LV15452B

LV15452B - SILICON CRYSTAL GROWING METHOD AND EQUIPMENT FOR ITS IMPLEMENTATION

Info

Publication number: LV15452B
Application number: LVP-18-81
Authority: LV
Inventors: KRAVTSOV Anatoly
Original assignee: Kepp Eu, Sia
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2021-06-20

Abstract

Izgudrojums attiecas uz kristālu audzēšanu, īpaši uz silīcija kristālu audzēšanu ar indukcijas sildīšanu bez tīģeļa. Piedāvāta uzlabota metode un tās realizācijai nepieciešamā iekārta silīcija kristālu audzēšanai. Metode ietver kristāla audzēšanu ar dīgļa kristāla (1) pārvietošanu rotējot uz augšu, izmantojot pjedestālu (11) ar diametru, kas nav mazāks par audzējamā kristāla diametru, turklāt pjedestāls (11), ko ar rotāciju pārvieto uz augšu, ir izvietots zemāk par kausēšanas induktoru (5) un ir aptverts ar fokusējošu spoli (7). Metode ir papildināta ar to, ka pjedestālu (11) zonā, kas atrodas zem fokusējošās spoles (7), kas aizvada siltumu, uzsilda ar gredzenveida sildītāju (10).The invention relates to crystal growth, in particular to the growth of silicon crystals by induction heating without a crucible. An improved method and the necessary equipment for growing silicon crystals are proposed. The method includes growing the crystal by rotating the seed crystal (1) upwards using a pedestal (11) with a diameter not smaller than the diameter of the crystal to be grown, and the pedestal (11) being rotated upwards is positioned below the melting inductor (5) and is surrounded by a focusing coil (7). The method is supplemented by the fact that the pedestal (11) is heated by an annular heater (10) in the area below the focusing coil (7) which conducts heat.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTSDESCRIPTION OF THE INVENTION

[001] Izgudrojums attiecas uz silīcija ražošanu, piemēram, uz rūpniecisku silīcija ražošanu spēka mikroelektronikai, tai skaitā spēka pusvadītāju ierīču, piemēram, diožu, tiristoru un tml. izgatavošanai.The invention relates to the production of silicon, for example to the industrial production of silicon for power microelectronics, including power semiconductor devices such as diodes, thyristors and the like. manufacturing.

Zināmais tehnikas līmenisPrior art

[002] Šīs ražošanas uzdevums ir augstas kvalitātes silīcija iegūšana galvenokārt ar izvilkšanas no kausējuma, neizmantojot tīģeli (FZ metode vai angļu val. FZ method - floating zone method), metodi. Šādu procesu veic, sākotnējo stieni izkausējot ar indukcijas kausēšanas un monokristāla, kura diametrs no sākotnējā stieņa diametra neatšķiras vairāk kā par 20 %, kristalizācijas metodi. Tradicionālajā Siemens procesā nav iespējams ražot silīcija sākotnējus stieņus ar diametru 300 mm, tādēļ tika izstrādāta jauna šādu stieņu ražošanas tehnoloģija patents Nr. LV15065. Turklāt kristālu ar diametru 300 mm audzēšanas ar izvilkšanas no kausējuma bez tīģeļa izmantošanas aprīkojums un tehnoloģijas nav pieejamas. Tādēļ stieņus ar diametru 300 mm ir lietderīgi izmantot izvilkšanas no kausējuma procesā, neizmantojot tīģeli kā pjedestālus, audzējot monokristālus ar diametru, kas ir ievērojami mazāks (līdz 3 reizēm) par pjedestāla diametru. Šādu tehnoloģiju principiāli var pielietot pjedestāliem ar diametru no 100 mm, tomēr pēdējos 50 gadus tā nav izmantota, jo izvilkšanas no kausējuma bez tīģeļa izmantošanas tehnoloģija vienmēr apsteidza Siemens sākotnējo stieņu ražošanas procesa tehnoloģiju. Izmantojot indukcijas sildīšanu, pastāv saikne starp aprīkojuma (indukcijas sildītāji, ekrāni utt.) izmēriem, t.i., audzēšanai izmantotās ierīces elementiem, pjedestāla diametru (Dp) un audzējamā monokristāla diametru (Dc).The object of this production is to obtain high-quality silicon mainly by extraction from a melt without the use of a crucible (FZ method or FZ method - floating zone method). This process is carried out by melting the original rod by the method of induction melting and crystallization of a single crystal whose diameter does not differ by more than 20% from the diameter of the original rod. In the traditional Siemens process, it is not possible to produce silicon primary bars with a diameter of 300 mm, therefore a new technology for the production of such bars was developed. LV15065. In addition, equipment and technology for growing crystals with a diameter of 300 mm with the use of crucible extraction without a crucible is not available. Therefore, it is useful to use rods with a diameter of 300 mm in the extrusion process without using the crucible as pedestals, growing single crystals with a diameter that is significantly smaller (up to 3 times) than the diameter of the pedestal. In principle, such technology can be applied to pedestals with a diameter of 100 mm, but it has not been used for the last 50 years, as the crucible-free extraction technology has always surpassed Siemens' original bar manufacturing process technology. When using induction heating, there is a relationship between the dimensions of the equipment (induction heaters, screens, etc.), i.e. the elements of the growing device, the pedestal diameter (Dp) and the diameter of the single crystal to be grown (Dc).

