RU2324017C1 - Process to manufacture silicon hollow monocrystals - Google Patents
Process to manufacture silicon hollow monocrystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2324017C1 RU2324017C1 RU2006130926/15A RU2006130926A RU2324017C1 RU 2324017 C1 RU2324017 C1 RU 2324017C1 RU 2006130926/15 A RU2006130926/15 A RU 2006130926/15A RU 2006130926 A RU2006130926 A RU 2006130926A RU 2324017 C1 RU2324017 C1 RU 2324017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- single crystal
- growing
- silicon
- monocrystal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области цветной металлургии, занимающейся получением профилированных монокристаллов различных материалов различного назначения. Изобретение, в частности, позволяет получать полые (трубчатые) бездислокационные монокристаллы кремния высокой чистоты и совершенства, на основе которых могут изготавливаться полупроводниковые приборы нового поколения.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy engaged in the production of profiled single crystals of various materials for various purposes. The invention, in particular, allows to obtain hollow (tubular) dislocation-free silicon single crystals of high purity and perfection, on the basis of which new-generation semiconductor devices can be manufactured.
Известен способ Степанова [1], в котором профилированные кристаллы, в том числе полые, получают вытягиванием из расплава с использованием специального формообразователя. В настоящее время способ Степанова является, практически, единственным, позволяющим вырастить полые монокристаллы.The known method of Stepanov [1], in which shaped crystals, including hollow, are obtained by drawing from the melt using a special shaper. Currently, Stepanov’s method is practically the only one that allows one to grow hollow single crystals.
Недостатками этого способа являются контакт формообразователя с расплавом, что вносит возможность загрязнения выращиваемого кристалла, и достаточно сложная конструкция технологического устройства. Сложность теплового узла не всегда позволяет создавать условия выращивания качественных монокристаллов. В частности, таким способом не удается получать полые (трубчатые) бездислокационные монокристаллы кремния высокой чистоты.The disadvantages of this method are the contact of the former with the melt, which makes it possible to contaminate the grown crystal, and a rather complicated design of the technological device. The complexity of the thermal unit does not always allow creating conditions for growing high-quality single crystals. In particular, in this way it is not possible to obtain hollow (tubular) dislocation-free silicon single crystals of high purity.
Известен другой способ получения полых цилиндрических кристаллов [2, прототип], в котором полые кристаллы вытягивают из расплава с помощью затравки в виде трубочки.There is another method for producing hollow cylindrical crystals [2, prototype], in which hollow crystals are pulled out of the melt using a seed in the form of a tube.
Однако вырастить монокристаллические трубочки из расплава кремния не удается ввиду отсутствия качественных полых монокристаллических затравок (трубочек) и трудностей преодоления теплового удара, возникающего при контакте расплава с затравкой в момент затравления, что приводит к возникновению нескольких центров кристаллизации и в результате росту поликристаллической трубочки.However, it is not possible to grow single-crystal tubes from a silicon melt due to the lack of high-quality hollow single-crystal seeds (tubes) and the difficulties of overcoming the thermal shock that occurs when the melt contacts the seed at the time of seeding, which leads to the appearance of several crystallization centers and as a result of the growth of the polycrystalline tube.
Задача, решаемая изобретением, - получение полых монокристаллов кремния.The problem solved by the invention is the production of hollow silicon single crystals.
Технический эффект заключается в обеспечении возможности получить полые (трубчатые) бездислокационные монокристаллы кремния высокой чистоты и совершенства.The technical effect is to provide the ability to obtain hollow (tubular) dislocation-free silicon single crystals of high purity and perfection.
