RU2370568C1 - Method of fabrication of quartz containers - Google Patents

Method of fabrication of quartz containers Download PDF

Info

Publication number
RU2370568C1
RU2370568C1 RU2008116691/15A RU2008116691A RU2370568C1 RU 2370568 C1 RU2370568 C1 RU 2370568C1 RU 2008116691/15 A RU2008116691/15 A RU 2008116691/15A RU 2008116691 A RU2008116691 A RU 2008116691A RU 2370568 C1 RU2370568 C1 RU 2370568C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
annealing
quartz
coating
carbon
container
Prior art date
Application number
RU2008116691/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Андреевич Аверичкин (RU)
Павел Андреевич Аверичкин
Борис Наумович Левонович (RU)
Борис Наумович Левонович
Юрий Николаевич Пархоменко (RU)
Юрий Николаевич Пархоменко
Алексей Александрович Шлёнский (RU)
Алексей Александрович Шлёнский
Николай Николаевич Шматов (RU)
Николай Николаевич Шматов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" filed Critical Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority to RU2008116691/15A priority Critical patent/RU2370568C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2370568C1 publication Critical patent/RU2370568C1/en

Links

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: organic silanes with atomic ratio of silicon and carbon 1.0:(1.0÷4.0) are used as source carbon containing compound. Coatings are made by successive multiple alternative moistening of surface of the container with organic silanes, by drying them under normal conditions, by forming polymer film and by annealing. The first annealing of settled polymer film is performed in oxidising atmosphere at 450-650°C within 20-30 min, while the second and successive annealing of settled polymer films onto formed oxide coating is carried out in inert atmosphere at 700-800°C during 30-60 minutes.
EFFECT: invention improves quality of protective coating on quartz surface of containers due to their upgraded density and strength preventing interaction of melted material with working walls of container of any shape, it also reduces impurity of produced material with diffusing additives of chemical elements from quartz.
2 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к способам изготовления кварцевых контейнеров с защитным покрытием для синтеза и кристаллизации расплавов полупроводниковых материалов, а также для получения особо чистых металлов и полиметаллических сплавов.The invention relates to methods for manufacturing quartz containers with a protective coating for the synthesis and crystallization of melts of semiconductor materials, as well as for the production of highly pure metals and polymetallic alloys.

Одним из основных конструктивных элементов при получении полупроводниковых кристаллов из расплавов являются ростовые контейнеры типа ампул, тиглей, стаканов, чашек, лодочек и пр., изготовленных из различных материалов: графита, кварца, стеклоуглерода, алунда, пиролитического нитрида бора (p-NB), платины и пр.One of the main structural elements in the preparation of semiconductor crystals from melts is growth containers such as ampoules, crucibles, glasses, cups, boats, etc., made of various materials: graphite, quartz, glassy carbon, alundum, pyrolytic boron nitride (p-NB), platinum, etc.

Плавленый кварц в своем составе изначально содержит примеси химических элементов, привносимых исходным сырьем. Дополнительное загрязнение происходит в процессе изготовления контейнерных изделий, связанного с кварцедувными работами при использовании открытого пламени газовой (пропан-бутановая смесь) горелки с металлическими наконечниками, асбестовой оснастки и других приспособлений и расходных материалов, контактирующих с разогретой поверхностью. При этом концентрация химических элементов лития (Li), натрия (Na), калия (K), кальция (Ca), магния (Mg), меди (Cu), алюминия (Al), железа (Fe) и титана (Ti) по результатам анализа методом искровой масс-спектрометрией в кварцевых изделиях достигает (суммарно) 0,02÷44,0 ppm. Данные примеси являются потенциальным источником загрязнения расплавов металлов при контакте со стенками в результате диффузии.Fused quartz in its composition initially contains impurities of chemical elements introduced by the feedstock. Additional pollution occurs in the manufacturing process of containerized products associated with quartz work using an open flame of a gas (propane-butane mixture) burner with metal tips, asbestos equipment and other devices and consumables in contact with a heated surface. The concentration of chemical elements lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe) and titanium (Ti) the results of analysis by spark mass spectrometry in quartz products reaches (total) 0.02 ÷ 44.0 ppm. These impurities are a potential source of contamination of metal melts in contact with the walls as a result of diffusion.

Для устранения названных недостатков кварцевые контейнеры изготавливают с защитными покрытиями на рабочей поверхности. В качестве защитных покрытий применяют тридимит, пироуглерод, углеграфит типа "Aqadag" и др., которые получают на поверхности известными методами, преимущественно высокотемпературным пиролизным разложением углеродсодержащих прекурсоров: смеси пропан-бутана, ацетона, циклогексана, толуола и др.To eliminate these drawbacks, quartz containers are made with protective coatings on the working surface. As protective coatings, tridimite, pyrocarbon, carbon graphite of the Aqadag type and others are used, which are obtained on the surface by known methods, mainly high-temperature pyrolysis decomposition of carbon-containing precursors: a mixture of propane-butane, acetone, cyclohexane, toluene, etc.

Повышение требований к чистоте выращиваемых кристаллов и уменьшению дефектности их структуры сопровождается одновременным требованием снижения себестоимости изготовления контейнеров.An increase in the requirements for the purity of the grown crystals and a decrease in the defectiveness of their structure is accompanied by a simultaneous requirement to reduce the cost of manufacturing containers.