[003] Piedāvātā izgudrojuma mērķis ir izveidot dažāda diametra silīcija monokristālu audzēšanas no pjedestāla, neizmantojot tīģeli, aprīkojumu un procesu.It is an object of the present invention to provide silicon single crystals of various diameters for growing from a pedestal without the use of a crucible, equipment and process.

[004] Šāda procesa galvenā problēma ir nepilnīga pjedestāla (11) centrālās zonas (15) izkausēšana, kas parādīta 1. zīmējumā. Šī problēma parādās zonas (15) nepietiekamas uzsildīšanas dēļ, jo šajā zonā siltumu novada kausējumā (Q4) un pjedestālā (Q3), bet izkausētās zonas (Q1) pārkaršanas zonā siltumu pievada no induktora (5). Turklāt siltuma padeves palielināšana kausētajā zonā (Q1), rezultējas ar attāluma palielināšanos starp pjedestālu un induktoru, tamdēļ zonas centrālā daļa netiek uzsildīta. Viens no šīs problēmas risinājumiem ir avotā [1] aprakstītā induktora (5) izmantošana. Induktors palielina siltuma izdalīšanos izkausētās zonas centrā ar mazāku izkausētās zonas perifērijas uzsilšanu pateicoties induktora (5) centrālās virsmas novietojumam pēc iespējas tuvāk kausējumam. Šāda risinājuma galvenais trūkums ir nepietiekamā informācija par induktora ģeometriskajiem izmēriem. Ir zināma ierīce [2], kurā kausēšanas frontes formas vadīšanai tika izmantota sākotnējā kristāla sildīšana ar vairāku vijumu induktoru, kurš pieslēgts paralēli galvenajam induktoram. Aprakstā nav sniegta informācija par induktora stāvokli un pievadītās jaudas lielumu. Ir zināma ierīce [3], kuras mērķis ir ar kausēšanas induktoru vertikālā virzienā izdalītās jaudas koncentrēšana daudz šaurākā zonā, t.i., radiālā virzienā, kas kopumā uzlabo kausējuma šaurās zonas centrālās daļas sasildīšanu un attiecīgi uzlabo sākotnējā stieņa kušanu. Jaudas koncentrēšanas efektu panāk, izveidojot pretējo magnētisko lauku īsslēgtā gredzena iekšpusē, kurš kausēšanas induktora lauku kompensē zemāk no gredzena, un šajā vietā nenotiek sākotnējā stieņa uzsildīšana. Tomēr šādiem risinājumiem nav pieejama informācija par pjedestālu izmēru un īsslēgto gredzenu izmēru attiecību, kā arī par īsslēgtā gredzena pozīciju attiecībā pret kausēšanas induktoru. Par šādu datu svarīgumu liecina informācija, kas sniegta tehniskajā risinājumā [4], kurā ar īsslēgtā gredzena pārvietošanu vertikālā virzienā vada monokristāla koniskās daļas audzēšanas procesu.The main problem of such a process is the incomplete melting of the central area (15) of the pedestal (11) shown in Figure 1. This problem occurs due to insufficient heating of the zone (15), because in this zone heat is transferred to the melt (Q4) and pedestal (Q3), but in the overheating zone of the molten zone (Q1) heat is transferred from the inductor (5). In addition, increasing the heat supply in the molten zone (Q1) results in an increase in the distance between the pedestal and the inductor, so that the central part of the zone is not heated. One solution to this problem is to use the inductor (5) described in [1]. The inductor increases the heat dissipation in the center of the molten zone with less heating of the periphery of the molten zone due to the location of the central surface of the inductor (5) as close as possible to the melt. The main disadvantage of such a solution is insufficient information about the geometrical dimensions of the inductor. A device is known [2] in which the initial crystal heating with a multi-winding inductor connected in parallel to the main inductor was used to control the shape of the melting front. The description does not provide information about the condition of the inductor and the amount of power supplied. A device [3] is known which aims to concentrate the power dissipated by the melting inductor in the vertical direction in a much narrower zone, i.e. in the radial direction, which generally improves the heating of the central part of the melting narrow zone and consequently improves the melting of the original rod. The effect of power concentration is achieved by creating an opposite magnetic field inside the short-circuited ring, which compensates for the field of the melting inductor below the ring, and the original rod is not heated at this point. However, for such solutions, no information is available on the size ratio of the pedestals to the size of the shorted rings, nor on the position of the shorted ring relative to the melting inductor. The importance of such data is demonstrated by the information provided in the technical solution [4], in which the process of growing the conical part of the single crystal is controlled by moving the short-circuited ring in the vertical direction.