Эффект достигается за счет того, что в известном способе получения полых монокристаллов кремния, включающем выращивание монокристаллов с помощью затравки, в отличие от известного выращивание осуществляют методом вертикальной бестигельной зонной плавки, включающим создание на расположенном вертикально исходном слитке кремния капли расплава с помощью индуктора; затравление выращиваемого монокристалла на затравке в виде ориентированного в направлении [111] монокристалла кремния; разращивание конусной части выращиваемого монокристалла до заданного диаметра при смещении исходного слитка и индуктора в горизонтальной плоскости и при условиях выращивания, обеспечивающих выпуклый фронт кристаллизации на растущем монокристалле и в момент достижения заданного диаметра выращиваемого монокристалла выход грани (111) на поверхность в центре расплава, а затем - выращивание полого монокристалла при положении столбика расплава, соединяющего покоящееся на растущем монокристалле кольцо расплава с каплей на исходном слитке, между краем грани (111) и цилиндрической поверхностью растущего кристалла.The effect is achieved due to the fact that in the known method for producing hollow silicon single crystals, including the growth of single crystals by seed, in contrast to the known growth is carried out by the method of vertical crucible-free zone melting, which includes the formation of a melt drop on an upright silicon ingot using an inductor; seeding of the grown single crystal on the seed in the form of a silicon single crystal oriented in the [111] direction; growing the conical part of the grown single crystal to a given diameter when the starting ingot and inductor are displaced in a horizontal plane and under growing conditions that provide a convex crystallization front on the growing single crystal and when the specified diameter of the grown single crystal reaches the exit of the (111) face to the surface in the center of the melt, and then - growing a hollow single crystal with the position of the melt column connecting the melt ring resting on the growing single crystal with a drop on the original ingot, between the edge of the (111) face and the cylindrical surface of the growing crystal.
Предлагаемый способ является новым, так как в настоящее время не известны аналогичные способы, позволяющие выращивать полые монокристаллы высокой степени чистоты и совершенства. Отличия предлагаемого способа заключаются в выращивании полого монокристалла методом бестигельной зонной плавки (БЗП) при определенных условиях выращивания.The proposed method is new, since at the present time similar methods are not known, allowing to grow hollow single crystals of a high degree of purity and perfection. The differences of the proposed method consist in the cultivation of a hollow single crystal by the method of crucible-free zone melting (BZP) under certain growing conditions.
Технический эффект заключается в том, что благодаря отличиям предлагаемый способ обеспечивает получение полых (трубчатых) бездислокационных монокристаллов кремния высокой степени совершенства и чистоты, на основе которых могут изготавливаться полупроводниковые приборы нового поколения.The technical effect consists in the fact that, thanks to the differences, the proposed method provides hollow (tubular) dislocation-free silicon single crystals of a high degree of perfection and purity, on the basis of which new-generation semiconductor devices can be manufactured.
Метод выращивания монокристаллов с использованием вертикальной БЗП, как известно, позволяет выращивать бездислокационные, высокой чистоты монокристаллы полупроводниковых материалов, в частности кремния, в виде слитков, даже большого диаметра. Однако до настоящего времени не известно получение этим способом трубчатых монокристаллов кремния такого качества. До сих пор не удавалось реализовать преимущества способа БЗП для решения поставленной задачи - получение полых монокристаллов кремния.The method of growing single crystals using vertical BZP, as is known, allows one to grow single-crystal, high-purity single crystals of semiconductor materials, in particular silicon, in the form of ingots, even of large diameter. However, to date, it is not known to obtain tubular silicon single crystals of this quality by this method. So far, it has not been possible to realize the advantages of the BZP method for solving the problem - obtaining hollow silicon single crystals.
Неочевидность предлагаемого изобретения заключается в том, что обнаружены условия выращивания монокристаллов кремния методом БЗП, позволяющие получать полые монокристаллы, что неизвестно из современного уровня техники.The non-obviousness of the invention lies in the fact that the conditions for growing silicon single crystals by the BZP method are found, which make it possible to obtain hollow single crystals, which is not known from the state of the art.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в обычном способе вертикальной БЗП цилиндрических стержней со смещением в горизонтальной плоскости исходного слитка и индуктора обнаруженные условия роста не нарушают бездислокационный кристаллографический рост кристалла вокруг закристаллизовавшейся грани (111), образуя стенку трубочки.The essence of the claimed invention lies in the fact that in the usual method of vertical BZP of cylindrical rods with a displacement in the horizontal plane of the initial ingot and inductor, the detected growth conditions do not violate the dislocation-free crystallographic crystal growth around the crystallized face (111), forming a tube wall.
После образования капли расплава на исходном слитке с помощью индуктора, диаметр которого больше диаметра исходного слитка, производят соединение капли расплава с затравкой (затравление), в качестве которой используется ориентированный в направлении [111] монокристалл кремния.After the formation of a melt drop on the initial ingot using an inductor, the diameter of which is larger than the diameter of the initial ingot, a melt drop is connected to a seed (pickling), which uses a silicon single crystal oriented in the [111] direction.
