LV15065B - Silīcija beztīģeļa zonas kausēšanas paņēmiens - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz silīcija iegūšanu, piemēram jaudas mikroelektronikai vai fotoelektronu rūpniecībai, tajā skaitā saules bateriju izgatavošanai. Šīs ražošanas uzdevums ir bezdislokāciju silīcija monokristālu iegūšana no attiecīgas kvalitātes stieņu izejmateriāliem.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Silīcija monokristālu iegūšanas process, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, ietver divus svarīgus etapus: noteiktu ģeometrisko izmēru sākotnējā stieņa ar attiecīgajām īpašībām ieguvi un galvenokārt vertikālo beztīģeļa zonas induktīvo kausēšanu. Sākotnējo stieni, kas derīgs monokristālu audzēšanai bez dislokācijām, iegūst, nogulsnējot no gāzes fāzes silānu sadalīšanās procesā ūdeņradī vai audzējot no kausējuma. Turklāt sākotnējam stienim ir jāsatur pasūtītāja prasībām atbilstošais piejaukumu daudzums un ir jānodrošina tā cilindriskā forma ar minimālu eliptiskumu - starpību starp elipses diametriem stieņa šķērsgriezumā, kas mazāka par 5 mm, kā arī ir jānodrošina stieņa izliekums, mazāks par pieļaujamo vērtību (parasti 5mm uz garuma metru), kā arī ir jānodrošina gluda virsma un izmēri, kas ir līdzīgi nepieciešamā monokristāla izmēriem, turklāt stienis nedrīkst būt ar plaisām.

Monokristālu audzēšana notiek gāzes vidē, tādēļ ir ierobežotas piejaukumu sastāva vadības iespējas, t.i., ir iespējams likvidēt piejaukumus, kuriem ir ļoti zemi sadalīšanās koeficenti un skābekļa daudzums, bet piejaukumu pievienošana (leģēšana) ir iespējama pietiekami plašā diapazonā.

Strāvām, kas rodas apstrādājamajā stienī, veicot induktīvo uzkarsēšanu, lielākais blīvums ir noteiktā attālumā no virsmas (iekļūšanas dziļumā). Visi nelīdzenumi, kuri ir radušies sākotnējā stieņa graudainās struktūras ietekmē un kuriem izmēri ir mazāki par strāvas iekļūšanas dziļumu, t.i., aptuveni 0,8 mm pie 2,8 MHz vai 1,5 mm pie 1,76 MHz atkarībā no strāvas frekvences, paliek neuzsildīti. Šādi nelīdzenumi (skat. zīm.3) tuvojas kausējamajam induktoram, kas atrodas zem augsta sprieguma, un noved pie elektroizlādes un audzēšanas procesa avārijas noslēguma. Cilindriskās formas neievērošana, izciļņu esamība uz virsmas, eliptiskuma vai izliekuma esamība, lielāka par 5 mm, noved pie sākotnējo stieņu nesimetriska kausēšanas. Rezultātā uz kausējamās virsmas veidojas piles, kuras nenotek zonā (zīm.4). Šīs kausējuma piles, kas sasniedz ievērojamu apjomu, nokļūstot kausēšanas zonā, var radīt pārplūšanu.

Nogulsnējot silīcija stieni no gāzes fāzes, sākotnējo dažu milimetru diametra stieni £* uzkarsē, caur to laižot strāvu. Siltuma izvadīšana notiek no augošā stieņa virsmas. Turklāt, sakarā ar uzkāršanu no blakus esošajiem stieņiem, siltuma izvadīšana nav vienmērīga un stienī veidojas termomehāniski spriegumi, kas palielinās, palielinoties stieņa diametram. Kā rezultātā, palielinoties stieņu diametram, kļūst sarežģītāks uzdevums saglabāt stieņus bez plaisām. Stieņus, kas iegūti, nogulsnējot no gāzes fāzes, var uzlabot, iepriekš šķērsojot kausējuma zonu vakuumā, iegūstot polikristālisku stieni bez eliptiskuma un bez ieliekumiem ar gludu virsmu un diametru, līdzīgu tam, kas ir nepieciešams monokristālu audzēšanai. Turklāt prasības pret sākotnējo stieni pirms vakuuma zonas šķērsošanas netiek ievērojami samazinātas, bet plaisu un tādu stieņa izmēru, kas ir tuvi nepieciešamajiem izmēriem monokristālos, esamība saglabājas. Ir svarīgi, ka, neskatoties uz nepilnībām, tieši veicot nogulsnēšanu no gāzes fāzes, izdodas iegūt silīciju ar vismazāko piejaukumu daudzumu.