[005] Piedāvātā izgudrojuma tuvākais analogs ir metode [5], kas realizēta ierīcē [5], kas satur vakuuma kameru, dīgļa kristāla un sākotnēja kristāla turētājus, kausēšanas induktoru un fokusējošo spoli. Visi aprakstītie elementi tiek dzesēti ar ūdeni. Saskaņā ar izgudrojumu [5] monokristāla ar diametru 28 mm audzēšanas no tāda paša diametra pjedestāla kausēšanas induktora iekšējais diametrs ir 34-35 mm (induktora iekšējais diametrs tāpat kā risinājumos [2-4] ir lielāks par pjedestāla diametru). Fokusējošās spoles diametrs ir vienāds ar kausēšanas induktora iekšējo diametru. Fokusējošās spoles augšējā virsma atrodas aptuveni desmit milimetrus zemāk par kausēšanas induktora apakšējo virsmu. Turklāt fokusējošajai spolei šķērsgriezumā ir taisnstūra trapeces forma, kuras augšējā mala ir vienāda ar kausēšanas induktora ķermeņa izmēru (5 mm), bet apakšējā mala ir ar iekšējo diametru 34-35 mm, bet ārējais diametrs ir 127 mm. Monkokristāla audzēšanu, izmantojot dīgļa kristālu, veic kvarca ampulā. Procesu iesāk ar plāna kakliņa, kura diametrs ir mazāks par dīgļa kristāla diametru, audzēšanu. Procesu veic argona atmosfērā.The closest analogue of the present invention is a method [5] implemented in a device [5] comprising a vacuum chamber, germ crystal and original crystal holders, a melting inductor and a focusing coil. All described elements are cooled with water. According to the invention [5], the inner diameter of the melting inductor for growing a single crystal with a diameter of 28 mm from a pedestal of the same diameter is 34-35 mm (the inner diameter of the inductor is larger than the diameter of the pedestal as in solutions [2-4]). The diameter of the focusing coil is equal to the inside diameter of the melting inductor. The upper surface of the focusing coil is approximately ten millimeters below the lower surface of the melting inductor. In addition, the focusing coil has a rectangular trapezoidal cross-section with an upper edge equal to the body size of the melting inductor (5 mm) and a lower edge with an inner diameter of 34-35 mm and an outer diameter of 127 mm. The monocrystal is grown using a germ crystal in a quartz ampoule. The process begins with the cultivation of a thin neck with a diameter smaller than the diameter of the germ crystal. The process is performed under an argon atmosphere.

[006] Šīs metodes [5] trūkumi ir saiknes trūkums starp konstrukcijas elementu izmēriem un pjedestāla Dp un monokristāla Dc izmēriem, kā arī tas, ka process norisinās kvarca ampulā, izmantojot pjedestālu un monokristālu ar vienādiem diametriem, un arī kausēšanas induktoru, kura iekšējais diametrs ir lielāks par pjedestāla diametru. Proporcionāli palielinot aprakstīto elementu izmērus, aprakstīto procesu nav iespējams izmantot monokristālam, kura diametrs ir 50-60 mm. Turklāt fokusējošā spole koncentrē izkausētās zonas sildīšanu, bloķē pjedestāla virsmas sildīšanu, bet metodē [5] nav ass siltuma aizvada Q3 pjedestālā (11) kompensācijas elementu, kurš ir būtisks faktors, kas nosaka sliktu pjedestāla (11) centrālās zonas (15) kausēšanu.Disadvantages of this method [5] are the lack of a connection between the dimensions of the structural elements and the dimensions of the pedestal Dp and the single crystal Dc, as well as the fact that the process takes place in a quartz ampoule using the same pedestal and single crystal. is larger than the pedestal diameter. By proportionally increasing the size of the described elements, the described process cannot be used for a single crystal with a diameter of 50-60 mm. In addition, the focusing coil concentrates the heating of the molten area, blocks the heating of the pedestal surface, but the method [5] does not have a compensating element for the axis heat dissipation in the Q3 pedestal (11), which is a significant factor in poor melting of the pedestal (11).

Izgudrojuma mērķis un būtībaPurpose and essence of the invention

[007] Ar piedāvāto izgudrojumu tiek atrisināts silīcija monokristālu iegūšanas, izmantojot pjedestālu, uzdevums, turklāt monokristāla diametrs ir ievērojami mazāks par sākotnējo pjedestālu. Piedāvātā metode un ierīce ļauj ražot sākotnējus stieņus — pjedestālus — ar diametru 200 — 400 mm, kā rezultātā palielinās stieņu audzēšanas aprīkojuma ražīgums, samazinās pjedestālu cena, tādejādi samazinās silīcija monokristālu cena.The present invention solves the task of obtaining silicon single crystals using a pedestal, and the diameter of the single crystal is considerably smaller than the original pedestal. The proposed method and device allow to produce original bars - pedestals - with a diameter of 200 - 400 mm, as a result of which the productivity of bar growing equipment increases, the price of pedestals decreases, thus the price of silicon single crystals decreases.

[008] Tehniskais rezultāts ir tāds, ka silīcija monokristālus iegūst, izmantojot pjedestālu, kura diametrs ir ievērojami lielāks par augošā monokristāla diametru. Tā kā komerciālo monokristālu diametrs ir koncentrēts diapazonā 100 — 200 mm, tad sākotnējo stieņu — pjedestālu — ražošana var būt koncentrēta lielāko diametru diapazonā - 200 — 400 mm, ar to palielinot stieņu, ko izmanto kā pjedestālus, audzēšanas aprīkojuma ražīgumu, tādēļ samazinās pjedestālu cena un silīcija monokristālu cena, kuriem 50 % no pašizmaksas veido sākuma izejvielu cena.The technical result is that the silicon single crystals are obtained using a pedestal with a diameter significantly larger than the diameter of the growing single crystal. As the diameter of commercial single crystals is concentrated in the range of 100 - 200 mm, the production of the original rods - pedestals - can be concentrated in the range of larger diameters - 200 - 400 mm, thus increasing the productivity of rods used as pedestals. and the price of silicon single crystals, for which 50% of the cost price is the price of the raw material.