На следующей стадии производят разращивание конусной части выращиваемого монокристалла до заданного диаметра при смещении исходного слитка и индуктора в горизонтальной плоскости и создают условия, при которых формируется зона расплава, состоящая из части, расположенной на торце растущего монокристалла, столбика небольшого диаметра и оплавляющейся поверхности исходного слитка. Все три части зоны расплава непрерывно связаны между собой в течение всего процесса выращивания. В процессе разращивания создают тепловые условия, обеспечивающие образование выпуклого фронта кристаллизации в центральной области растущего монокристалла с выходом на поверхность расплава - в момент достижения заданного диаметра выращиваемого монокристалла - кристаллографической плоскости (111), которая закристаллизовывается, образуя кольцевую зону расплава. Необходимые тепловые условия создаются, как известно, за счет изменения мощности источника питания индуктора и скорости выращивания.At the next stage, the conical part of the grown single crystal is expanded to a predetermined diameter by shifting the initial ingot and inductor in a horizontal plane and conditions are created under which a melt zone is formed consisting of a part located on the end face of the growing single crystal, a small diameter column and a melting surface of the initial ingot. All three parts of the melt zone are continuously interconnected during the entire growing process. In the process of growth, thermal conditions are created that ensure the formation of a convex crystallization front in the central region of the growing single crystal with access to the melt surface - at the moment of reaching the specified diameter of the grown single crystal - the crystallographic plane (111), which crystallizes, forming a ring zone of the melt. The necessary thermal conditions are created, as you know, by changing the power of the inductor's power source and the growth rate.
Обнаружено, что при выполнении указанных условий, при продолжении процесса выращивания, рост монокристалла происходит с образованием полости в центральной части. При этом структура кристалла не нарушается и, в итоге, выращивается полый, бездислокационный монокристалл (труба) высокого качества.It was found that under the above conditions, while continuing the growth process, the growth of a single crystal occurs with the formation of a cavity in the central part. In this case, the crystal structure is not violated and, as a result, a hollow, dislocation-free single crystal (tube) of high quality is grown.
Сущность изобретения поясняется приведенным на фиг.1, 2, 3 схематическим изображением последовательности основных этапов способа, где:The invention is illustrated in figure 1, 2, 3, a schematic representation of the sequence of the main steps of the method, where:
1 - нижний шток с затравкодержателем,1 - lower stem with a seed holder,
2 - затравка [111],2 - seed [111],
3 - конусная часть выращиваемого монокристалла,3 - conical part of the grown single crystal,
4 - выпуклый фронт кристаллизации,4 - convex crystallization front,
5 - зона расплава,5 - melt zone,
6 - кольцевой индуктор,6 - ring inductor,
7 - исходный слиток,7 - source ingot,
8 - верхняя цанга для крепления исходного кристалла,8 - upper collet for attaching the original crystal,
9 - верхний шток,9 - upper stock
10 - направление вращения верхнего штока,10 - direction of rotation of the upper rod,
11 - направление вращения нижнего штока,11 - direction of rotation of the lower rod,
12 - направление перемещения верхнего штока,12 - direction of movement of the upper rod,
13 - направление перемещения нижнего штока,13 - direction of movement of the lower rod,
14 - направление смещения в горизонтальной плоскости верхнего штока,14 - direction of displacement in the horizontal plane of the upper rod,
15 - направление смещения в горизонтальной плоскости индуктора,15 - direction of displacement in the horizontal plane of the inductor,
16 - столбик расплава,16 is a column of melt,
17 - кристаллографическая плоскость (111) фронта кристаллизации, вышедшая на поверхность расплава,17 - crystallographic plane (111) of the crystallization front, which emerged on the surface of the melt,
18 - кольцо расплава,18 - melt ring,
19 - оплавляемая поверхность исходного слитка,19 is a melted surface of the original ingot,
20 - полый монокристалл.20 - hollow single crystal.
