle; et la figure 12 est une vue en élévation latérale, en coupe, d'une autre variante de l'invention.The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a sectional side view of an apparatus for growing a crystalline ribbon according to the invention; Figure 2 is a view of part of Figure 1, on a larger scale; Figure 3 is a top plan view; Figure 4 is a cross-sectional view along line 4-4 of Figure 3; Figure 5 is a plan view, somewhat schematic, showing the growth characteristics of a ribbon formed in accordance with the invention; Figure 6 is a top plan view of a variant of the invention; Figure 7 is a cross-sectional view along line 7-7 of Figure 6; Figure 8 is a plan view of another variant of the invention, Figure 9 is a cross-sectional view along line 9-9 of Figure 8; Figure 10 is a perspective view of the embodiment according to Figure 8, with parts broken away; Figure 11 is a sectional view showing a detail of Figure 1, on a larger scale; and Figure 12 is a side elevational view, in section, of another variant of the invention.
Conformément à l'invention, un ruban continu est formé en plaçant un cristal de germination sur la surface supérieure d'un bain de silicium fondu, la température à la surface étant réglée pour produire la solidification. Le germe est ensuite tiré de la surface du bain suivant un angle aigu positif de faible valeur au-dessus de l1arête du bord supérieur d'une paroi à une vitesse proportionnelle à la vitesse de croissance du bord d'avance du cristal, dans une direction opposée à la direction de tirage. Le bain de silicium est maintenu peu profond et à un niveau relativement constant pour assurer que le bord d'avance (ou avançant) du ruban à l'interface solide/liquide reste stable. La croissance du cristal est stabilisée en augmentant ou diminuant automatiquement la vitesse d'avance du bord de croissance du ruban en faisant passer le bord d'avance du ruban au-dessus d'un stabiliseur disposé au-dessous de la surface du bain.According to the invention, a continuous ribbon is formed by placing a seed crystal on the upper surface of a bath of molten silicon, the temperature at the surface being adjusted to produce solidification. The seed is then drawn from the surface of the bath at a low positive acute angle above the edge of the upper edge of a wall at a speed proportional to the growth rate of the advancing edge of the crystal, in one direction. opposite to the draw direction. The silicon bath is kept shallow and at a relatively constant level to ensure that the advancing (or advancing) edge of the ribbon at the solid / liquid interface remains stable. The growth of the crystal is stabilized by automatically increasing or decreasing the rate of advance of the growing edge of the ribbon by passing the advancing edge of the ribbon over a stabilizer disposed below the surface of the bath.
Le ruban est également déplacé entre des stabilisateurs latéraux disposés au-dessous de la surface du bain qui règlent la largeur du ruban. The ribbon is also moved between lateral stabilizers arranged below the surface of the bath which regulate the width of the ribbon.
En se référant maintenant aux dessins et plus particulièrement à la figure l,on voit un appareil pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus décrit pour tirer en continu un ruban cristallin hors d'une masse fondue de silicium conformément à l'invention. L'appareil ést organisé de façon générale autour d'un creuset 10 définissant une cuve peu profonde destinée à contenir une quantité de silicium fondu 12 à partir de la surface de laquelle un ruban 14 de silicium cristallin est tiré.La cuve est de très faible profondeur comparativement aux appareils de l'art antérieur et réduit fortement l'effet défavorable dfl aux courants de convection habituellement présents dans les cuves profondes normalement utilises dans les installations de formation de cristaux par action de tirage. a configuration de l'appareil de croissance de cristaux conforme à l'invention est du type permettant d'extraire la région en croissance du ruban à partir de la masse en fusion contenue dans le récipient.Referring now to the drawings and more particularly to FIG. 1, there is seen an apparatus for implementing the method described above for continuously pulling a crystalline ribbon from a silicon melt in accordance with the invention. The apparatus is generally organized around a crucible 10 defining a shallow tank intended to contain an amount of molten silicon 12 from the surface from which a ribbon 14 of crystalline silicon is drawn. The tank is very small depth compared to the devices of the prior art and greatly reduces the unfavorable effect of the convection currents usually present in the deep vessels normally used in installations for forming crystals by pulling action. The configuration of the crystal growth apparatus according to the invention is of the type allowing the growing region of the ribbon to be extracted from the molten mass contained in the container.
