LV15636B - Silīcija kristālu audzēšanas paņēmiens - Google Patents

Abstract

Izgudrojums atklāj silīcija kristālu audzēšanas ar indukcijas sildīšanu, neizmantojot tīģeli, paņēmienu, kas ietver kristāla audzēšanu, pārvietojot ierosinājuma kristālu ar rotāciju uz augšu, izmantojot pjedestālu ar diametru, kas ir lielāks par audzējamā kristāla diametru. Turklāt pjedestāls atrodas zem kausēšanas induktora, tiek padots uz augšu ar rotāciju, un augšējā daļā ir aptverts ar fokusējošo spoli, bet zem spoles ir uzstādīts papildu sildītājs, kas silda pjedestālu. Izmantojot sildītājus, uz pjedestāla virsmas nodrošina temperatūras gradientu. Piedāvātais izgudrojums ļauj izmantot monokristālu audzēšanai sākotnējos stieņus - pjedestālus ar diametru 200 līdz 400 mm, kā rezultātā samazinās pjedestālu cena un, tādējādi, samazinās silīcija monokristālu cena.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecas uz silīcija rūpniecisko ražošanu, piemēram, spēka mikroelektronikai, ieskaitot spēka pusvadītāju ierīču ražošanai kā diodes, tiristori utt.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Šī paņēmiena uzdevums ir iegūt augstas kvalitātes silīciju galvenokārt ar izvilkšanas no kausējuma metodi¹, neizmantojot tīģeli. Šādu procesu veic, izkausējot sākotnējo stieni ar indukcijas kausēšanas metodi, un kristalizējot monokristālu, kura diametrs no sākotnējā stieņa diametra atšķiras ne vairāk kā par 20 %. Sakarā ar to, ka nav iespējams ražot sākotnējus silīcija stieņus ar diametru 300 mm tradicionālajā Siemens procesā, tika izstrādāta jauna tādu stieņu ražošanas tehnoloģija, respektīvi, tehnoloģija, kas aprakstīta patentā Nr. LV15065. Turklāt monokristālu, kuru diametrs ir 300 mm, audzēšanas iekārtu un tehnoloģiju, izmantojot izvilkšanas no kausējuma metodi, neizmantojot tīģeli, pagaidām nav. Šāda tehnoloģija ir potenciāli pielietojama pjedestāliem ar diametriem no 100 mm, bet pēdējo 50 gadu laikā tā nav praktiski pielietota sakarā ar to, ka izvilkšanas no kausējuma tehnoloģijas attīstība, neizmantojot tīģeli, vienmēr ir apsteigusi sākotnējo stieņu ražošanas Siemens procesa tehnoloģiju.

[003] Šī izgudrojuma mērķis ir izveidot procesu dažāda diametra silīcija monokristālu audzēšanai no pjedestāla, neizmantojot tīģeli.

[004] Šāda procesa pamatproblēma ir nepilnīga pjedestāla (1) centrālās zonas izkausēšana , paradīts 1. zīmējumā. Šī problēma rodas pjedestāla (1) centrālās zonas nepietiekamās uzsildīšanas dēļ, jo šajā zonā siltumu novada pjedestālā (1) (siltuma plūsmas virziens apzīmēts ar (Q1)), bet pievada tikai caur kausējumu (siltuma plūsmas virziens apzīmēts ar (Q2)) no izkausētās zonas pārkāršanas vietas no induktora (3) (siltuma plūsmas virziens apzīmēts ar Q3). Turklāt, ja tiek izmantots tikai induktors (3), siltuma padeves palielināšanās izkausētajā zonā (siltuma plūsma (Q3)) palielina attālumu starp pjedestālu (1) un induktoru (3) ), un zonas centrālā daļa nesasilst.