Известен способ изготовления контейнера в виде кварцевой лодочки с нанесением на внутреннюю рабочую поверхность контейнера покрытия расплавом металла, например галлия, при температуре 830÷1200°C, в течение 1-2 часов. Расплав металла формирует на рабочей шероховатой поверхности аморфного кварца структурный слой поликристаллического тридимита, который приводит к значительному уменьшению площади контакта (Япония, Заявка №0151863, М.кл. C30B 11/00, опубл. Aszuge aus den E.P., №34 (85.08.21). A growth method of an inorganic compound single crystal and a boat used therefore.A known method of manufacturing a container in the form of a quartz boat with the application on the inner working surface of the container of the coating with a molten metal, for example gallium, at a temperature of 830 ÷ 1200 ° C, for 1-2 hours. The molten metal forms a structural layer of polycrystalline tridimite on the rough surface of amorphous quartz, which leads to a significant decrease in the contact area (Japan, Application No. 0151863, M. Cl. C30B 11/00, publ. Aszuge aus den EP, No. 34 (85.08.21 ). A growth method of an inorganic compound single crystal and a boat used therefore.

Недостатком данного способа является возникновение значительных механических напряжений на границе раздела кварц-тридимит, которые приводят к разрушению контейнера при длительном процессе выращивания кристаллов. Кроме того, происходит загрязнение расплава примесями химических элементов, диффундирующими из тридимита и стенок аморфного кварца. Следует также указать на сложность и высокую стоимость изготовления данным способом контейнеров других типов, например ампул с узким загрузочным патрубком, ампул с накопителем, тиглей, туб, стаканов и пр.The disadvantage of this method is the occurrence of significant mechanical stresses at the quartz-tridymite interface, which lead to the destruction of the container during a long process of crystal growth. In addition, the melt is contaminated with impurities of chemical elements diffusing from tridymite and the walls of amorphous quartz. It should also be noted the complexity and high cost of manufacturing other types of containers in this way, for example, ampoules with a narrow loading nozzle, ampoules with a drive, crucibles, tubes, glasses, etc.

Известен способ изготовления ростового контейнера в виде кварцевой лодочки из заготовок кварцевой трубы с последующим осаждением на рабочей поверхности углеграфита типа «Aquadag» из продуктов разложения парогазовой смеси толуола в токе азота при температуре 1050°C (Beels R, De Sutter W. Pyrolytic coating of quartz and ceramic vessis used for zone melting. Jornal of Scientific Instrument. Val.37, №10, October 1960, p.397).A known method of manufacturing a growth container in the form of a quartz boat from billets of a quartz tube, followed by deposition on the working surface of carbon graphite of the type "Aquadag" from the decomposition products of a gas-vapor mixture of toluene in a stream of nitrogen at a temperature of 1050 ° C (Beels R, De Sutter W. Pyrolytic coating of quartz and ceramic snapchatis used for zone melting. Jornal of Scientific Instrument. Val. 37, No. 10, October 1960, p. 397).

Недостатком способа является сложная и дорогостоящая технология изготовления контейнеров с покрытием, которое в тонком слое не устраняет взаимодействия расплавленного материала со стенками. Толстые слои (>20 мкм), представляющие собой налет сажи («ламповой копоти»), разрушаются при контакте с раствором-расплавом и загрязняют выращиваемые кристаллы углеродом.The disadvantage of this method is the complex and expensive technology for the manufacture of coated containers, which in a thin layer does not eliminate the interaction of the molten material with the walls. Thick layers (> 20 μm), which are deposits of soot ("lamp soot"), are destroyed by contact with the molten solution and pollute the grown crystals with carbon.

Известен способ изготовления кварцевого контейнера в виде стакана с коническим дном (тубы) и с нанесением на внутреннюю поверхность контейнера углеродсодержащего покрытия осаждением продуктов разложения парогазовой смеси ацетона в токе азота при температуре 900÷1170°C (Qingrun В., Ju G., Jinyi W., Ji'an C. Carbon Film Coating Used in CdZnTe Cristal Growth. Rare Metals. Vol.16, №2, april 1997, p.114-116). Способ принят за прототип.A known method of manufacturing a quartz container in the form of a glass with a conical bottom (tube) and applying a carbon-containing coating to the inner surface of the container by precipitation of the decomposition products of the vapor-gas mixture of acetone in a stream of nitrogen at a temperature of 900 ÷ 1170 ° C (Qingrun B., Ju G., Jinyi W ., Ji'an C. Carbon Film Coating Used in CdZnTe Cristal Growth. Rare Metals. Vol.16, No. 2, april 1997, p. 114-116). The method adopted for the prototype.

Однако данный способ характеризуется сложной и взрывоопасной технологией. В разогретом реакторе происходит высокотемпературное разложение паров ацетона и осаждение на кварцевой поверхности контейнера тонкого углеродсодержащего слоя. При получении кристаллов в таком контейнере происходит частичное взаимодействие расплавленного материала со стенками и образование кристаллов с повышенной плотностью дефектов структуры.However, this method is characterized by a complex and explosive technology. In a heated reactor, high-temperature decomposition of acetone vapor occurs and a thin carbon-containing layer is deposited on the quartz surface of the container. Upon receipt of crystals in such a container, a partial interaction of the molten material with the walls and the formation of crystals with an increased density of structural defects occur.

Увеличение толщины защитного углеродсодержащего слоя до 25÷30 мкм приводит к возникновению механических напряжений на границе раздела со стенками кварца и разрушению покрытия при контакте с расплавом.An increase in the thickness of the protective carbon-containing layer to 25–30 μm leads to mechanical stresses at the interface with the walls of quartz and the destruction of the coating upon contact with the melt.