Для реализации предлагаемого способа используется известное устройство для вертикальной БЗП цилиндрических стержней, узел роста которого состоит из нижнего штока с затравкодержателем 1, в котором закреплена монокристаллическая затравка 2 - монокристалл кремния с ориентацией [111]; кольцевого индуктора 6; верхнего штока 9 с цангой 8, в которой закреплен исходный слиток 7. Нижний шток 1 вращается в направлении 11 и перемещается в направлении 13. Верхний шток 9 вращается в направлении 10, перемещается в направлении 12 и смещается в горизонтальной плоскости в направлении 14. Индуктор 6 смещается в горизонтальной плоскости в направлении 15.To implement the proposed method, a known device for vertical BZP of cylindrical rods is used, the growth unit of which consists of a lower rod with a seed holder 1, in which a single crystal seed 2 is fixed - a silicon single crystal with [111] orientation; ring inductor 6; the upper rod 9 with a collet 8, in which the original ingot is fixed 7. The lower rod 1 rotates in the direction 11 and moves in the
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Индуктором 6 создают каплю расплава на исходном слитке 7 и с помощью затравки 2 - монокристалла кремния с ориентацией [111] - производят разращивание конусной части монокристалла 3. Изменяя мощность источника питания индуктора и скорость выращивания, создают тепловые условия, необходимые для образования выпуклого фронта кристаллизации 4, по крайней мере, в центральной части выращиваемого кристалла. Разращивание конуса до заданного диаметра производят как при обычной БЗП с зоной расплава 5 (фиг.1). Затем, смещая исходный кристалл смещением верхнего штока 9 в направлении 14 и индуктора 6 в направлении 15 формируют столбик расплава 16 небольшого диаметра и располагают его между центральной частью расплава и поверхностью выращиваемого кристалла. Изменением мощности источника питания и величины скорости перемещения верхнего и нижнего штоков создают тепловые условия выхода центральной выпуклой части фронта кристаллизации 4, содержащей плоскость (111) 17, на поверхность расплава. Центральная область расплава, расположенная на растущем кристалле, кристаллизуется и образуется кольцо расплава 18, которое связано столбиком 16 с оплавляющейся поверхностью 19 исходного слитка 7 (фиг.2). Появившееся кольцо расплава 18 обеспечивает кристаллизацию полого монокристалла 20 заданного диаметра, не нарушая его кристаллографической ориентации (фиг.3). В результате выращивается полый монокристалл на сплошном конусном основании.The proposed method is as follows. Inductor 6 creates a drop of melt on the original ingot 7 and, using a seed 2, a silicon single crystal with [111] orientation, the conical part of the single crystal 3 is grown. By changing the power of the inductor’s power supply and the growth rate, the thermal conditions are created for the formation of a
Примером конкретного применения способа может служить реализация предлагаемого способа на известных устройствах для вертикальной БЗП-установки "Кристалл 206", "Кристалл 107", "Кристалл 108", "Кристалл 114" (разработки ВНИИТВЧ им. В.П.Вологдина).An example of a specific application of the method is the implementation of the proposed method on known devices for a vertical BZP installation Crystal 206, Crystal 107, Crystal 108, Crystal 114 (developed by VNIITVCh named after V.P. Vologdin).
Выращивались полые монокристаллы кремния на сплошном конусном основании с внешним диаметром 28 мм, внутренним - 12 мм, с кристаллографической ориентацией [111]. Исходный слиток кремния марки КП-4 имел диаметр 28 мм. Затравка - монокристалл кремния сечением 3×3 мм, длиной 70 мм, сопротивление 50,0 Ом, легированный фосфором. Использовался кольцевой индуктор из медной водоохлаждаемой трубки диаметром 4; внутренний диаметр - 30 мм. Штоки вращались со скоростью 31 об/мин и перемещались по вертикали со скоростью 2 мм/мин. Верхний шток смещался в горизонтальной плоскости на величину 8 мм, а индуктор на 4 мм. Во время выращивания полого монокристалла - трубочки - кольцо расплава имело ширину 8 мм, а диаметр столбика расплава - 8 мм. Получены полые монокристаллы кремния с внешним диаметром 28 мм, внутренним - 12 мм с кристаллографической ориентацией [111] и плотностью дислокации 10-2 см-2 Hollow silicon single crystals were grown on a continuous conical base with an external diameter of 28 mm, an internal diameter of 12 mm, and a crystallographic orientation [111]. The original silicon ingot of the KP-4 brand had a diameter of 28 mm. The seed is a single crystal of silicon with a section of 3 × 3 mm, a length of 70 mm, a resistance of 50.0 Ohms, doped with phosphorus. An annular inductor from a copper water-cooled tube with a diameter of 4 was used; inner diameter - 30 mm. The rods rotated at a speed of 31 rpm and moved vertically at a speed of 2 mm / min. The upper rod was displaced in the horizontal plane by 8 mm, and the inductor by 4 mm. During the growth of a hollow single crystal — a tube — the melt ring was 8 mm wide and the diameter of the melt column was 8 mm. Hollow silicon single crystals with an outer diameter of 28 mm and an inner diameter of 12 mm with a crystallographic orientation of [111] and a dislocation density of 10 -2 cm -2 were obtained
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет на стандартном технологическом оборудовании для выращивании полупроводниковых кристаллов методом БЗП получать трубчатые бездислокационные монокристаллы кремния с кристаллографической ориентацией [111] высокой степени чистоты, на основе которых могут изготавливаться полупроводниковые приборы нового поколения.Thus, the present invention allows using standard technological equipment for growing semiconductor crystals using the BZP method to obtain tubular dislocated silicon single crystals with a crystallographic orientation [111] of high purity, on the basis of which new-generation semiconductor devices can be manufactured.