[005] Ir zināms silīcija kristālu audzēšanas paņēmiens un iekārta paņēmiena realizēšanai saskaņā ar patentu Nr. LV15452. Patents Nr. LV15452 ir izvēlēts kā pieteiktā izgudrojuma prototips. Iegūstot silīcija monokristālus, izmantojot pjedestālu, monokristāla diametrs ir 'Ar FZ metodi (FZ - floating zone) ievērojami mazāks nekā sākotnējais pjedestāls. Šim nolūkam silīcija kristālu audzēšanas paņēmienā ar indukcijas sildīšanu, neizmantojot tīģeli, ieskaitot kristāla audzēšanu, pārvietojot ierosinājuma kristālu ar rotāciju uz augšu, saskaņā ar prototipu, tiek izmantota iekārta, kas ietver kausēšanas induktoru, fokusējošo spoli un papildu sildītāju. Turklāt sākotnējais stienis pjedestāls (1) atrodas zem kausēšanas induktora (3), un tiek padots uz augšu ar rotāciju, un augšējā daļā to aptver fokusējošā spole (4). Zem spoles (4) ir uzstādīts papildu sildītājs (5), kurš silda pjedestālu (1). Apstrādājot pjedestālu ar diametru 200 mm sildītajam (5) ir gredzena forma un augstums 60-100 mm. Izgudrojuma izmantošanas rezultātā, izmantojot fokusējošo spoli (4) un papildu sildītāju (5), ir iespējams samazināt siltuma plūsmas (Ql) daudzumu pjedestālā un pjedestāla kausēšanas frontes līnija (parādīta uz 1. zīmējuma ar līkni ar šķērssvītrām) pārvietojas no punkta (2) uz punktu (2¹), (parādīts ar oranžo līkni). Tas samazina iespēju saskarties pjedestāla (1) kušanas virsmai un monokristāla (6) augošai virsmai. Tomēr procesa laikā, palielinoties augšanas ālrumam, palielinās arī pjedestāla padeves ātrums, līdz ar to palielinās siltuma plūsma (Ql), un kausēšanas frontes forma atkal cenšas atgriezties stāvoklī, kas apzīmēts ar (2). Tādējādi liela diametra monokristālu audzēšanas no pjedestāla problēma patentā Nr. LV 15452 ir tikai daļēji atrisināta, un, palielinoties augšanas ātrumam līdz vērtībai, kas nepieciešama ekonomiski lietderīgai rūpnieciskai ražošanai, procesa ārkārtas izbeigšanas varbūtība strauji palielinās. Minētais ir paņēmiena, kas aprakstīts patentā Nr. I,VI5452, trūkums.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[006] Tādējādi uzdevums ir stabilizēt kausēšanas frontes līniju pozīcijā, kas apzīmēta (2^!). Eksperimentāli tika konstatēts, ka veids, kā panākt pozitīvu efektu, ir izveidot temperatūras gradientu TG¹ pjedestālā (1) zonā no kausēšanas frontes redzamās robežas uz leju 120-140 mm attālumā 10-18 °C/cm izmērā. Šajā gadījumā pjedestāla (1) padeves darbības ātrumu diapazonā 0,5-1,0 mm/min temperatūras gradients TG¹ svārstās norādītajā diapazonā, un procesi ar pjedestāla (1) kausējamās virsmas saskari ar monokristāla (6) augšanas virsmu netika novēroti. [007] Tehnisko rezultātu panāk tādēļ, ka silīcija monokristālus iegūst, izmantojot pjedestālu (1), kura diametrs ir būtiski lielāks nekā augošais monokristāls (6). Tā kā komerciālo monokristālu diametrs ir koncentrēts diapazonā no 100 līdz 200 mm, sākotnējo stieņu pjedestālu ražošanu var koncentrēt lielākajos diametros - no 200 līdz 400 mm, kas palielina stieņu, ko izmanto kā pjedestālus, audzēšanas aprīkojuma ražīgumu un rezultātā samazinās pjedestālu un silīcija monokristālu cenas, kuru pašizmaksā izejvielu cena ir aptuveni 50 %.

[008] Tehniskais rezultāts tiek panākts ar to, ka silīcija kristālu audzēšanas paņēmienā ar indukcijas sildīšanu, neizmantojot tīģeli, kas iekļauj kristālu audzēšanu, pārvietojot ierosinājuma kristālu ar rotāciju uz augšu, izmanto sākotnējo stieni ar diametru ne mazāku, bet galvenokārt 2 reizes lielāku nekā audzējamā kristāla diametrs. Turklāt sākotnējais stienis pjedestāls (1) atrodas zem kausēšanas induktora (3), tiek padots uz augšu ar rotāciju, un augšējā daļā ir aptverts ar fokusējošo spoli (4), bet zem spoles (4) ir uzstādīts papildu sildītājs (5), kas silda pjedestālu (1). Saskaņā ar piedāvāto izgudrojumu, uz pjedestāla (1) virsmas no redzamās kausēšanas frontes robežas (2²) 120-140 mm garumā tiek nodrošināts temperatūras gradients diapazonā 12-15 °C/cm.