[009] Tehnisko rezultātu panāk tādēļ, ka silīcija kristālu audzēšanas ar indukcijas sildīšanu, neizmantojot tīģeli, metodē, kas ietver kristāla audzēšanu, veicot dīgļa kristāla pārvietošanu ar rotāciju uz augšu, izmanto sākotnējo stieni ar diametru, kas nav mazāks, bet gan 2 reizes lielāks par audzējamā kristāla diametru. Turklāt sākotnējais stienis - pjedestāls (11), kas ir izvietots zemāk par kausēšanas induktoru (5), uz augšu tiek padots ar rotāciju, bet augšējā daļā to aptver fokusējošā spole (7), bloķējot pjedestāla sānu virsmas papildus uzsildīšanu ar induktoru (5), un kura radiālā virzienā no tā (11) virsmas aizvada siltumu, bet zem spoles silda pjedestālu ar gredzenveida sildītāju (10). Turklāt induktora (5) iekšējais diametrs ir mazāks par pjedestāla diametru, slēgtās fokusējošās spoles (7) diametrs ir par 10-20 mm lielāks par pjedestāla diametru un spole (7) no kausēšanas induktora (5) zemākas plaknes ir uzstādīta attālumā L1, kur L1 = (0,08 — 0,15)*Dp, bet sildītājam (10) ir gredzenveida forma, un tas no slēgtās fokusējošās spoles (7) ir uzstādīts attālumā L2, kur L2 = (0,2 — 0,5)*Dp un uz pjedestāla virsmas veido sildīšanas gredzenu (12), turklāt sildītāja (10) augstums ir L3, kur L3 = (0,3 — 0,5)*Dp.[009] The technical result is obtained because the method of culturing silicon crystals by induction heating without using a crucible, which involves crystal growth by rotating the germ crystal upwards, uses an initial rod with a diameter of not less than but twice as large. on the diameter of the crystal to be grown. In addition, the initial rod - the pedestal (11), which is located below the melting inductor (5), is fed upwards, but in the upper part it is covered by the focusing coil (7), blocking additional heating of the pedestal side surface with the inductor (5), and which dissipates heat radially from its surface (11) but heats the pedestal with an annular heater (10) under the coil. In addition, the inner diameter of the inductor (5) is less than the diameter of the pedestal, the diameter of the closed focusing coil (7) is 10-20 mm larger than the diameter of the pedestal and the coil (7) is mounted at a distance L1 from the lower plane of the melting inductor (5), where L1 = (0.08 - 0.15) * Dp, but the heater (10) has an annular shape and is set at a distance L2 from the closed focusing coil (7), where L2 = (0.2 - 0.5) * Dp and forms a heating ring (12) on the surface of the pedestal, wherein the height of the heater (10) is L3, where L3 = (0.3 - 0.5) * Dp.

[010] Metodes būtība ir tāda, ka iekārtā ar augstfrekvences indukcijas sildīšanu, kurai ir vakuuma kamera (14) (1. zīmējums), pjedestāla (11) turētāji un dīgļa kristāls (1), kas ļauj veikt rotāciju un ass pārvietošanu (attēlā nav parādītas). Attālumā L1 zemāk no induktora (5) ir uzstādīta slēgta, ar ūdeni dzesējama fokusējošā spole (7), un attālumā L2 no slēgtās fokusējošās spoles (7) ir uzstādīts gredzenveida sildītājs (10), kura augstums ir L3. Ar sildītāju (10) uzsilda pjedestālu (11), siltuma izdalīšanos uz pjedestāla (11) virsmas koncentrējot gredzenā (12). Siltuma izdalīšanai ir jābūt pietiekamai, lai samazinātu ass siltuma aizvadīšanu (Q3), ko veic ar siltuma aizvadīšanas organizāciju, kas nosacīti apzīmēts ar (Q31), uz pjedestāla (11) centrālo zonu (15) (1. zīmējums.), šādi novēršot nepilnīgu kausēšanu.The essence of the method is that in a device with high-frequency induction heating, which has a vacuum chamber (14) (Figure 1), pedestal holders (11) and a germ crystal (1), which allows rotation and axis movement (not shown in the figure). shown). A closed, water-cooled focusing coil (7) is installed at a distance L1 below the inductor (5), and an annular heater (10) with a height of L3 is installed at a distance L2 from the closed focusing coil (7). The heater (10) heats the pedestal (11), concentrating the heat release on the surface of the pedestal (11) in the ring (12). The heat dissipation must be sufficient to reduce the heat dissipation (Q3) of the axle by the heat dissipation organization, conditionally denoted by (Q31), to the central zone (15) of the pedestal (11) (Figure 1), thus preventing incomplete melting.

[011] Apakšējā turētājā nostiprināto sākuma pjedestālu (11) no apakšas pievada induktoram (5), izkausē tā augšējo griezumu un izveido kausējumu (6). Dīgļa kristālu (1) savieno ar kausējuma (6) zonu un veic monokristāla (4) audzēšanu.The starting pedestal (11) fixed in the lower holder is fed to the inductor (5) from below, melts its upper section and forms a melt (6). The germ crystal (1) is connected to the area of the melt (6) and the single crystal (4) is grown.