Kā alternatīvu stieņu iegūšanai ar nogulsnēšanas metodi no gāzes fāzes izmanto stieņu izstiepšanas metodi dīglim no tīģeļa, izmantojot polikristālisku silīciju gabalu formā, kam nav aktuālas prasības attiecībā pret stieņiem (attiecībā pret plaisu neesamību, eliptiskumu, ieliekumiem), bet svarīgs ir tikai piejaukumu sastāvs. Taču audzēšanas procesā no tīģeļa pievienojas papildu piejaukumi, un iegūstamie stieņi neapmierina praktiski visas monokristālu, kas iegūti izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, pielietošanas jomas, izņemot zemas voltāžas pārveidošanas tehnikas un saules enerģijas ieguves jomas. No otras puses stieņus var iegūt, neizmantojot uzkarsēšanu no grafīta caur tīģeli, bet pielietojot indukcijas vai elektronisko staru uzkarsēšanu apstrādājamā silīcija apjoma iekšpusē.

Ir zināma virkne polikristālisko stieņu iegūšanas paņēmienu no gāzes fāzes, lai optimizētu turpmāko monokristālu audzēšanu, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi. Saskaņā ar patentpieteikumu. EP0445036 Al polikristālu iegūšanas paņēmienā no gāzes fāzes tiek izmantots monokristālisks sākotnējais stienis, lai nodrošinātu nogulsnētā stieņa līdzenu virsmu. Šī paņēmiena trūkumi ir tādi, ka procesa realizācijā netiek nodrošināta stieņa cilindriskā forma un tas nav pasargāts no plaisām.

Ir zināma polikristālu iegūšanas metode no gāzes fāzes saskaņā ar patentu US 6544333 B2, kurā stieņu iegūšanai bez termomehāniskiem spriegumiem, kas noved pie plaisu veidošanās, ir piedāvāts veikt uzkarsēšanu, izmantojot nogulsnēšanas procesā no gāzes fāzes augstas frekvences strāvu, lai siltuma izdalīšanos koncentrētu uz stieņa virsmas, nevis iekšpusē. Pēc autoru domām šāds paņēmiens nodrošina stieņu iegūšanu bez spriegumiem ar diametru, lielāku par 150 mm, t.sk. līdz 300 mm. Šī metode neizslēdz stieņu savstarpēju ietekmi viena uz otru un rezultātā veidojās nepareiza šķērsgriezuma forma. Neskatoties uz to, ka sākotnējais patenta īpašnieks Advanced Silicon Materials Llc bija galvenais polikristālisko stieņu, kas paredzēti beztīģeļa zonas kausēšanai, ražotājs, metode joprojām nav realizēta rūpnieciskajā mērogā. Uzņēmums REC Silicon, jaunais patenta īpašnieks, joprojām ražo stieņus ar diametru līdz 170 mm tajā laikā, kad ir nepieciešams ražot stieņus ar diametru virs 200 mm.

Ir zināms arī alternatīvs silīcija monokristālu iegūšanas paņēmiens saskaņā ar patentpietkumu US5108720 A, izmantojot beztīgeļa zonas kausēšanas metodi, izlaižot sākotnējā stieņa iegūšanas stadiju. Šajā patentā pieteicējs Hemlock Semiconductor Corporation, viens no vadošajiem polisilīcija ražotājiem, plānoja monokristālu ieguvi no silīcija pulvera, kas, to ievietojot izkausētajā zonā, sakarst, izkūst un ļauj audzēt monokristālu. Šīs metodes trūkumi ir grūtības procesa organizēšanā, kas ir saistītas ar beramā materiāla apstrādi spēcīgā magnētiskā laukā un nespēju stabilizēt kūstošā materiāla temperatūras apstākļus.