Источники информацииInformation sources
1. А.В.Степанов. Новый способ получения изделий (листов, труб, прутков разного профиля и т.п.) непосредственно из расплава. Ж.Т.Ф., т.29, вып.3, 1959, с.381.1. A.V. Stepanov. A new method for producing products (sheets, pipes, rods of various profiles, etc.) directly from the melt. Zh.T.F., vol. 29, issue 3, 1959, p. 381.
2. В.М.Бындин, В.И.Добровольская, Д.Г.Ратников. Индукционный нагрев при производстве особо чистых материалов. Библиотечка высокочастотника-термиста. Л.: Машиностроение, 1980, с.40 (прототип).2. V.M. Byndin, V.I. Dobrovolskaya, D.G. Ratnikov. Induction heating in the production of highly pure materials. High Frequency Thermist Library. L .: Engineering, 1980, p.40 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006130926/15A RU2324017C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Process to manufacture silicon hollow monocrystals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006130926/15A RU2324017C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Process to manufacture silicon hollow monocrystals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006130926A RU2006130926A (en) | 2008-03-10 |
RU2324017C1 true RU2324017C1 (en) | 2008-05-10 |
Family
ID=39280350
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006130926/15A RU2324017C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Process to manufacture silicon hollow monocrystals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2324017C1 (en) |
-
2006
- 2006-08-28 RU RU2006130926/15A patent/RU2324017C1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006130926A (en) | 2008-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0992618B1 (en) | Method of manufacturing compound semiconductor single crystal | |
CN100570018C (en) | Process for producing crystal and device | |
JP2011195414A (en) | Method for growing single crystal silicon having square cross section and silicon wafer having square section | |
JPH076972A (en) | Growth method and device of silicon single crystal | |
US5114528A (en) | Edge-defined contact heater apparatus and method for floating zone crystal growth | |
RU2324017C1 (en) | Process to manufacture silicon hollow monocrystals | |
TWI737997B (en) | Manufacturing method of silicon crystal ingot and manufacturing device of silicon crystal ingot | |
JP5509189B2 (en) | Method for producing single crystal silicon | |
JP2005298254A (en) | Compound semiconductor single crystal growth vessel and method for producing compound semiconductor single crystal by using the same | |
DK1509642T3 (en) | Apparatus for producing crystal rods with a defined cross-section and column-shaped polycrystalline structure by a crucible-free continuous crystallization | |
JP2013133243A (en) | Method for producing single crystal silicon | |
KR20150062278A (en) | The insulation structure for a sapphire single crystal growth | |
JP2010248003A (en) | METHOD FOR PRODUCING SiC SINGLE CRYSTAL | |
JPS62167284A (en) | Method and device for producing single crystal by bridgman technique | |
JPS59203798A (en) | Apparatus for preparing belt-shaped silicon crystal | |
KR101025652B1 (en) | Method for manufacturing crystal for solar cell by recycling remaining melt | |
KR100946558B1 (en) | Apparatus for manufacturing semiconductor single crystal using CUSP magnetic field and Method using the same | |
JP2833432B2 (en) | Silicon single crystal growth method | |
CN217709751U (en) | Germanium single crystal growth device by crucible descending method | |
SU1712473A1 (en) | Apparatus for producing tubular crystals | |
RU1382052C (en) | Device for growing profiled crystals | |
RU2231582C1 (en) | Silicon monocrystal growing apparatus, screening device and crystal growing process by chokhralsky method | |
JPH09309791A (en) | Method for producing semiconducting single crystal | |
JPS6136192A (en) | Crucible for producing single crystal | |
RU2230838C1 (en) | Method of monocrystals growing from a melt |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130829 |