[012] Turklāt zonai (12) pievadāmais siltums (Q2) izplatās uz siltuma aizvadu pa pjedestāla (11) virsmu uz augšu (Q21), uz leju (Q22) un radiāli (Q23). Siltuma plūsmas (Q21) un (Q23) veido rezultējošo siltumu, kas ir vērts pjedestāla (11) centrālās zonas (15) virzienā. Šādā veidā siltuma aizvadīšana (Q3) samazinās, kas 1. zīmējumā ir parādīta kompensējošas siltuma plūsmas (Q31) veidā. Turklāt slēgtā fokusējošā spole (7), veidojot siltuma aizvadu (Q5), bloķē induktora (5) veikto pjedestāla (11) virsmas sildīšanu un aizvada siltuma pārpalikumu (Q21), kas ir izdalīts sildīšanas zonā (12). Turklāt ar fokusējošo spoli (7) palielinātā siltuma aizvadīšana (Q5) ļauj palielināt induktora (5) siltuma izdalīšanos (Q1) un uzlabot kausējuma, un rezultātā, arī pjedestāla (11) centrālās zonas (15) uzsildīšanu.In addition, the heat (Q2) supplied to the zone (12) is distributed to the heat dissipation along the surface of the pedestal (11) upwards (Q21), downwards (Q22) and radially (Q23). The heat flows (Q21) and (Q23) generate the resulting heat, which is worth in the direction of the central area (15) of the pedestal (11). In this way, the heat dissipation (Q3) decreases, which is shown in Figure 1 as a compensating heat flow (Q31). In addition, the closed focusing coil (7) blocks the heating of the surface of the pedestal (11) by the inductor (5) by forming a heat output (Q5) and removes the excess heat (Q21) distributed in the heating zone (12). In addition, the removal of the increased heat (Q5) by the focusing coil (7) makes it possible to increase the heat dissipation (Q1) of the inductor (5) and to improve the heating of the melt and, consequently, the central area (15) of the pedestal (11).

Zīmējumu aprakstsDescription of drawings

[013] 1. zīmējumā ir attēlota metodes realizācija, proti, termiskās analīzes shematisks attēlojums;[013] Figure 1 shows an implementation of the method, namely a schematic representation of the thermal analysis;

[014] 2. zīmējumā ir attēlota iekārta ar augstfrekvences indukcijas sildīšanu (elementu izvietošanas shēma un termiskās analīzes shematisks attēlojums).[014] Figure 2 shows a device with high-frequency induction heating (scheme of element placement and schematic representation of thermal analysis).

Izgudrojuma īstenošanas piemērsExample of implementation of the invention

[015] Metodes realizēšanas veids. Sākotnējo pjedestālu (11) nostiprina iekārtas apakšējā turētājā (nav parādīts) ar augstfrekvences sildīšanu, ko pievada kausēšanas induktoram (5). Zemāk no induktora (5) attālumā L1 ir uzstādīta slēgta, ar ūdeni dzesējama fokusējošā spole (7). Ap pjedestālu (11) ir izvietots gredzenveida sildītājs (10). Mūsu realizētajā variantā sildītājs (10) bija izveidots no infrasarkanajām lampām, kas uzstādītas nesošajā korpusā (8), kas aprīkots ar fokusējošām lēcām (reflektoriem) (9). Fokusējošās lēcas (reflektori) (9) koncentrē lampu starojumu un uz pjedestāla virsmas (11) izveido sildīšanas gredzenu (12). Turklāt sildītāja (10) augstums ir L3, un tas izvietots attālumā L2 no slēgtās, ar ūdeni dzesējamās, fokusējošās spoles (7). Augšējā turētājā uzstāda dīgļa monokristālu (1) ar nepieciešamo kristalogrāfisko orientāciju. Kameru (14) aizver un iekārtā izveido tīra argona atmosfēru. Procesu veic argona plūsmā, ko padod caur nesošā korpusa (8) apakšējo daļu, šādā veidā izveidojot sildītāja (10) lampu appūšanu ar gāzi. Pēc tam ieslēdz sildītāja (10) barošanu un, rotējot, sakarsē pjedestālu (11) līdz pārejai vadāmības stāvoklī, pēc tam pjedestālu (11) sāk pārvietot uz augšu, pietuvinot kausēšanas induktora (5) apakšējam griezumam. Ieslēdz induktora (5) augstfrekvences barošanu un uz pjedestāla (11) augšēja griezuma izveido izkausētu zonu. Dīgļa kristālu (1) savieno ar kausējumu kausēšanas zonā (6) un, pēc dīgļa kristāla apkausēšanas, izaudzē smalku kakliņu (2). Augošā kristāla (4) diametru pakāpeniski palielina līdz uzdotajam diametram, izveidojot konusu (3). Sildītājam (10) padodamo jaudu piemeklē tā, lai izvairītos no izciļņa veidošanās pjedestāla (11) centrālajā zonā (15), kas varētu sasniegt augošo kristālu (4). Monokristāla cilindrisko daļu izvelk ar uzdoto ātrumu, kas proporcionāls pjedestāla (11) padeves ātruma diametru kvadrātu attiecībai. Pjedestālu (11) un monokristālu (1) rotē ar optimāliem ātrumiem.[015] Method of implementation of the method. The original pedestal (11) is mounted in the lower holder of the unit (not shown) by high-frequency heating supplied to the melting inductor (5). A closed, water-cooled focusing coil (7) is installed below the inductor (5) at a distance L1. An annular heater (10) is arranged around the pedestal (11). In our variant, the heater (10) was made of infrared lamps mounted in a support housing (8) equipped with focusing lenses (reflectors) (9). The focusing lenses (reflectors) (9) concentrate the lamp radiation and form a heating ring (12) on the pedestal surface (11). In addition, the height of the heater (10) is L3 and it is located at a distance L2 from the closed, water-cooled focusing coil (7). A germ single crystal (1) with the required crystallographic orientation is mounted in the upper holder. Close the chamber (14) and create a pure argon atmosphere in the apparatus. The process is carried out in a stream of argon fed through the lower part of the support housing (8), thus creating a gas blowing of the lamps of the heater (10). The power to the heater (10) is then turned on and, by rotating, the pedestal (11) is heated to the control position, then the pedestal (11) begins to move upward, approaching the lower section of the melting inductor (5). Switch on the high-frequency power supply to the inductor (5) and create a molten zone on the upper section of the pedestal (11). Connect the germ crystal (1) to the melt in the melting zone (6) and, after melting the germ crystal, grow a fine neck (2). The diameter of the growing crystal (4) is gradually increased to the set diameter by forming a cone (3). The power supplied to the heater (10) is selected so as to avoid the formation of a protrusion in the central area (15) of the pedestal (11), which could reach the growing crystal (4). The cylindrical part of the single crystal is pulled out at a set speed proportional to the ratio of the squares of the diameter of the feed speed of the pedestal (11). The pedestal (11) and single crystal (1) rotate at optimal speeds.