Le creuset 10 est de préférence réalisé en un matériau résistant aux températures élevées et qui ne réagira pas avec le silicium fondu. A cet effet, le quartz s'est avéré fournir des résultats satisfaisants. Le creuset de la réalisation représentée est de forme générale rectangulaire at comprend une paroi de fond 16 et des parois latérales de bordure de faible hauteur 18 qui contiennent le silicium fondu 12. A l'intérieur du creuset lui-même sont montés plusieurs éléments passifs qui contribuent à la formation correcte du ruban 14.The crucible 10 is preferably made of a material resistant to high temperatures and which will not react with molten silicon. To this end, quartz has been shown to provide satisfactory results. The crucible of the embodiment shown is of generally rectangular shape at comprises a bottom wall 16 and side walls of low height edge 18 which contain the molten silicon 12. Inside the crucible itself are mounted several passive elements which contribute to the correct formation of the tape 14.
Ces éléments comprennent une paroi verticale 20, un stabilisateur de bord d'avance 22, une impédance thermique 24, et une paire de stabilisateurs latéraux 26 et 28. Les composants actifs du système comprennent une source de chaleur 30 disposée de façon type dans ou au-dessous de la paroi de fond 16.These elements include a vertical wall 20, a leading edge stabilizer 22, a thermal impedance 24, and a pair of side stabilizers 26 and 28. The active components of the system include a heat source 30 typically arranged in or at below the bottom wall 16.
L'appareil comprend également un support de germe et mécanisme de tirage 32 propre à saisir un germe cristallin 34, à le tenir à la surface du bain alors que le ruban 14 se forme et à tirer le germe et le ruban 14 à une vitesse constante dans une direction opposée à la direction de croissance du cristal. The apparatus also includes a germ support and pulling mechanism 32 suitable for grasping a crystalline germ 34, for holding it on the surface of the bath while the ribbon 14 is being formed and for pulling the germ and the ribbon 14 at a constant speed. in a direction opposite to the growth direction of the crystal.
Le mécanisme de tirage du germe 32 est disposé de façon à tirer le ruban 14 suivant un angle aigu légèrement positif de façon type 50, au-dessus de l'horizontale et à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de formation du cristal sur la surface du bain.The seed pulling mechanism 32 is arranged so as to pull the ribbon 14 at a slightly positive acute angle, type 50, above the horizontal and at a speed substantially equal to the speed of crystal formation on the surface. of the bath.
Dans la réalisation préférée de l'invention, le ruban 14 est tiré par-dessus l'arête supérieure de la paroi 20. La paroi 20 est formée de façon type en quartz et, dans la réalisation préférée, est constituée par un élément rigide vertical dont l'extrémité supérieure forme une arête 36 située plus ou moins dans le même plan que le bord supérieur d'une paroi latérale 18, comme on le voit mieux sur la figure 2.In the preferred embodiment of the invention, the ribbon 14 is pulled over the upper edge of the wall 20. The wall 20 is typically formed of quartz and, in the preferred embodiment, is constituted by a rigid vertical element the upper end of which forms an edge 36 situated more or less in the same plane as the upper edge of a side wall 18, as best seen in FIG. 2.
Le ruban 14 est tire par-dessus le bord de la paroi suivant un angle de faible valeur à partir de la surface du bain et forme derrière la paroi un ménisque dressé 38 entre le ruban et le niveau du liquide au-dessus du silicium fondu. Le bord d'avance du ruban où la formation de cristal a lieu se déplace dans une direction opposée à la direction de tirage.The ribbon 14 is pulled over the edge of the wall at an angle of small value from the surface of the bath and forms behind the wall a raised meniscus 38 between the ribbon and the level of the liquid above the molten silicon. The leading edge of the ribbon where crystal formation takes place moves in a direction opposite to the pulling direction.