Техническим результатом изобретения является улучшение качества защитных покрытий на кварцевых поверхностях контейнеров за счет повышения их плотности и прочности, обеспечивающих тем самым предотвращение взаимодействия расплавленного материала с рабочими стенками контейнера любой формы и уменьшение загрязнения получаемого материала диффундирующими примесями химических элементов из кварца.The technical result of the invention is to improve the quality of protective coatings on the quartz surfaces of containers by increasing their density and strength, thereby preventing the interaction of molten material with the working walls of a container of any shape and reducing contamination of the resulting material with diffusing impurities of chemical elements from quartz.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления кварцевых контейнеров для проведения высокотемпературных процессов, включающем нанесение на рабочую поверхность контейнера покрытия осаждением из углеродсодержащего соединения, согласно изобретению в качестве исходного углеродсодержащего соединения используют органосиланы с атомным соотношением кремния и углерода, равным 1,0:(1,0÷4,0), а формирование покрытий осуществляют последовательным, многократным чередованием процессов смачивания поверхности контейнера органосиланами, высушивания их в нормальных условиях с получением пленки полимера и отжига, при этом первый отжиг нанесенных полимерных слоев проводят в окислительной атмосфере при 450÷650°C в течение 20÷30 минут, а второй и последующие отжиги нанесенных полимерных слоев проводят в инертной атмосфере при 700÷800°C в течение 30÷60 минут.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing quartz containers for carrying out high-temperature processes, including applying a coating to the working surface of the container by deposition from a carbon-containing compound, according to the invention, organosilanes with an atomic ratio of silicon and carbon equal to 1.0 are used as the initial carbon-containing compound :( 1,0 ÷ 4,0), and the formation of coatings is carried out by sequential, multiple alternation of processes of wetting the surface of the container organ ylans, drying them under normal conditions to obtain a polymer film and annealing, while the first annealing of the deposited polymer layers is carried out in an oxidizing atmosphere at 450 ÷ 650 ° C for 20 ÷ 30 minutes, and the second and subsequent annealing of the deposited polymer layers is carried out in an inert atmosphere at 700 ÷ 800 ° C for 30 ÷ 60 minutes.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве исходного углеродсодержащего соединения используют органосиланы (ОС), которые поочередно осаждают в виде пленок на рабочие стенки методом смачивания поверхности органо(хлор-, алкокси-, ацетокси-)силанами, с последующим комбинированным отжигом слоев в окислительной и в инертной атмосфере.The essence of the invention lies in the fact that as the starting carbon-containing compound, organosilanes (OS) are used, which are successively deposited in the form of films on working walls by wetting the surface with organo (chloro, alkoxy, acetoxy) silanes, followed by combined annealing of the layers in oxidative and in an inert atmosphere.

Осаждение полимерной пленки из ОС и ее отжиг в окислительной атмосфере (на воздухе) при температуре 450÷650°C приводит к получению на поверхности стенок оксидной (a-SiO2) оболочки, которая создает антидуффузионный барьер для химических примесей и подслой (адгезив) для последующего формирования углеродсодержащего покрытия. Повторное осаждение и отжиг полимерной пленки в инертной атмосфере при температуре 700÷800°C приводит к получению на поверхности углеродсодержащего (а-SiO1,5:Cn где n=1÷4) покрытия, которое обеспечивает несмачиваемость стенок расплавами и в совокупности с a-SiO2-покрытием значительно улучшает условия выращивания полупроводниковых кристаллов. При этом не образуется пристенных дефектов в виде раковин, трещин, двойников, малоугловых границ и др. структурных неоднородностей в кристаллах, обусловленных взаимодействием расплавов со стенками.The deposition of a polymer film from the OS and its annealing in an oxidizing atmosphere (in air) at a temperature of 450 ÷ 650 ° C leads to the formation of an oxide (a-SiO 2 ) shell on the wall surface, which creates an anti-diffusion barrier for chemical impurities and a sublayer (adhesive) for subsequent formation of a carbon-containing coating. Repeated deposition and annealing of the polymer film in an inert atmosphere at a temperature of 700 ÷ 800 ° C leads to the formation on the surface of a carbon-containing (a-SiO 1,5 : C n where n = 1 ÷ 4) coating, which ensures the walls are not wettable by the melts and in combination with a-SiO 2 coating significantly improves the conditions for growing semiconductor crystals. In this case, wall defects are not formed in the form of shells, cracks, twins, small-angle boundaries, and other structural inhomogeneities in crystals due to the interaction of melts with walls.

Обоснование параметров.Justification of the parameters.

Для осаждения полимерных пленок на поверхности кварца методом смачивания, высушивания при обычных условиях и последующего отжига в кислородсодержащей и инертной атмосфере используют органосиланы с атомным соотношении кремния и углерода 1,0:(1,0÷4,0). Особенно это критично при пиролизном отжиге, в результате формирования углеродсодержащего покрытия в комбинации с оксидным. При соотношении кремния и углерода 1,0:(<1,0) из-за дефицита углерода и увеличения силоксановой составляющей в результате осаждения пленки и ее пиролизного отжига формируется покрытие, которое взаимодействует с расплавами и приводит к образованию дефектов в кристалле и браку. При использовании органосиланов с атомным отношением кремния к углероду 1,0:(>4,0), при осаждении пленки и ее пиролизном отжиге происходит значительное науглероживание пленки и резкое снижение физико-механических свойств, в частности адгезии к ниже сформированному оксидному покрытию на кварцевых стенках, повышение хрупкости, шелушение и т.д., что приводит к загрязнению расплавов примесями углерода и снижению электрофизических свойств кристаллов.For the deposition of polymer films on the surface of the quartz by wetting, drying under ordinary conditions and subsequent annealing in an oxygen-containing and inert atmosphere, organosilanes with an atomic ratio of silicon and carbon of 1.0: (1.0 ÷ 4.0) are used. This is especially critical during pyrolysis annealing, as a result of the formation of a carbon-containing coating in combination with oxide. When the ratio of silicon and carbon is 1.0: (<1.0) due to carbon deficiency and an increase in the siloxane component, a coating is formed as a result of film deposition and its pyrolysis annealing, which interacts with melts and leads to the formation of defects in the crystal and marriage. When using organosilanes with an atomic ratio of silicon to carbon of 1.0: (> 4.0), upon deposition of the film and its pyrolysis annealing, a significant carburization of the film and a sharp decrease in physicomechanical properties, in particular, adhesion to the lower-formed oxide coating on quartz walls , increasing brittleness, peeling, etc., which leads to contamination of the melts with carbon impurities and a decrease in the electrophysical properties of crystals.