[009] Paņēmiena būtība ir tāda, ka, audzējot silīcija kristālus ar indukcijas sildīšanu, neizmantojot tīģeli, pjedestāls (1), kura diametrs 2 vai vairāk reizēs pārsniedz audzētā kristāla diametru, atrodas zem kausēšanas induktora (3), tiek padots uz augšu ar rotāciju un augšējā daļā ir aptverts ar fokusējošo spoli (4), un zem spoles (4) ir uzstādīts papildu sildītājs (5), kas uzsilda pjedestālu (1). Pjedestāla (1) (2. zīmējums, kreisajā pusē) sildīšanas zonu palielina. Izmantojot sildītāju (5) un/vai papildu sildīšanas avotus, uz pjedestāla (1) virsmas no kausēšanas frontes redzamās robežas, kas apzīmēta (2²), uz 120-140 mm garā posmā nodrošina temperatūras gradientu diapazonā 10-18 °C/cm, kā ir parādīts 2. zīmējumā ( labajā pusē). Turklāt centrālajā daļā kausēšanas fronte pārvietojas no pozīcijas (2) uz pozīciju (2¹), dziļāk kausējumā. Tas ir skaidri redzams 2. zīmējumā attiecībā pret salīdzinājuma līniju (8).

Izgudroļuma īstenošanas piemēri

[010] Paņēmiena realizēšanas veids. Sākotnējais pjedestāls (1) tiek piestiprināts pie iekārtas apakšējā turētāja (iekārta un tās elementi nav parādīti zīmējumos) ar augstfrekvences sildīšanu, kas tiek padota kausēšanas induktoram (3). Zem induktora (3) ir uzstādīta fokusēšanas spole (4) un gredzenveida sildītājs (5). Augšējā turētājā uzstāda vajadzīgas kristālogrāfiskas orientācijas ierosinājuma kristālu (6). Iekārtu aizver un veido tajā tīrā argona atmosfēru. Procesu veic argona plūsmā, ko padod caur gredzenveida sildītāja (5) apakšējo daļu, tādējādi radot sildītāja (5) appūti ar gāzi. Tālāk ieslēdz sildītāju (5), un rotējot sakarsē pjedestālu (11) līdz pārejai vadāmības stāvoklī, pēc tam pjedestālu (1) sāk pārvietot uz augšu, pietuvinot kausēšanas induktora (3) apakšējam griezumam. Ieslēdz induktora (3) augstfrekvences maiņstrāvu un uz pjedestāla (1) augšēja griezuma izveido izkausētu zonu. Ierosinājuma kristālu savieno ar kausējumu un sāk monokristāla audzēšanu. Kā sildītāju (5) var izmantot infrasarkanās lampas, kas uzstādītas nesēja korpusā, kas ir aprīkots ar fokusējošiem reflektoriem. Fokusējošie reflektori koncentrē lampu starojumu un izveido sildīšanas gredzenu (7) uz pjedestālā (1) virsmas. Ka sildītāju (5) var izmantot ari citas iences, piemēram, indukcijas sildītājs vai lāzers, ar kuru pjedestāls tiek uzkarsēts, ar staru skenējot pjedestāla (1) virsmu, ka arī tiek pieļauta kombinēto sildīšanas avotu izmantošana Sildītājam (5) un/vai papildu sildīšanas ierīcēm piegādāto jaudu izvēlas tā, lai izveidot temperatūras gradientu TG¹, kas ir vienāds ar 10-18 °C/cm, uz pjedestāla (1) virsmas posma 120-140 mm garumā no redzamās kausēšanas frontes robežas. Šim nolūkam ar pirometru mēra temperatūru zem sildītāja (5) apakšējā griezuma 120-140 mm attālumā no kausēšanas frontes redzamās robežas. [011] Izgudrojuma realizācijas piemērs. Sākotnējo pjedestālu (1), kura diametrs ir 200 mm un garums 1,5 m, nostiprina iekārtas apakšējā turētājā (nav parādīts) ar augstfrekvences sildīšanu, kas tiek padota uz kausēšanas induktoru (3). Starp kausēšanas induktora apakšējo griezumu un pjedestāla (1) augšējo griezumu ir iestatīts attālums 60-80 mm. Paņēmiena realizācijai izmanto kausēšanas induktoru (3) ar iekšējo diametru 130 mm, ārējo diametru 240 mm un biezumu 5 mm. Attālumā 20 mm virziena zem induktora (3) ir uzstādītā fokusējoša spole (4), kuras augstums ir 12 mm un diametrs 215x245 mm. Apkārt pjedestālam (1) ir gredzena sildītājs (5), kas sastāv no nesēja korpusa un 12 infrasarkanām lampām ar fokusējošām lēcām (reflektoriem). Lampu kvēldiega garums ir 100 mm. Sildītāju (5) var pakāpeniski regulēt vajadzīgajā diapazonā.