En tirant le ruban suivant un angle positif de faible valeur à partir de la surface du bain, on obtient un certain nombre de résultats bénéfiques. Ainsi est éliminé le besoin de remplir le creuset avec un léger surplus, ce qui serait requis si le ruban devait être tiré suivant un trajet exactement horizontal. I1 s'est avéré qu il était extrêmement difficile de maintenir la masse fondue à un niveau qui permettrait au ruban d'être tiré horizontalement à partir d'un creuset sans que la masse fondue déborde. A ceci s'ajoutait le problème que le ruban se collait (par congélation) au bord du creuset.Pulling the ribbon at a low value positive angle from the surface of the bath provides a number of beneficial results. This eliminates the need to fill the crucible with a slight surplus, which would be required if the ribbon were to be pulled along an exactly horizontal path. It has been found to be extremely difficult to maintain the melt at a level which would allow the ribbon to be drawn horizontally from a crucible without the melt overflowing. To this was added the problem that the ribbon stuck (by freezing) to the edge of the crucible.
En tirant le ruban suivant un léger angle vers le haut, ces problèmes sont surmontés. Le bord d'avance où le cristal se forme est conformé suivant un arc là où il rencontre la surface de la masse fondue, comme on le voit sur les figures 3 et 5. La forme du bord d'avance est déterminée par le champ thermique juste au-dessous et en face du bord d'avance, lequel champ est déterminé par les gradients de température introduits par les stabilisateurs.Cette forme du bord d'avance du cristal contribue à une meilleure qualité de ruban pour la raison que toute imperfection qui pourrait se développer lors de la formation du cristal croîtra vers les bords latéraux du ruban plutôt qu'en longueur suivant le ruban comme elle se formerait si le bord de croissance était rectiligne
Par exemple, dans la figure 5, un défaut de croissance cristalline est indiqué en 40 et ce défaut va se déplacer généralement suivant le trajet indiqué en 42 vers un bord latéral du ruban 14 alors que la croissance du ruban a lieu comme représenté par les bords d'avance tracés en pointillé. Ainsi, tout défaut qui peut se produire a un effet minime et se corrigeant de lui-même sur le ruban.By pulling the ribbon at a slight upward angle, these problems are overcome. The leading edge where the crystal forms is shaped in an arc where it meets the surface of the melt, as seen in Figures 3 and 5. The shape of the leading edge is determined by the thermal field just below and in front of the leading edge, which field is determined by the temperature gradients introduced by the stabilizers. This shape of the leading edge of the crystal contributes to a better quality of ribbon for the reason that any imperfection which could develop during the formation of the crystal will grow towards the lateral edges of the ribbon rather than in length following the ribbon as it would form if the growth edge was straight
For example, in FIG. 5, a crystal growth defect is indicated at 40 and this defect will generally move along the path indicated at 42 towards a lateral edge of the ribbon 14 while the growth of the ribbon takes place as represented by the edges in advance dotted lines. Thus, any defect that may occur has a minimal and self-correcting effect on the tape.
Le ruban 14, comme montré dans la figure 4, présente en coupe transversale une surface inférieure plane et une surface supérieure plane dans son ensemble mais légèrement arrondie sur les bords. En général, l'épaisseur du ruban dépend partiellement de la longueur suivant laquelle le ruban est en contact avec la masse fondue et de la vitesse à laquelle il croît vers le bas.The ribbon 14, as shown in FIG. 4, has a planar lower surface and a planar upper surface as a whole but slightly rounded at the edges in cross section. In general, the thickness of the tape partially depends on the length of which the tape is in contact with the melt and the speed at which it grows downward.
Conformément à ltinvention et comme mieux représenté sur la figure 12, l'ensemble du matériau en fusion est séparé de la région de croissance du cristal en étant contenu dans un réservoir 42 de façon qu'on maintienne le creuset 10 avec une très faible profondeur de matériau fondu à partir duquel est formé le ruban 14.In accordance with the invention and as best represented in FIG. 12, all of the molten material is separated from the growth region of the crystal by being contained in a reservoir 42 so that the crucible 10 is maintained with a very shallow depth of molten material from which the ribbon 14 is formed.