Ir zināma arī virkne paņēmienu monokristālu audzēšanai no kausējuma bez kontakta ar konteineru (tīģeli), kuros konteinera nav vai tas ir dzesējams. Šie zināmie paņēmieni tiek pielietoti sākotnējo stieņu audzēšanai un sekojošo monokristālu audzēšanai, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi. Saskaņā ar patentpietkumu US3494804 A, kas publicēts 10.02.1970, silīcijs tiek uzkarsēts ne mazāk kā ar trim fokusētiem lokveidīgiem elektronu stariem, kas veido sakaršanas gredzenveida laukumu ar 3 līdz 4 reizes lielāku diametru kā izvelkamajam kristālam. Šajā paņēmienā kā izejmateriālu ir paredzēts izmantot stieni ar diametru, kas ir lielāks par augošā kristāla diametru, kā arī ar ūdeni dzesējamu vara ierīci, kurā veidojas kausējums. Saskaņā ar patentpietkumu US4133969 A, kas publicēts 09.01.1979, aprakstīto paņēmienu sakaršanas gredzenveida laukumu veido ar induktoru, turklāt apstrādājamais silīcijs atrodas ar ūdeni dzesējamā tvertnē un tvertnei pieguļošā silīcija daļa nekūst. Paņēmienos saskaņā ar patentpietkumu US5223077 A, kas publicēts 19.06.1993, un ar patentpietkumu US5268063 A, kas publicēts 07.12.1993, ir piedāvāta auksta tīģeļa izmantošana, kas apgādāts ar ūdeni dzesējamu induktoru ar pārklājumu, kam ir augsta dielektriskā izturība un izturība pret kausējuma iedarbību. Palielinot audzējamo kristālu diametrus vairāk kā par 40 mm, praktiski nav iespējama sākotnēji iekrautās masas kausēšana bez tās savienošanās riska ar audzējamo kristālu, kā tas ir parādīts T.F. Ciszek rakstā „GROWTH OF 40 mm DIAMETER SILICON CRYSTALS BY A PEDESTAL TECHNIĢUE USING ELECTRON BEAM HEATING”, kas publicēts žurnālā Journal of crystal growth” Nr. 12 (1972) no 281. līdz 287. lpp. Visās aprakstītajās sistēmās efekts rodas pie atšķirīgiem diametru lielumiem, bet tās nenodrošina kristāla audzēšanu ar diametru, lielāku par 50 līdz 150 mm. Turklāt šajās metodēs netiek norādīts uz nepieciešamajām audzējamā kristāla īpašībām, lai optimizētu turpmāko beztīģeļa zonas kausēšanas procesu.

Vistuvākais saskaņā ar izgudrojumu piedāvātajam paņēmienam ir paņēmiens saskaņā ar patentpieteikumu EPO142666 A2 , kas paredz monokristāliskā silīcija ražošanu ar beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, izmantojot sākotnējos stieņus ar diametru, kas atšķiras no sākotnējā stieņa ne vairāk kā par 20 %, kas iegūti audzēšanas procesā no gāzes fāzes ar lēniem augšanas tempiem vai no kausējuma, izmantojot divu stadiju beztīģeļa kausēšanas procesu vai sākotnējo stieņa audzēšanu no gabalainā polisilīcija saskaņā ar Čohraļska metodi. Patentpieteikumā EPO 142666 A2 aprakstītā paņēmiena trūkumi saistās ar nogulsnēšanas procesu no gāzes fāzes, proti, ar nelīdzenumu veidošanos uz virsmas, nobīdēm no cilindriskās fonnas un termomehāniskiem spriegumiem, kas savukārt noved pie stieņu plaisāšanas, palielinoties to diametram. Divu izkausētās zonas ciklu realizēšana, izmantojot nepietiekamas kvalitātes sākotnējos stieņus, noved pie augsta procesu avārijas riska. Pat bezavārijas rezultātā būtiski samazinās procesa ekonomiskie rezultāti.