[016] Metodes realizācijas piemērs. Sākotnējo pjedestālu (11) ar diametru 200 mm un garumu 1,5 m nostiprina iekārtas apakšējā turētājā (nav parādīts) ar augstfrekvences sildīšanu, ko pievada pie kausēšanas induktora (5). Attālumu starp kausēšanas induktora apakšējo griezumu un pjedestāla (11) augšējo griezumu iestata 60 — 80 mm. Kausēšanas induktors (5) ar iekšējo diametru 130 mm un ārējo diametru 240 mm un biezumu 5 mm shematiski ir parādīts 2. zīmējumā. Attālumā 20 mm virzienā zemāk no induktora (5) ir uzstādīta ar ūdeni dzesējama fokusējošā spole (7) ar augstumu 12 mm un diametru 215x245 mm. Apkārt pjedestālam (11) ir izvietots gredzenveida sildītājs (10), kas sastāv no infrasarkanajām lampām, nesošā korpusa (8), kas ir aprīkots ar fokusējošām lēcām (reflektoriem) (9). Korpusa (8) iekšējais diametrs ir 260 mm. Korpusā (8) ir uzstādīts sildītājs (10), kas sastāv no 12 vienmērīgi izvietotām lampām ar katras lampas jaudu 1 kW, kuras sildīšanas iecirknis ir ar augstumu 63 mm. Fokusējošā lēca (reflektors) (9) sildīšanu koncentrē joslā (12), kas izvietota 50 — 90 mm zemāk no īsslēgtā gredzena (7) apakšējā griezuma. Sildītāja (10) barošanu laideni regulē nepieciešamajā diapazonā. Sildītāja (10) lampu cokoli atrodas ārpus nesošā korpusa (8) aploces (nav parādīti).[016] Example of method implementation. The original pedestal (11) with a diameter of 200 mm and a length of 1.5 m is fixed in the lower holder of the unit (not shown) by high-frequency heating supplied to the melting inductor (5). The distance between the lower section of the melting inductor and the upper section of the pedestal (11) is set at 60 - 80 mm. The melting inductor (5) with an inner diameter of 130 mm and an outer diameter of 240 mm and a thickness of 5 mm is shown schematically in Figure 2. A water-cooled focusing coil (7) with a height of 12 mm and a diameter of 215x245 mm is installed at a distance of 20 mm below the inductor (5). A ring heater (10) consisting of infrared lamps, a support housing (8) equipped with focusing lenses (reflectors) is arranged around the pedestal (11). The inner diameter of the housing (8) is 260 mm. A heater (10) is installed in the housing (8), which consists of 12 evenly spaced lamps with a power of 1 kW each, with a heating section with a height of 63 mm. The heating of the focusing lens (reflector) (9) is concentrated in a band (12) located 50 to 90 mm below the lower section of the shorted ring (7). The supply of the heater (10) is smoothly adjusted to the required range. The lamp caps of the heater (10) are outside the perimeter of the support housing (8) (not shown).

[017] Augšējā turētājā uzstāda dīgļa monokristālu (1) ar nepieciešamo kristalogrāfisko orientāciju. Kameru (14) aizver un vairākas reizes piepilda ar argonu. Procesā saskaņā ar šo izgudrojumu piepildīšana ar argonu tiek veikta 3 reizes. Argonu aizvāc kopā ar gaisa paliekām, līdz iekārtā tiek panākta tīra argona atmosfēra. Procesu veic argona plūsmā, veicot tā padošanu caur nesošā korpusa apakšdaļu (8) un izveidojot sildītāja (10) infrasarkano lampu appūšanu ar gāzi.[017] A germ single crystal (1) with the required crystallographic orientation is mounted in the upper holder. Close the chamber (14) and fill it several times with argon. In the process according to the present invention, the filling with argon is performed 3 times. The argon is removed together with the air residue until a clean argon atmosphere is achieved in the plant. The process is carried out in a stream of argon by feeding it through the lower part (8) of the support housing and creating a gas blowing of the infrared lamps of the heater (10).