Divers systèmes de remplissage en matériau en fusion peuvent être utilisés en liaison avec l'invention et, alors que la figure 12 illustre un tel système, d'autres systèmes sont disponibles et peuvent également être utilisés. Sur la figure 12, le creuset 10 est monté dans un carter 44 comprenant un boîtier extérieur 46, de préférence en quartz. Le creuset sert en tant que réservoir 42 pour le silicium fondu 50 pour réapprovisionner la cuve 10. Le boîtier 46 comprend une plaque de positionnement 52 disposée en travers de la partie supérieure du boîtier et qui sert à fournir un joint à pression pour la chambre de pression définie par le boîtier et qui supporte un tube d'approvisionnement 54 entre la chaghre de pression et la cuve 10.L'extrémité inférieure du tube 54 s'étend au-dessous de la surface de la masse fondue 50 et se termine au-dessus de la partie supérieure du creuset 48. L'extrémité supérieure du-tube 44 est courbée de façon à s'étendre au-dessus de la partie supérieure de la cuve 10 pour former une trémie de sortie par laquelle le silicium fondu est transféré du réservoir 42 à la cuve 10. La chambre formée dans le boîtier peut être pressurisée au moyen de gaz sous pression délivré par un tube support 56 et des fentes 58 qui s'étendent le long des parois internes du bol- tier et sont en coincidence avec des passages 60 communiquant avec le tube 56.Un dispositif de chauffage auxiliaire 62 peut être disposé à proximité de l'extrémité supérieure du tube d'approvisionnement 54 pour maintenir en fusion le silicium approvisionné et un écran de protection contre -les rayonnements 64 peut être prévu au-dessus du dispositif de chauffage comme représenté.Various filling systems of molten material can be used in connection with the invention and, while FIG. 12 illustrates such a system, other systems are available and can also be used. In Figure 12, the crucible 10 is mounted in a housing 44 comprising an outer housing 46, preferably made of quartz. The crucible serves as a reservoir 42 for the molten silicon 50 to replenish the tank 10. The housing 46 comprises a positioning plate 52 arranged across the upper part of the housing and which serves to provide a pressure seal for the pressure defined by the housing and which supports a supply tube 54 between the pressure chamber and the tank 10. The lower end of the tube 54 extends below the surface of the melt 50 and ends at above the upper part of the crucible 48. The upper end of the tube 44 is curved so as to extend above the upper part of the vessel 10 to form an outlet hopper through which the molten silicon is transferred from the reservoir 42 to the tank 10. The chamber formed in the housing can be pressurized by means of pressurized gas supplied by a support tube 56 and slots 58 which extend along the internal walls of the bowl and are coincident with passages 60 communicating with the tube 56. An auxiliary heating device 62 can be arranged near the upper end of the supply tube 54 to keep the silicon supplied in fusion and a radiation protection screen 64 can be provided at the above the heating device as shown.
L'utilisation d'une cuve peu profonde à partir de laquelle est réalisée la croissance du ruban élimine certaines des caractéristiques de déstabilisation inhérentes aux creusets profonds, particulièrement eu égard aux courants de convection présents dans des bains profonds de siliaium fondu.The use of a shallow tank from which the ribbon is grown eliminates some of the destabilizing characteristics inherent in deep crucibles, particularly with regard to the convection currents present in deep molten siliaium baths.
Le profil du centre du ruban est légèrement incurvé et ceci se produit naturellement étant donné que l'épaisseur croissante du silicium provoque une légère réduction du taux de dissipation de la chaleur de fusion. Ceci peut être réglé en plaçant un dissipateur de chaleur variable au-dessus de la surface solide ou en modifiant l'amenée de chaleur à la masse de silicium fondu.The profile of the center of the ribbon is slightly curved and this occurs naturally since the increasing thickness of the silicon causes a slight reduction in the rate of dissipation of the heat of fusion. This can be adjusted by placing a variable heat sink over the solid surface or by modifying the heat supply to the mass of molten silicon.