Проведение отжига контейнеров с полимерными пленками в окислительной атмосфере (на воздухе) ниже 450°C и времени менее 20 минут не приводит к полной термоокислительной деструкции углеводородных заместителей у атомов кремния. Результатом низкотемпературного отжига является образование метастабильных или «рыхлых» защитных покрытий а-SiO2. При этом последующие наносимые пленки из органосиланов неравномерно осаждаются и закрепляются на поверхности а-SiO2-покрытия и при отжиге в инертной атмосфере происходит отслоение углеродсодержащего и разрушение всего формируемого комбинированного покрытия в виде чешуек.Carrying out annealing of containers with polymer films in an oxidizing atmosphere (in air) below 450 ° C and a time of less than 20 minutes does not lead to complete thermal oxidative degradation of hydrocarbon substituents at silicon atoms. The result of low-temperature annealing is the formation of metastable or “loose” a-SiO 2 protective coatings. In this case, subsequent deposited films of organosilanes are unevenly deposited and fixed on the surface of the a-SiO 2 coating, and upon annealing in an inert atmosphere, the carbon-containing material is detached and the entire combined coating formed in the form of flakes is destroyed.

Проведение отжига в окислительной атмосфере при температуре выше 650°C и времени более 30 минут приводит к дополнительным затратам энергоресурсов и повышению себестоимости изготовления контейнеров, но при этом не улучшается качество а-SiO2-покрытия.Annealing in an oxidizing atmosphere at temperatures above 650 ° C and a time of more than 30 minutes leads to additional energy costs and an increase in the cost of manufacturing containers, but the quality of the a-SiO 2 coating does not improve.

Время отжига пленок в вышеуказанном диапазоне температур составляет 20÷30 минут, в течение которого в наилучшей мере реализуется методика формирования качественных оксидных покрытий на кварцевых стенках.The annealing time of the films in the above temperature range is 20–30 minutes, during which the method of forming high-quality oxide coatings on quartz walls is best implemented.

Пиролизный отжиг углеродсодержащих полимерных пленок на оксидном покрытии в инертной атмосфере проводят в интервале температур 700÷800°C. При температуре ниже 700°C и времени менее 30 минут, происходит образование неплотного покрытия a-SiO1,5:Cn (где 1≤n≤4), которое разрушается при контакте с расплавом, загрязняя его примесями углерода. Проведение отжига в инертной атмосфере при температуре выше 800°C и времени более 60 минут не приводит к существенному повышению качества углеродсодержащего покрытия и всего комбинированного защитного покрытия с оболочкой a-SiO2, но приводит к дополнительным и неоправданным расходам. Для получения контейнеров с качественным углеродсодержащим покрытием в комбинации с оксидным отжиг в инертной атмосфере проводят в течение 30÷60 минут.Pyrolysis annealing of carbon-containing polymer films on an oxide coating in an inert atmosphere is carried out in the temperature range 700 ÷ 800 ° C. At temperatures below 700 ° C and a time of less than 30 minutes, an a-SiO 1.5 : C n (where 1≤n≤4) coating is loose, which breaks down upon contact with the melt, contaminating it with carbon impurities. Carrying out annealing in an inert atmosphere at a temperature above 800 ° C and a time of more than 60 minutes does not lead to a significant improvement in the quality of the carbon-containing coating and the entire combined protective coating with a-SiO 2 shell, but leads to additional and unjustified costs. To obtain containers with a high-quality carbon-containing coating in combination with oxide annealing in an inert atmosphere, carry out for 30 ÷ 60 minutes.