Stieņu audzēšana, izmantojot Čohraļska metodi, plaši tiek pielietota silīcija monokristālu ar diametru 200 mm audzēšanai, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanu, kas ir atspoguļots atsevišķu uzņēmumu reklāmas bukletos, piemēram ķīniešu uzņēmuma Tianjin Zhonghuan Semiconductor Co., Lid [2] bukletā. Tādējādi, izmantojot Čohraļska metodi, sākotnējais stienis tiek izaudzēts bez dislokācijas monokristāla, izmantojot indukcijas beztīģeļa zonas kausēšanas metodi. Šīs metodes trūkums ir nespēja iegūt silīciju ar pretestību virs 50 Om*cm piejaukumu dēļ, kas parastajā procesā kausējumā nokļūst no tīģeļa un grafīta sildītāja, un nekonkurētspējīga cena, izmantojot Čohraļska metodi ar magnētisko lauku. Turklāt process neļauj utilizēt atkritumus ar zemu īpatnējo pretestību (mazāku par 0,1 Om*cm) turpmākai izmantošanai saules enerģētikā.

Piedāvātā izgudrojuma mērķis un būtība

Izgudrojuma uzdevums ir silīcija ieguve paaugstinātas tīrības stieņu veidā no dažādas kvalitātes un formas sākotnējā silīcija, lai paaugstinātas tīrības stieņi pēc savām elektrofizikālajām, mehāniskajām un ģeometriskajām īpašībām būtu derīgi dažāda pielietojuma monokristālu audzēšanai, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanu.

Izgudrojuma tehniskais rezultāts izpaužas tādējādi, ka sākotnējo stieni, kas paredzēts mikrokristālu audzēšanai, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, iegūst audzējot dīgli no kausējuma, izmantojot elektronisko staru uzkarsēšanu. Elektronisko staru uzkarsēšana tiek īstenota tieši ar silīciju piepildītā konteinerā bez grafīta izmantošanas un siltuma nodošanas caur konteinera sienām, tādā veidā izslēdzot galvenos avotus, kas izraisa piejaukumu piemaisīšanu kausējumam. Turklāt kā izejmateriāls tiek izmantots silīcijs, kas pēc tīrības atbilst monokristālu kvalitātes prasībām, kuri tiek audzēti, izmantojot beztīģeļa zonas kausēšanas metodi.

Izgudrojuma tehniskais rezultāts ir iegūts pateicoties tam, ka, ražojot silīcija monokristālus ar beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, kas ietver sākotnējā stieņa audzēšanu no kausējuma ar dīgļa izstiepšanu, silīcija uzkarsēšana tiek veikta konteinera iekšpusē ar vismaz diviem elektronu stariem tādā veidā, lai samazinātu vai izslēgtu kausējuma mijiedarbību ar konteineru.

Lai iegūtu sākotnējo stieni ar augstu elektrisko pretestību, kā izejmateriālu izmanto augstas kvalitātes polikristālu silīciju vai silīcija atlikumu, kas izveidojas ar mainīgās zonas kausēšanas metodi izaudzēto monokristālu sagriešanas. Turklāt procesa gaitā tiek nodrošināts tas, ka kausējums nesaskaras ar konteineru, no kura tiek audzēts stienis, pie kam elektronu staru fokālie karsēšanas plankumi virzās pa noteikta rādiusa lokiem, kas nav mazāks par augošā stieņa diametru un kas summāri atbilst centraleņķim, kas nav mazāks par 340 grādiem.

Lai iegūtu sākotnējos stieņus ar augstu īpatnējo elektrisko pretestību, kā izejmateriālu izmanto ari augstas kvalitātes polikristālisku silīciju vai silīcija pārpalikumus, kas izveidojas pēc ar beztīģeļa zonas kausēšanas metodi izaudzēto monokristālu sagriešanas. Turklāt procesa gaitā tiek izslēgta kausējuma un konteinera kontakta iespējamība, no kura tiek audzēts stienis, tādēļ tiek izmantots konteiners ar diametru, kas nav mazāks par 5 audzējamā stieņa diametriem, turklāt visa procesa gaitā no izkausēšanas līdz stieņa audzēšanas beigām procesu vada, nododot kausējumam jaudu no 0,03 līdz 0,06 kWt/cm².