[018] Pec argona atmosfēras izveidošanas iekārtas kamera (14), iesledz sildītāja (10) barošanu un, rotējot, uzsilda pjedestālu (11) līdz temperatūrai, kas nav zemāka par 600 °С (sarkankvēle). Pēc tam pjedestālu (11) sāk pārvietot uz augšu, kamēr ar to sasniedz 5-7 mm attālumu līdz kausēšanas induktora (5) apakšējam griezumam. Ieslēdz induktora (5) augstfrekvences barošanu un uz pjedestāla (11) augšējā griezuma izveido izkausētu zonu (6). Ar ātrumu 15-30 apgr./min. rotējošo dīgļa kristālu (1) nolaiž, savieno ar kausējuma zonu (6), un pēc dīgļa kristāla (1) apkausēšanas izaudzē smalku kakliņu (2) ar diametru, kas ir mazāks par dīgļa kristāla (1) diametru un ar garumu 30 — 100 mm, līdz dislokāciju izvadīšanas. Pakāpeniski palielina augošā kristāla (4) diametru, veidojot konusu (3) līdz diametram 100 mm ar dīgļa kristāla vertikālās pacelšanas ātrumu 1-3 mm/min. Sildītājam (10) padodamo jaudu piemeklē tā, lai izvairītos no izciļņa veidošanās pjedestāla (11) centrālajā zonā (15), kas varētu sasniegt augošo kristālu (4). Aprakstītajā procesā uz induktoru (5) padeva 17,5 kW jaudu, bet uz sildītāju (10) 5,4 kW jaudu. Augošo monokristālu (4) izvilka ar ātrumu 3 mm/min pie rotācijas ātruma 7 apgr./min; pjedestālu (11) padeva ar ātrumu 0,75 mm/min pie rotācijas ātruma 0,3 apgr./min. Rezultātā tika izaudzēts monokristāls (4) ar garumu 1,2 m.After generating the argon atmosphere, the chamber (14) turns on the power to the heater (10) and, by rotating, heats the pedestal (11) to a temperature not lower than 600 ° С (red heat). The pedestal (11) is then started to move upwards until it reaches a distance of 5-7 mm to the lower section of the melting inductor (5). Switch on the high-frequency power supply to the inductor (5) and create a molten zone (6) on the upper section of the pedestal (11). At a speed of 15-30 rpm. lower the rotating germ crystal (1), connect it to the melt zone (6), and after melting the germ crystal (1) grow a fine neck (2) with a diameter smaller than the diameter of the germ crystal (1) and a length of 30 - 100 mm , until the dislocation is removed. Gradually increase the diameter of the growing crystal (4) by forming a cone (3) up to a diameter of 100 mm with a vertical lifting speed of the germ crystal of 1-3 mm / min. The power supplied to the heater (10) is selected so as to avoid the formation of a protrusion in the central area (15) of the pedestal (11), which could reach the growing crystal (4). In the described process, 17.5 kW of power was supplied to the inductor (5) and 5.4 kW to the heater (10). The growing single crystal (4) was pulled out at a speed of 3 mm / min at a rotational speed of 7 rpm; the pedestal (11) is fed at a speed of 0.75 mm / min at a rotational speed of 0.3 rpm. As a result, a single crystal (4) with a length of 1.2 m was grown.

[019] Pēc tam pjedestāla (11) pārvietošanas ātrumu samazināja līdz 0,6 mm/min, izveidoja apgrieztu konusu (nav parādīts) un izaudzēto kristālu atrāva no kausējuma (6). Jaudu, ko padeva uz sildītāju (10) palielināja līdz 9 kW, bet uz induktoru (5) padoto jaudu samazināja līdz 10 kW, un ieslēdza pjedestāla (11) pārvietošanu uz leju. Pjedestālu (11) pārvietoja uz leju tik daudz, kamēr attālums no kristalizētā silīcija līdz induktoram (5) nebija sasniedzis 70 mm. Pēc tam uz sildītāju (10) padoto jaudu 60 minūšu laikā laideni samazināja līdz 0. Tika izlietoti 350 mm pjedestāla (11). Izaudzēto bezdislokāciju monokristālu izkrāva, pēc ka procesu atkārtoja. Kopumā no viena pjedestāla (11) tika izaudzēti četri monokristāli ar garumu 1,1 — 1,2 metri (neņemot vērā konusu un smalka kakliņa garumu).The movement speed of the pedestal (11) was then reduced to 0.6 mm / min, an inverted cone was formed (not shown), and the grown crystal was removed from the melt (6). The power supplied to the heater (10) was increased to 9 kW and the power supplied to the inductor (5) was reduced to 10 kW, and the pedestal (11) was moved down. The pedestal (11) was moved down until the distance from the crystallized silicon to the inductor (5) reached 70 mm. The power supplied to the heater (10) was then smoothly reduced to 0 within 60 minutes. A 350 mm pedestal (11) was used. The grown non-dislocating single crystal was unloaded after the process was repeated. In total, four single crystals with a length of 1.1 - 1.2 meters (excluding the length of the cone and fine neck) were grown from one pedestal (11).