Реализация предлагаемого способа иллюстрируется следующими примерами.The implementation of the proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Заготовку кварцевой трубы (⌀вн.60 мм; ιраб=110 мм; dст.=2,5 мм) запаяли с одной стороны в открытом пламени горелки с пропанобутановой смесью, а к второй коаксиально припаяли узкий загрузочный патрубок (⌀вн.10 мм; ιраб.=200 мм). В изготовленную ампулу под вытяжкой залили эквимолярную смесь, состоящую из 45 мл винилтрихлорсилана (C2H3SiCl3) и 47,4 мл тетрахлорида кремния, смочили всю поверхность, затем хлорсиланы (ХС) слили в сборную склянку, а ампулу оставили в вертикальном положении загрузочной частью книзу для высушивания. По мере сушки на стенках ампулы, в результате поверхностной гидролитической полиеонденсации образуется полимерная пленка. Произвели отжиг на воздухе при температуре 500°C в течение 30 минут. В результате термоокислительной деструкции [C2H3SiO1,5 SiO4/2]n на рабочей стенке ампулы образовалось суммарное оксидное (a-SiO2) покрытие в виде сплошной оболочки. Затем произвели повторное заполнение ампулы одним винилтрихлорсиланом (ВТХС) с последующим смачиванием рабочей поверхности и высушиванием на воздухе. Данную операцию повторили еще один раз. После этого ампулу с нанесенной полимерной пленкой винилсилоксана (ВСО) поместили в реактор печи сопротивления и произвели вакуумирование до 1,5.10-3 мм рт.ст. Затем реактор заполнили аргоном и в протоке аргона (1÷100 мл/мин) произвели отжиг контейнера со сформированным оксидным покрытием и с нанесенной полимерной пленкой при температуре 800°C в течение 30 минут. Затем температуру в реакторе печи снизили до комнатной температуры и извлекли ампулу со сформированным защитным покрытием из комбинации a-SiO2 и а-SiO1,5:C2,0-слоёв.The quartz tube blank (⌀ ext. 60 mm; ι slave = 110 mm; d st = 2.5 mm) was sealed on one side in the open flame of the propane-butane mixture burner, and a narrow loading nozzle was coaxially soldered to the second (⌀ ext. 10 mm; ι slave. = 200 mm). An equimolar mixture consisting of 45 ml of vinyl trichlorosilane (C 2 H 3 SiCl 3 ) and 47.4 ml of silicon tetrachloride was poured into the manufactured ampoule under a hood, then the entire surface was moistened, then chlorosilanes (CS) were poured into a collection bottle, and the ampoule was left upright boot part to dry. As drying occurs on the walls of the ampoule, a polymer film forms as a result of surface hydrolytic polycondensation. Annealed in air at a temperature of 500 ° C for 30 minutes. As a result of thermal oxidative degradation of [C 2 H 3 SiO 1,5 SiO 4/2 ] n , a total oxide (a-SiO 2 ) coating in the form of a continuous shell formed on the ampule working wall. Then, the ampoule was re-filled with one vinyl trichlorosilane (BTXC), followed by wetting of the working surface and drying in air. This operation was repeated one more time. After that, an ampoule with a polymer film of vinylsiloxane (VCO) was placed in a reactor of a resistance furnace and evacuated to 1.5.10 -3 mm Hg. Then the reactor was filled with argon and in the argon flow (1 ÷ 100 ml / min), the container with the formed oxide coating and with the applied polymer film was annealed at a temperature of 800 ° C for 30 minutes. Then, the temperature in the furnace reactor was reduced to room temperature and the ampoule with the formed protective coating was removed from the combination of a-SiO 2 and a-SiO 1,5 : C 2,0 layers.

Для определения толщин покрытий параллельно производили осаждение их органохлорсиланов (методом смачивания) полимерных пленок и их отжиг на образцах кремниевых полированных пластин марки КДБ-1. Измерение толщины производили на микроскопе МИИ-4 стандартным методом. Измеренная толщина сформированного комбинированного защитного покрытия a-SiO2/a-SiO1,5:C2,0 составила 0,45 мкм.To determine the thickness of the coatings, their organochlorosilanes (by wetting) of polymer films were deposited in parallel and annealed on samples of polished silicon wafers of the KDB-1 brand. The thickness was measured on a MII-4 microscope using the standard method. The measured thickness of the formed combined protective coating of a-SiO 2 / a-SiO 1.5 : C 2.0 was 0.45 μm.

Полученный контейнер с сформированным комбинированным защитным покрытием подали на участок загрузки исходной шихты. Шихту со стехиометрически заданным соотношением компонентов Cd, Zn, Te загрузили в ампулу и произвели вакуумную откачку до 1,3·10-6 мм рт.ст., затем ампулу запаяли и осуществили синтез и выращивание кристалла CdZnTe (при 1200°C) в одном объеме по известной технологии вертикально-направленной кристаллизации (ВНК). После осуществления процесса произвели контроль (визуальный) контейнера, покрытия и провели анализ выращенного материала.The resulting container with the formed combined protective coating was applied to the loading section of the initial charge. The mixture with a stoichiometrically specified ratio of the components Cd, Zn, Te was loaded into the ampoule and vacuum evacuated to 1.3 · 10 -6 mm Hg, then the ampoule was sealed and the CdZnTe crystal was synthesized and grown (at 1200 ° C) in one volume according to the known technology of vertically directed crystallization (WOC). After the implementation of the process, a control (visual) of the container, coatings was made and an analysis of the grown material was carried out.

Состояние контейнера и покрытия:Container and coating condition:

- нет раскварцованных участков на внутренней и внешней поверхности стенок;- no quartz areas on the inner and outer surface of the walls;

- нет разрушения покрытия на стенках и эрозии поверхности.- there is no destruction of the coating on the walls and surface erosion.

Параметры выращенного слитка:Parameters of the grown ingot:

- отсутствие видимых следов взаимодействия слитка со стенками контейнера;- the absence of visible traces of the interaction of the ingot with the walls of the container;

- отсутствие трещин, раковин и др. структурных дефектов на поверхности, образующихся в результате взаимодействия расплава со стенками кварца.- the absence of cracks, shells, and other structural defects on the surface resulting from the interaction of the melt with the walls of quartz.

Параметры кристалла:Crystal Parameters:

Слиток подвергли ориентированной резке на пластины толщиной 1,5 мм и произвели их шлифование и химико-механическое полирование по стандартным методикам. Выбрали три подготовленные пластины из нижней, средней и верхней части слитка и произвели измерения параметров, значения которых приведены ниже:The ingot was subjected to oriented cutting into 1.5 mm thick plates and they were ground and chemically-mechanically polished by standard methods. We selected three prepared plates from the lower, middle, and upper parts of the ingot and measured the parameters whose values are given below:

- n-тип проводимости;- n-type conductivity;

- плотность дислокации 6÷9·104 см-2;- dislocation density 6 ÷ 9 · 10 4 cm -2 ;

- удельное сопротивление 3,4·107 Ом·см;- resistivity 3.4 · 10 7 Ohm · cm;

- содержание основных лимитирующих примесей химических элементов Li; Na; K, Ca; Mg; Cu; Fe; Al, TI определили методом искровой масс-спектрометрии. Их концентрация в объеме слитка варьировала в диапазоне 0,002-0,1 ppm. Технологические параметры и результаты анализа приведены в Таблице 1 и 2.- the content of the main limiting impurities of chemical elements Li; Na; K, Ca; Mg; Cu; Fe; Al, TI was determined by spark mass spectrometry. Their concentration in the volume of the ingot varied in the range of 0.002-0.1 ppm. Technological parameters and analysis results are shown in Table 1 and 2.