Le but souhaité dans la réalisation de l'invention est de maximiser la distance entre le bord d'avance du ruban et le point auquel la pleine épaisseur de ruban est obtenue.The aim desired in carrying out the invention is to maximize the distance between the tape advancing edge and the point at which the full thickness of tape is obtained.
Ceci aura pour effet de maximiser la zone surfacique de l'in terface solide/liquide ayant pour résultat une maximisation de la vitesse de croissance et/ou une minimisation des gradients de température à travers lesquels le matériau sillicium solidifié doit passer. Ceci aura pour résultat des contraintes réduites dans le domaine découlement plastique avec pour conséquence une qualité améliorée du matériau en ruban.This will have the effect of maximizing the surface area of the solid / liquid interface, resulting in a maximization of the growth rate and / or a minimization of the temperature gradients through which the solidified sillicon material must pass. This will result in reduced stresses in the plastic flow range resulting in improved quality of the ribbon material.
En plus des exigences du système déterminées par la grande interface solide/liquide désirée, il existe d'autres conditions qui sont déterminées par certaines caractéristiques de fonctionnement souhaitables. Ces conditions comprennent un contrôle intégral du bord. Ceci est réalisé en deux étapes. En premier lieu, le problème du transfert de chaleur de convection est limité par le fait que la solidification a lieu dans une cuve de faible profondeur. En second lieu, deux techniques de maintien du gradient thermique sont montrées. Dans le premier cas, comme montré sur les figures 6 et 7, des éléments de chauffage latéraux 66 fournissent une amenée de chaleur totalement variable aux bords du ruban se solidifiant. Dans la seconde technique montrée sur les figures 8 à 10, le fond de la cuve est plus épais sous la zone dans laquelle la cristallisation a lieu et définit une rampe 68.Un élément de chauffage du fond 70 fournit la chaleur de façon égale au fond de la cuve et, en raison de la variation de l'épaisseur du fond, la région de croissance est entourée par des zones plus chaudes qui limiteront la largeur du ruban. L'addition d'écrans protecteurs contre la chaleur sur les bords peut renforcer cet effet.In addition to the system requirements determined by the large solid / liquid interface desired, there are other conditions which are determined by certain desirable operating characteristics. These conditions include full control of the edge. This is done in two stages. First, the problem of convective heat transfer is limited by the fact that solidification takes place in a shallow tank. Second, two techniques for maintaining the thermal gradient are shown. In the first case, as shown in Figures 6 and 7, side heating elements 66 provide a totally variable heat supply to the edges of the solidifying tape. In the second technique shown in FIGS. 8 to 10, the bottom of the tank is thicker under the zone in which crystallization takes place and defines a ramp 68. A bottom heating element 70 provides heat equally to the bottom of the tank and, due to the variation in the thickness of the bottom, the growth region is surrounded by warmer zones which will limit the width of the ribbon. Adding heat shields to the edges can enhance this effect.
Eu égard au fonctionnement, ce systeme présente une grande simplicité. I1 y aura un léger accroissement en largeurpour une augmentation de la vitesse de croissance, étant donné que la température totale de la cuve sera réduite en raison du taux de solidification. De façon évidente, des éléments de chauffage peuvent être ajoutés si nécessaire.With regard to operation, this system is very simple. There will be a slight increase in width for an increase in the growth rate, since the total temperature of the tank will be reduced due to the rate of solidification. Obviously, heating elements can be added if necessary.