[012] Augšējā turētājā uzstāda nepieciešamās kristalografiskas orientācijas ierosinājuma monokristālu (nav parādīts). Kameru (nav parādīta) aizver un daudzkārt piepilda ar argonu, kas tiek aizvākts kopā ar gaisa paliekām, līdz iekārtā tiek panākta tīra argona atmosfēra. Procesu veic argona plūsmā, veicot tā padošanu caur sildītāja korpusa apakšdaļu (5), izveidojot infrasarkano lampu appūšanu ar gāzi. Procesā saskaņā ar šo izgudrojumu piepildīšana tiek veikta 3 reizes.

[013] Pēc argona atmosfēras izveidošanas iekārtas kamerā ieslēdz sildītāju (5), un rotējot uzsilda pjedestālu (1) līdz temperatūrai, kas nav zemāka par 600 °C (sarkankvēle). Pēc tam pjedestālu (1) sāk pārvietot uz augšu, kamēr ar to sasniedz 5-7 mm attālumu līdz kausēšanas induktora (3) apakšējam griezumam. Ieslēdz induktora (3) augstfrekvences maiņstrāvu un uz pjedestāla (1) augšējā griezuma izveido izkausētu zonu, turklāt veidojas kausēšanas frontes redzamā robeža, kas apzīmēta ar (2²). Ar ātrumu 15-30 apgr./min. rotējošo ierosinājuma kristālu (1) nolaiž, savieno to ar kausējuma zonu un pēc ierosinājuma kristāla apkausēšanas sāk audzēt monokristālu. Sildītājam (5) padodamo jaudu piemeklē tā, lai temperatūra uz pjedestāla (1) virsmas 120-140 mm attālumā no kausēšanas frontes būtu 1200 -1280°C, proti, temperatūras gradients šajā pjedestāla virsmas zonā sastāda 10-18 °C/cm (t.i., temperatūra pie kausēšanas frontes redzamās robežas, ko apzīmē ar (2²), ir 1420 °C, kas ir silīcija kušanas temperatūra). Aprakstītajā procesā uz induktoru (3) padeva 17,5 kW jaudu, bet uz sildītāju (5) 6,4 kW jaudu. Augošo monokristālu (6) izvilka ar ātrumu 3 mm/min pie rotācijas ātruma 7 apgr./min; pjedestālu (1) padeva ar ātrumu 0,75 mm/min pie rotācijas ātruma 0,3 apgr./min. Rezultātā tika izaudzēts monokristāls (6) ar garumu 1,2 m.

[014] Pēc tam pjedestāla (1) pārvietošanas ātrumu samazināja līdz 0,6 mm/min, izveidoja apgrieztu konusu (nav parādīts) un izaudzēto kristālu (6) atrāva no kausējum. Jaudu, ko padeva uz sildītāju (5) palielināja līdz 9 kW, bet uz induktoru (3) padoto jaudu samazināja līdz 10 kW, un ieslēdza pjedestāla (1) pārvietošanu uz leju. Pjedestālu (1) pārvietoja uz leju tik daudz, kamēr attālums no kristalizētā silīcija līdz induktoram (3) nebija sasniedzis 70 mm. Pēc tam uz sildītāju (5) padoto jaudu 60 minūšu laikā laideni samazināja līdz 0. Tika izlietoti 350 mm pjedestāla (1). Izaudzēto bezdislokāciju monokristālu (6) izkrāva, pēc ka procesu atkārtoja. Kopumā no viena pjedestāla (1) tika izaudzēti četri monokristāli ar garumu 1,1-1,2 metri (neņemot vērā konusu un smalka kakliņa garumu).

[015] Zīmējumu apraksts:

1. zīmējumā ir attēlota paņēmiena realizācija, proti, termiskās analīzes shematisks attēlojums; 2. zīmējumā ir attēlota prototipa un piedāvātā paņēmiena termisko apstākļu salīdzinošā analīze.

Claims (1)

1. Silīcija kristālu audzēšanas paņēmiens ar indukcijas karsēšanu, bez tīģeļa, kas ietver monokristāla (6) audzēšanu, pārvietojot ierosinājuma kristālu ar rotāciju uz augšu, pjedestāla (1), kura diametrs ir lielāks par audzējamā monokristāla (6) diametru, izmantošanu, kas ir izvietots zemāk par kausēšanas induktoru (3) aptverts ar fokusējošu spoli (4), un uzsildīts ar gredzenveida sildītāju (5), kas atšķiras ar to, ka uz pjedestāla (1) virsmas posma, ar garumu no 120 līdz 140 mm, virzienā uz leju no redzamās kausēšanas frontes robežas, tiek uzturēts temperatūras gradients TG^!, kas ir vienāds ar 10-18 °C/cm.