Paņēmiena būtība izpaužas tādējādi, ka, izmantojot kausējumu, kas atrodas konteinerā, fokālo plankumu, kas tiek pakļauti uzkarsēšanai ar elektronisko staru, virzības trajektorija tiek izvēlēta, nosakot tādu diametru, lai kausējuma temperatūras sadalījums nodrošinātu stabilu konusveida formu un pēc tam cilindriskās formas kristāla augšanu, bet konteinera sienu temperatūra paliktu zema, ieskaitot variantu, kad uz konteinera iekšējās virsmas paliek neizkausēts sākotnēja silīcija 5 līdz 20 mm biezs slānis. Optimālai temperatūras sadalījuma vadīšanai konteinera diametru izvēlas ne mazāku par 5 audzējamā sākotnēja kristāla diametriem.

Izgudrojuma aprakstam ir pievienoti sekojoši rasējumi:

- Fig.l un Fig.2, kurās ir parādīta piedāvātā paņēmiena realizācijas shēma,

- Fig.3, kurā ir parādīts neizkusušo elementu veidojums uz sākotnējā stieņa virsmas,

- Fig.4, kurā ir parādīta kausējuma piles veidošanās shēma uz sākotnējā stieņa kūstošās virsmas.

Paņēmienu īsteno konteinerā, kas satur siltumizolatoru (1) un dzesēšanas ierici (2), ievietojot silīciju aparāta kausēšanas kamerā. Konteinerā veido vakuumu un silīciju kausē, izmantojot uzkarsēšanu ar elektronisko stariem (3). Turklāt starus atvirza līdz noteiktajam diametram un sāk skenēt, veidojot gredzenveida fokālo uzkarsēšanas zonu (4), kuras diametru (5) izvēlas tādā veidā, lai iegūtu nepieciešamo rezultātu - izkausētu visu silīciju, kas atrodas konteinerā, vai saglabātu starp izkausēto zonu (6) un konteinera sienām daļu no neizkausētās sākotnējās masas (7). Pēc noteiktās sākotnējās masas daļas (7) izkausēšanas konteinerā nolaiž dīgļa kristālu (8), to savieno ar kausējumu un audzē nepieciešamā diametra stieni (9). Audzēšanas procesu vada, mainot izstiepšanas ātrumu (V) un uzkarsēšanas intensitāti ar elektronu stariem (3), turklāt uztur nemainīgu uzkarsēšanas gredzenveida zonas (4) diametru. Fokālo plankumu skenēšanas ar elektronu stariem trajektorijas (5) kopīgi veido formu, kas ir tuva nepieciešamā diametra gredzenam un veido pietiekamas siltuma simetrijas lauku, lai iegūtu cilindriskas formas stieni (9).