Пример 2.Example 2

Заготовку кварцевой трубы (⌀вн.50 мм; ιраб.=120 мм; dст.=3,0 мм) запаяли в виде конуса с одной стороны (тубы) в открытом пламени газовой горелки и в изготовленную тубу под вытяжкой залили эквимолярную смесь, состоящую из 20 мл метилтрихлорсилана (CН3SiСl3) и 22,7 мл тетрахлорида кремния (SiCl4). После смачивания всей поверхности стенок смесь хлорсиланов слили в сборную склянку и тубу с образовавшейся в результате поверхностной гидролитической поликонденсации полимерной пленкой метилсилоксана со структурными фрагментами SiO4/2 ([CH3SiO1,5·SiO4/2]n), поместили в реактор печи сопротивления и отожгли на воздухе при температуре 450°C в течение 30 минут. В результате термоокислительной деструкции метилсилоксана (МСО) на стенке произошло формирование общего оксидного покрытия в виде однородной оболочки a-SiO2. Затем на сформированной оксидной пленке аналогичным образом произвели трехкратное нанесение полимерной пленки МСО из одного метилтрихлорсилана (МТХС) и тубу с покрытием a-SiO2 и вновь нанесенной полимерной пленкой поместили в реактор печи сопротивления, который вакуумировали до 1,8.10-3 мм рт.ст. После этого реактор продули осушенным аргоном и подняли температуру до 700°C. В реакторе тубу с оксидным покрытием и нанесенной на него полимерной пленкой МСО в токе аргона (1-100 мл/мин) при данной температуре выдержали в течение 50 минут. По окончании процесса температуру снизили до комнатной и извлекли тубу со сформированным комбинированным покрытием a-SiO2/a-SiO1.5:C1.5. Полученный контейнер со сформированным защитным покрытием (2,5 мкм) подали на участок загрузки исходной шихты.The blank of the quartz tube (⌀ ext. 50 mm; ι slave = 120 mm; d st = 3.0 mm) was sealed in the form of a cone on one side (tube) in the open flame of a gas burner and an equimolar mixture was poured into the fabricated tube under the hood consisting of 20 ml of methyltrichlorosilane (CH 3 SiCl 3 ) and 22.7 ml of silicon tetrachloride (SiCl 4 ). After wetting the entire surface of the walls, the mixture of chlorosilanes was poured into a collection bottle and a tube with a polymer film of methylsiloxane formed as a result of surface hydrolytic polycondensation with structural fragments SiO 4/2 ([CH 3 SiO 1,5 · SiO 4/2 ] n ), placed in a reactor resistance furnaces and annealed in air at 450 ° C for 30 minutes. As a result of thermal oxidative degradation of methylsiloxane (MCO) on the wall, a common oxide coating was formed in the form of a uniform a-SiO 2 shell. Then, on the formed oxide film, in the same way, the MSO polymer film was applied three times from one methyltrichlorosilane (MTXS) and a tube with a-SiO 2 coating and the newly deposited polymer film were placed in a resistance furnace reactor, which was vacuumized to 1.8.10 -3 mm Hg . After that, the reactor was purged with dried argon and the temperature was raised to 700 ° C. In the reactor, a tube with an oxide coating and an MCO polymer film deposited on it in an argon flow (1–100 ml / min) was kept for 50 minutes at this temperature. At the end of the process, the temperature was lowered to room temperature and the tube was removed with the a-SiO 2 / a-SiO 1.5 : C 1.5 combined coating formed. The resulting container with the formed protective coating (2.5 μm) was applied to the loading section of the initial charge.

Шихту в виде слитка предварительно синтезированного материала из стехиометрически заданного соотношения компонентов Cd и Te загрузили в тубу со сформированным защитным покрытием, которая в свою очередь была помещена в кварцевую ампулу большего диаметра. Данную ампулу с загруженной тубой вакуумировали до 1,3·10-6 мм рт.ст. Затем ампулу отпаяли и осуществили выращивание кристалла CdTe в тубе с комбинированным защитным покрытием аналогично Примеру 1.The mixture in the form of an ingot of pre-synthesized material from a stoichiometrically specified ratio of the components Cd and Te was loaded into a tube with a formed protective coating, which, in turn, was placed in a quartz ampoule of a larger diameter. This ampoule with a loaded tube was evacuated to 1.3 · 10 -6 mm RT.article. Then the ampoule was sealed off and the CdTe crystal was grown in a tube with a combined protective coating, as in Example 1.

После осуществления процесса произвели контроль (визуальный) контейнера, покрытия и выполнили анализ выращенного материала. Технологические параметры и результаты анализа выращенного материала приведены в Таблице 1 и 2.After the implementation of the process, a control (visual) of the container, coatings was performed and an analysis of the grown material was performed. Technological parameters and results of the analysis of the grown material are shown in Table 1 and 2.