La seconde particularité de l'appareil réside dans le fait que l'on empêche au ruban en croissance de se congeler sur l'appareillage. Dans le cas présent, la zone de solidification est entourée par une petite zone chaude qui contribue au réglage de la largeur du ruban. Le bord de la paroi au-dessus duquel le ruban est tiré est presque couvert par le silicium liquide. La température doit être réglée pour permettre à une toute petite quantité de retourner en fusion dans la cuve en ce point plutôt que poursuivré la solidification. En pratique, l'élément de chauffage du fond peut être réalisé en deux éléments commandables séparément pour fournir une isolation thermique appropriée bien que le fond de la cuve puisse fournir de façon appropriée les profils de températures désirées.En cas de congélation, le racloir est entouré par une région chaude de liquide pour fournir facilement un retour en fusion afin d'éliminer la possibilité d'un flux de silicium lors d'une fusion après une condition congelée.The second particularity of the device lies in the fact that the growing tape is prevented from freezing on the apparatus. In the present case, the solidification zone is surrounded by a small hot zone which contributes to the adjustment of the width of the ribbon. The edge of the wall above which the ribbon is pulled is almost covered by liquid silicon. The temperature should be adjusted to allow a very small amount to melt back into the tank at this point rather than further solidification. In practice, the bottom heating element can be made of two separately controllable elements to provide suitable thermal insulation although the bottom of the tank can appropriately provide the desired temperature profiles. In the event of freezing, the scraper is surrounded by a hot region of liquid to easily provide a melt back in order to eliminate the possibility of a flow of silicon during a melt after a frozen condition.
En fonctionnement, après que la cuve 10 a été remplie de silicium fondu 12, on fait chuter la température jusqu'à ce qu'une "ile" de silicium solide commence à se former. Les réglages des éléments de chauffage et des écrans thermiques pour les cycles futurs sont basés sur la forme de l'île. In operation, after the tank 10 has been filled with molten silicon 12, the temperature is dropped until an "island" of solid silicon begins to form. The settings for the heating elements and heat shields for future cycles are based on the shape of the island.
La température de la masse est alors élevée avec précaution jusqu'à ce que l'île soit juste en fusion. Le germe de silicium 34 est alors inséré de façon à toucher la masse fondue dans la région où l'tle a été formée. A mesure que le bord du ruban croît en s'écartant de la paroi 20, le ruban 14 est tiré au-dessus de la paroi. La vitesse de tirage du mécanisme de tirage 32 est augmentée à mesure que la température de la cuve est réduite, ce qui maintient le bord de croissance du cristal dans la région où l'île initiale est apparue. Le fait de laisser la zone de croissance du cristal s'étendre au-delà de cette zone indiquera que les zones de protection chaude approchent la température de congélation et que a température de la cuve doit être légèrement augmentée.The temperature of the mass is then carefully raised until the island is just molten. The silicon seed 34 is then inserted so as to touch the melt in the region where the tube was formed. As the edge of the ribbon grows away from the wall 20, the ribbon 14 is pulled over the wall. The drawing speed of the drawing mechanism 32 is increased as the temperature of the tank is reduced, which maintains the growth edge of the crystal in the region where the initial island appeared. Allowing the crystal growth zone to extend beyond this zone will indicate that the hot protection zones are approaching freezing temperature and that the temperature of the vessel should be slightly increased.
Le stabilisateur 22 est positionné en arrière de la paroi 20, et s'étend perpendiculairement vers le haut à partir de la paroi de fond 16 et en travers de la cuve. La surface supérieure du stabilisateur peut être inclinée vers le bas d'avant en arrière, son arête supérieure étant disposée légèrement au-dessous de la surface de la masse fondue et audessous du bord d'avance du ruban là où il rencontre la surface de la masse en fusion. Des contours plus complexes peuvent également être utilisés. La fonction du stabilisateur est de compenser de petites modifications dans la vitesse de tirage du ruban alors qu'il est tiré hors du bain. Dans un état de tirage constant et dans des conditions de température stables, aucun problème ne se pose.Cependant, si la vitesse de traction S augmente d'une valeur a s, alors le bord d'avance du ruban se déplace vers l'avant, c'est-à-dire. The stabilizer 22 is positioned behind the wall 20, and extends perpendicularly upwards from the bottom wall 16 and across the tank. The upper surface of the stabilizer can be tilted downward back and forth, its upper edge being disposed slightly below the surface of the melt and below the leading edge of the tape where it meets the surface of the molten mass. More complex contours can also be used. The function of the stabilizer is to compensate for small changes in the tape's drawing speed as it is pulled out of the bath. In a state of constant draft and in stable temperature conditions, no problem arises. However, if the traction speed S increases by a value as, then the leading edge of the ribbon moves forward, that is to say.
vers la droite comme vu sur la figure 11, de la distance A X telle que A T diminue de A T1 à Q T2 suffisamment pour augmenter la vitesse de croissance du bord d'avance de A S.to the right as seen in FIG. 11, by the distance A X such that A T decreases from A T1 to Q T2 enough to increase the speed of growth of the leading edge of A S.