[020] Metodes realizācijai izmanto iekārtu ar tehnoloģisko vakuuma kameru (14) un indukcijas sildīšanu caur induktoru (5), kura barošanu veic ar frekvenci, kas augstāka par 1 MHz. Kamera (14) ir aprīkota ar dīgļa kristāla (1) turētāju, kas ļauj veikt vertikālu pārvietošanu un rotāciju (nav parādīts), un ar pjedestāla (11) turētāju, kas arī ļauj veikt vertikālu pārvietošanu un rotāciju (nav parādīts). Tehnoloģiskajā kamerā (14) zemāk no kausēšanas induktora (5) attālumā L1 ir uzstādīta slēgta ar ūdeni dzesējama fokusējošā spole (7). Zemāk no fokusējošās spoles (7) attālumā L2 ir uzstādīts pjedestāla (11) sildītājs (10) ar augstumu L3, kas nostiprināts korpusā (8). Turklāt lielumu L1 izvēlas no diapazona (0,08 — 0,12)*Dp; L2 ir (0,2 — 0,5)*Dp, bet sildītājam (10) gredzenveida forma. Aprakstītajā piemērā tas ir izveidots uz infrasarkano lampu bāzes. Lampas ir uzstādītas korpusā (8), kas ir aprīkots ar reflektoriem (9). Sildītāja (10) augstums L3 ir (0,3 — 0,5)*Dp.[020] The method is implemented using a device with a technological vacuum chamber (14) and induction heating through an inductor (5), which is supplied with a frequency higher than 1 MHz. The chamber (14) is equipped with a germ crystal holder (1) that allows vertical movement and rotation (not shown) and a pedestal holder (11) that also allows vertical movement and rotation (not shown). A closed water-cooled focusing coil (7) is installed in the process chamber (14) below the melting inductor (5) at a distance L1. A pedestal heater (10) with a height L3 fixed in the housing (8) is mounted below the focusing coil (7) at a distance L2. In addition, the value of L1 is selected from the range (0.08 - 0.12) * Dp; L2 is (0.2 - 0.5) * Dp, but for the heater (10) it has an annular shape. In the example described, it is based on infrared lamps. The lamps are mounted in a housing (8) equipped with reflectors (9). The height L3 of the heater (10) is (0.3 - 0.5) * Dp.

Informācijas avotiSources of information

[1] “Germānija kristāla beztīģeļa vilkšana” (“Crucible-free Crystal Pulling of Germanium”, Michael Wūnscher, Helge Riemann, Birgit Hallmann-Seifert, Anke Lūdge, Leibnica kristālu audzēšanas institūts (Leibniz-Institut for Crystal Growth), Berlīne/Vācija, Zinātniskais seminārs par germānija detektoru pielietošanu Tsinghua universitātes fundamentālajos pētījumos, Pekina/Ķīna, 2011. gada 23.-30. marts; Otrais izdevums, 2, 241.-279.lpp.;[1] "Crucible-free Crystal Pulling of Germanium", Michael Wunscher, Helge Riemann, Birgit Hallmann-Seifert, Anke Ludge, Leibniz-Institut for Crystal Growth, Berlin / Germany , Scientific Seminar on the Application of Germanium Detectors in Basic Research at Tsinghua University, Beijing / China, March 23-30, 2011, Second Edition, 2, pp. 241-279;

[2] ASV patents Nr. US3494742 (pieteikuma datums 23.12.1968);[2] U.S. Pat. US3494742 (filing date 23.12.1968);

[3] ASV patents Nr. US3108169 (prioritātes datums 14.08.1959);[3] U.S. Pat. US3108169 (priority date 14.08.1959);

[4] ASV patents Nr. US3935059 (pieteikuma datums 28.06.1972);[4] U.S. Pat. US3935059 (filed June 28, 1972);

[5] ASV patents Nr. US3275417 (pieteikuma datums 15.10.1963).[5] U.S. Pat. US3275417 (filing date 15.10.1963).

Claims

A method for growing a silicon crystal, without a crucible, comprising growing the crystal (1) by induction melting of a pedestal (11), connecting a germ crystal (1) disposed above a pedestal (11) having a diameter not less than the diameter of the crystal to be grown. with the melting zone (6), and moving the crystal (1) and the pedestal (11) by rotating upwards, characterized in that an annular cooling zone is formed on the pedestal (11) below the melting zone (6) and an annular cooling zone is formed below the cooling zone. heating zone.

A crystal growth apparatus comprising a vacuum chamber equipped with an upper germ crystal holder and a lower pedestal holder (11), both holders allowing rotation and axial movement, an inductor (5) and a closed focusing coil (7) formed of electrically conductive material and located below the inductor (5), all of which are subjected to forced cooling with water, characterized in that an annular heater (10) is mounted below the closed focusing coil (7), and the inductor is (5) the inner diameter is smaller than the diameter of the pedestal (11).

Apparatus according to claim 2, characterized in that the closed focusing coil (7) with a diameter of 10 to 20 mm larger than the diameter of the pedestal (11) is mounted at a distance L1, where L1 = (0.08- 0.12) * Dp from the lower plane of the melting inductor (5).

Apparatus according to claims 2 and 3, characterized in that the annular heater (10) has a height L3, where L3 = (0.3 - 0.5) * Dp, and is installed below the closed the focusing coil (7) at a distance from the focusing coil (7) corresponding to L2, where L2 = (0,2 - 0,5) * DP.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the annular heater (10) consists of infrared lamps which are blown with argon.