Пример 3.Example 3

Заготовку кварцевой трубы (⌀вн.60 мм; ιраб=210 мм; dст.=2,5 мм) разрезали симметрично вдоль оси пополам и у одной половины запаяли концы с двух сторон, изготовив емкость в виде лодочки. Затем в лодочку залили 50 мл смеси (1:1) трихлорсилана и четыреххлористого кремния (HSiCl3 и SiCl4) и смочили всю поверхность стенок. Через 10 минут смесь трихлорсилана с четыреххлористым кремнием (ТХС/ЧХК) слили в сборную склянку и лодочку высушили на воздухе. Лодочку с осажденной в результате поверхностной гидролитической поликонденсации полимерной пленкой гидридсилоксана со структурными фрагментами SiO4/2([HSiO1,5·SiO4/2]n) отожгли на воздухе при температуре 500°С в течение 30 минут. В результате термоокислительной деструкции гидридсилоксана (ГСО) на рабочей поверхности лодочки образовалось суммарное покрытие a-SiO2 в виде сплошной оболочки. Затем произвели повторное нанесение методом смачивания на поверхность лодочки полимерной пленки, состоящей из смеси ВСО и МСО (1:1). Данную операцию повторили еще два раза, после чего лодочку с нанесенной пленкой отожгли в токе аргона (1÷100 мл/мин) при температуре 800°C в течение 30 минут. Полученный контейнер со сформированным комбинированным защитным покрытием a-SiO2/a-SiO1,5:C1,5 (4,5 мкм) передали на участок загрузки исходной шихты.The quartz tube blank (⌀ ext. 60 mm; ι slave = 210 mm; d st = 2.5 mm) was cut symmetrically along the axis in half and at one half the ends were sealed on both sides, making a container in the form of a boat. Then, 50 ml of a mixture (1: 1) of trichlorosilane and silicon tetrachloride (HSiCl 3 and SiCl 4 ) were poured into the boat and the entire surface of the walls was moistened. After 10 minutes, a mixture of trichlorosilane with silicon tetrachloride (TCS / CHC) was poured into a collection bottle and the boat was dried in air. A boat with a hydride siloxane polymer film deposited as a result of surface hydrolytic polycondensation with structural fragments of SiO 4/2 ([HSiO 1.5 · SiO 4/2 ] n ) was annealed in air at a temperature of 500 ° C for 30 minutes. As a result of thermal oxidative degradation of hydridosiloxane (GSO), a total coating of a-SiO 2 in the form of a continuous shell was formed on the working surface of the boat. Then re-applied by wetting on the surface of the boat a polymer film consisting of a mixture of BSO and MCO (1: 1). This operation was repeated two more times, after which the boat with the applied film was annealed in a stream of argon (1 ÷ 100 ml / min) at a temperature of 800 ° C for 30 minutes. The resulting container with the formed combined protective coating a-SiO 2 / a-SiO 1.5 : C 1.5 (4.5 μm) was transferred to the loading section of the initial charge.

Шихту со стехиометрически заданным соотношением компонентов Cd, Zn и Te загрузили в лодочку с комбинированным защитным покрытием и осуществили синтез и выращивание кристалла CdZnTe (при 1200°C) методом горизонтальной кристаллизации по известной технологии. Технологические параметры и результаты анализа выращенного материала приведены в Таблице 1 и 2.A mixture with a stoichiometrically specified ratio of the components Cd, Zn and Te was loaded into a boat with a combined protective coating and the CdZnTe crystal was synthesized and grown (at 1200 ° C) by horizontal crystallization using the known technology. Technological parameters and results of the analysis of the grown material are shown in Table 1 and 2.

Пример 4.Example 4

Из кварцевой заготовки (⌀вн.100 мм; ιраб.=235 мм; dст.=3,5 мм) изготовили тигель ⌀верх.=110 мм; ⌀виз.=90 мм; ιраб=225 мм и сформировали на рабочей поверхности стенок комбинированное защитное покрытие a-SiO2/a-SiO1,5:C4,0 аналогичным способом, описанным в Примере 2. Технологические параметры и результаты анализа полученного конечного материала CdTe приведены в Таблице 1 и 2.A crucible ⌀ top was made from a quartz billet (⌀ ext. 100 mm; ι slave. = 235 mm; d st. = 3.5 mm) . = 110 mm; ⌀ visas. = 90 mm; ι slave = 225 mm and formed on the working surface of the walls a combined protective coating of a-SiO 2 / a-SiO 1,5 : C 4,0 in the same manner as described in Example 2. The technological parameters and results of the analysis of the resulting final CdTe material are shown in Table 1 and 2.

Примеры 5÷6: Примеры проведения процесса получения комбинированного защитного покрытия технологическими параметрами, выходящими за пределы заявленных параметров.Examples 5 ÷ 6: Examples of the process of obtaining a combined protective coating technological parameters that go beyond the declared parameters.

Таким образом, заявленный способ позволяет упростить процесс получения покрытия внутренних стенок контейнеров любой конфигурации, повысить плотность и прочность покрытия, тем самым повысить надежность контейнеров при неоднократном его использовании.Thus, the claimed method allows to simplify the process of obtaining a coating of the inner walls of containers of any configuration, to increase the density and strength of the coating, thereby improving the reliability of containers with its repeated use.

Использование кварцевого контейнера с защитным покрытием, полученным заявленным способом, позволяет значительно улучшить совершенство выращиваемых кристаллов и получить материалы с высокими электрофизическими параметрами за счет:The use of a quartz container with a protective coating obtained by the claimed method can significantly improve the perfection of the grown crystals and obtain materials with high electrophysical parameters due to:

- предотвращения взаимодействия расплавленного материала с рабочей поверхностью кварца за счет высокой прочности покрытия;- preventing the interaction of molten material with the working surface of quartz due to the high strength of the coating;

- уменьшения загрязнения выращиваемых кристаллов диффундирующими примесями из кварца за счет высокой плотности покрытия.- reduction of pollution of the grown crystals by diffusing impurities from quartz due to the high density of the coating.