Le stabilisateur répond ainsi à des modifications dans la vitesse de traction, la vitésse de croissance, la température de fusion, le pouvoir rayonnant, etc. La vitesse d'avance du ruban est égale à S = fl (1/Q T) dans laquelle AT = = f2 (AX), c'est-à-dire S = f1 (f2(AX)). The stabilizer thus responds to changes in traction speed, growth speed, melting temperature, radiant power, etc. The speed of advance of the ribbon is equal to S = fl (1 / Q T) in which AT = = f2 (AX), that is to say S = f1 (f2 (AX)).
Ainsi, le bord d'avance reste stable à l'intérieur d'un domaine de vitesse de tirage et de température. De même, en utilisant les stabilisateurs latéraux 26 et 28, la largeur du ruban reste sensiblement stable. A l'intérieur du domaine de stabilité du bord d'avance, la vitesse de tirage commande seulement l'épaisseur du ruban en plus de la productivité.Thus, the leading edge remains stable within a range of drawing speed and temperature. Likewise, using the lateral stabilizers 26 and 28, the width of the strip remains substantially stable. Within the stability range of the feed edge, the drawing speed controls only the thickness of the tape in addition to productivity.
Bien que l'invention ait été décrite en référence aux réa- lisations particulières illustrées, de nombreuses modifications peuvent y être apportées, comme il apparaîtra aux spécialistes. Par exemple, alors que l'invention a été décrite à la base en référence à la formation de rubans de silicium cristallin, elle peut être utilisée de façon avantageuse pour la formation de rubans d'une grande variété d'autres matériaux cristallins qui sont préparés directement à partir de la masse en fusion De tels matériaux peuvent être conducteurs, non conducteurs ou semi-conducteurs et peuvent présenter des applications diverses. Par exemple, des vitres saphirs peuvent être fabriquées par ce procédé ou des matériaux pour mémoires à bulles, par exemple du gadolinium, du gallium et du grenat peuvent être fabriqués sous forme d'un ruban. Although the invention has been described with reference to the particular embodiments illustrated, numerous modifications can be made to it, as will be apparent to specialists. For example, while the invention has been basically described with reference to the formation of crystalline silicon ribbons, it can be advantageously used for the formation of ribbons of a wide variety of other crystalline materials which are prepared directly from the molten mass Such materials can be conductive, non-conductive or semiconductor and can have various applications. For example, sapphire panes can be made by this process or bubble memory materials, for example gadolinium, gallium and garnet can be made in the form of a ribbon.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8117352A FR2512847B1 (en) | 1981-09-14 | 1981-09-14 | METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING CRYSTALLINE RIBBONS |
Applications Claiming Priority (1)
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FR8117352A FR2512847B1 (en) | 1981-09-14 | 1981-09-14 | METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING CRYSTALLINE RIBBONS |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2512847A1 true FR2512847A1 (en) | 1983-03-18 |
FR2512847B1 FR2512847B1 (en) | 1986-07-04 |
Family
ID=9262138
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR8117352A Expired FR2512847B1 (en) | 1981-09-14 | 1981-09-14 | METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING CRYSTALLINE RIBBONS |
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---|---|
FR (1) | FR2512847B1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2633961A1 (en) * | 1975-07-28 | 1977-02-17 | Mitsubishi Metal Corp | METHOD OF GROWING A THIN CRYSTAL RIBBON |
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-
1981
- 1981-09-14 FR FR8117352A patent/FR2512847B1/en not_active Expired
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 50, no. I, septembre 1980, pages 247-259, North Holland Publ. Comp., Amsterdam, NL; B. KUDO: "Improvements in the horizontal ribbon growth technique for single crystal silicon" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2512847B1 (en) | 1986-07-04 |
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