Izgudrojuma realizācijas piemērs

Konteinerā ar iekšējo diametru 420 mm ievieto polikristālisku silīciju. Konteineru ievieto ierīces vakuuma kamerā. Pēc tam, kad paliekošais spiediens sasniedz l*10 ⁴ mm Hg, ieslēdz abus sildītājus ar elektronu stariem un uzstāda pievadāmo enerģiju 1,2 līdz 1,3 kWt līmenī uz ievietotā silīcija 1 kg un ieslēdz elektronu staru skenēšanas režīmu pa aploces lokiem ar rādiusiem 250 līdz 300 mm, periodiski samazinot aploces diametru līdz 50 - 100 mm. Pēc kausējuma vannas izveidošanas 20 līdz 60 minūšu laikā turpina veikt fokālā plankuma skenēšanu ar elektronu stariem, saglabājot loku maksimālos rādiusus, bet nodrošinot neizkausētā sākotnējā silīcija 5 līdz 20 mm bieza slāņa saglabāšanu uz konteinera iekšējās virsmas. Turpmāk samazina pievadāmo enerģiju uz 20 līdz 50 %, ievieto dīgļa kristālu, to savieno ar kausējumu un piemeklē optimālo jaudu kristāla audzēšanai. Turpmāk procesu realizē analoģiski stieņa audzēšanas procesam no tīģeļa saskaņā ar Čohraļska metodi, tādēļ skenēšanas loku rādiusu kustību, lai izveidotu fokālo plankumu, pakāpeniski palielina līdz lielumam, kas nav mazāks par audzējamā kristāla diametru, un to nofiksē. Turklāt aploces loku centraleņķis kopā sastāda vismaz 340 grādu leņķi. 75 mm diametra stieni audzē ar mainīgu ātrumu, procesu sākot ar ātrumu 2,5 mm/min. un noslēdzot ar ātrumu, mazāku par 2 mm/min., turklāt stieni rotē ar ātrumu 10 līdz 15 apgr./min., bet konteiners paliek nekustīgs. Audzēšanas procesā kausējumam pievadāmo jaudu samazina atkarībā no kristāla augšanas no 60 līdz 40 kW, summējot no diviem sildītājiem. Izaudzēto stieni atdzesē, izņem no iekārtas vakuuma kameras, izmēra tā ģeometriskos un elektrofiziskos parametrus un pārbauda to atbilstību nepieciešamajiem parametriem, lai varētu iegūt monokristālus. Veiktajos procesos izaudzētā stieņa īpatnējā pretestība bija apmierinoša un atbilstoša ielādētā polikristāliskā silīcija kontrolparametriem. Turpinājumā stieni sagatavo audzēšanas procesam, pie kam, ja ir nepieciešams, to apstrādā mehāniski un ķīmiski. Tad stieni ielādē indukcijas beztīģeļa zonas kausēšanas iekārtā un audzē monokristālu bez dislokācijām, kas atšķiras no izaudzētā stieņa ne vairāk kā par 20 %. Ar šajā piemērā aprakstīto paņēmienu tika izaudzēts silīcija monokristāls ar diametru 65 mm.

Claims (6)

1. Papildu informācijas avoti:

   1. http://www. recsilicon. com/products/electronic-grade-polysilicon/float-zone-polysiīicon/
2. 2. http://en. tjsemi. com/main/productdetails_s_l. aspx

   Pretenzijas

   1. Silīcija monokristālu ieguves paņēmiens bez dislokācijām, ražošanas procesā radot minimālus ārējos piejaukumus, pie kam paņēmiens ietver sākotnējā cilindra formas stieņa izstiepšanu no kausējuma, kas minimāli mijiedarbojas ar dzesējamo konteineru, un tam sekojošā monokristāla audzēšana ar diametru, kas atšķiras no audzējamā stieņa diametra ne vairāk kā par 20 %, izmantojot indukcijas beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, kas atšķiras ar to, ka stieņa audzēšanu uz dīgļa kristāla veic, izmantojot elektronisko staru uzkarsēšanu vismaz ar diviem elektronu staru sildītājiem, kas rada uzkarsēšanas fokālos plankumus, kas virzās pa lokiem ar rādiusiem, kas nav mazāki par audzējamā stieņa diametru un kas summāri atbilst centrālajam leņķim, kas nav mazāks par 340 grādiem.

   2. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka process notiek, izslēdzot kausējuma kontaktu ar konteineru, izmantojot atdzesējamo konteineru, kura diametrs ir vismaz 5 audzējamā stieņa diametri.
3. 3. Paņēmiens saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka process notiek ar sakausējumam pievadāmo jaudu 0,03 līdz 0,07 kWT/cm².
4. 4. Paņēmiens saskaņā ar 2. vai 3. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka process notiek, saglabājot neizkausētā sākotnējā silīcija 5 līdz 20 mm biezu slāni uz konteinera iekšējās virsmas.
5. 5. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 4. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka stieņa ieguves procesa sākumā audzē konusu ar virsotnes leņķi, optimālu monokristālu audzēšanai, izmantojot indukcijas beztīģeļa zonas kausēšanas metodi.
6. 6. Paņēmiens saskaņā ar 5. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka stieņa ieguves procesa sākumā audzē konusu ar 50 līdz 80 grādu virsotnes leņķi.