Еще одной положительной особенностью кварцевых контейнеров с покрытием, изготовленных заявленным способом, является исполнение покрытием дополнительной роли «цветового индикатора» высокотемпературных процессов на крайне нежелательные кислородсодержащие примеси (следы влаги, окислов металлов, воздуха и пр.), которые могут случайно оказаться в объеме контейнера, например с исходной подкисленной шихтой или при недостаточной ее осушке и вакуумной откачке. В результате таких технологических загрязнений при температуре 600÷650°C происходит окисление (выгорание) углерода в слое покрытия и его обесцвечивание. При этом происходит пристенное взаимодействие кварц-расплав, повышение дефектности и снижение электрофизических свойств получаемых полупроводниковых материалов. Таким образом, цветность покрытия позволяет косвенно судить о характере процесса и качестве получаемого материала.Another positive feature of coated quartz containers manufactured by the claimed method is that the coating plays an additional role as a “color indicator” of high-temperature processes for extremely undesirable oxygen-containing impurities (traces of moisture, metal oxides, air, etc.) that may accidentally appear in the container’s volume, for example, with the initial acidified charge or with insufficient drying and vacuum pumping. As a result of such technological pollution at a temperature of 600 ÷ 650 ° C, carbon is oxidized (burned out) in the coating layer and discolored. In this case, near-wall interaction of quartz-melt occurs, an increase in defectiveness and a decrease in the electrophysical properties of the obtained semiconductor materials. Thus, the color of the coating allows you to indirectly judge the nature of the process and the quality of the material obtained.

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000001
Figure 00000002

Claims (1)

Способ изготовления кварцевых контейнеров для высокотемпературных процессов, включающий нанесение на рабочую поверхность контейнера покрытия из углеродсодержащего соединения, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего соединения используют органосиланы с атомным соотношением кремния и углерода, равным 1,0:(1,0÷4,0), а формирование покрытий осуществляют последовательным многократным чередованием процессов смачивания поверхности контейнера органосиланами, высушивания ее при нормальных условиях с получением пленки полимера и отжига, при этом первый отжиг нанесенных полимерных слоев проводят в окислительной атмосфере при 450÷650°С в течение 20-30 мин, а второй и последующие отжиги нанесенных полимерных слоев проводят в инертной атмосфере при 700-800°С в течение 30-60 мин. A method of manufacturing quartz containers for high-temperature processes, comprising applying a carbon-containing compound to the working surface of the container, characterized in that organosilanes with an atomic ratio of silicon and carbon equal to 1.0 are used as the carbon-containing compound: (1.0 ÷ 4.0) and the formation of coatings is carried out by successive multiple alternation of processes of wetting the surface of the container with organosilanes, drying it under normal conditions to obtain a polymer film and annealing, while the first annealing of the deposited polymer layers is carried out in an oxidizing atmosphere at 450 ÷ 650 ° C for 20-30 minutes, and the second and subsequent annealing of the deposited polymer layers is carried out in an inert atmosphere at 700-800 ° C for 30-60 minutes .
RU2008116691/15A 2008-04-30 2008-04-30 Method of fabrication of quartz containers RU2370568C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116691/15A RU2370568C1 (en) 2008-04-30 2008-04-30 Method of fabrication of quartz containers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008116691/15A RU2370568C1 (en) 2008-04-30 2008-04-30 Method of fabrication of quartz containers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2370568C1 true RU2370568C1 (en) 2009-10-20

Family

ID=41262965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008116691/15A RU2370568C1 (en) 2008-04-30 2008-04-30 Method of fabrication of quartz containers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2370568C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2504602C1 (en) * 2012-07-09 2014-01-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of making quartz containers
US20140345526A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Applied Materials, Inc. Coated liner assembly for a semiconductor processing chamber

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
QINGRUN В., JU G., JINYI W., JI'AN С., Carbon Film Coating Used in CdZnTe Cristal Growth, Rare Metals, 1997, Vol.16, №2, p.114-116. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2504602C1 (en) * 2012-07-09 2014-01-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of making quartz containers
US20140345526A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Applied Materials, Inc. Coated liner assembly for a semiconductor processing chamber

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1166822C (en) Barium doping of molten silicon for use in crystal growing process
EP1899508B1 (en) Crucible for the crystallization of silicon and process for its preparation
EP1745164B1 (en) Crucible for the crystallization of silicon
US8915097B2 (en) Silica container and method for producing the same
JP5058378B2 (en) Composite crucible
WO2000059837A1 (en) Method for manufacturing quartz glass crucible
US3385723A (en) Carbon article coated with beta silicon carbide
CN1166821C (en) Strontium doping of molten silicon for use in crystal growing process
JP2009269792A (en) Silicon melting crucible and mold release agent used for it
KR100427118B1 (en) Heat treatment jig and its manufacturing method
JP4781232B2 (en) Silicon melting crucible used in the manufacture of polycrystalline silicon blocks
RU2370568C1 (en) Method of fabrication of quartz containers
JP2000302577A (en) Graphite member coated with silicon carbide
JP2001114590A (en) Quartz glass crucible for pulling silicon single crystal
Deike et al. Reactions between liquid silicon and different refractory materials
KR102571434B1 (en) Method of coating silica crucibles with silicon nitride
US6183553B1 (en) Process and apparatus for preparation of silicon crystals with reduced metal content
JPH06260439A (en) Fused quartz diffusion pipe
JP2022180695A (en) Quartz glass crucible, method for manufacturing the same and method for manufacturing silicon single crystal
JP2020203813A (en) Ceramic, ceramic-coating method, and ceramic-coating device
JPS63236798A (en) Graphite material for pulling-up apparatus of ga compound single crystal
JPH09235144A (en) Material for semiconductor producing apparatus and production thereof
JPH07277864A (en) High-temperature heat resistant member
JP2000034135A (en) Opaque silica glass, its production and silica glass molded product

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200501