Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
При изучении формы зоны расплава с использованием различных индукторов установлено, что максимальная ее высота может превышать рассчитанную по уравнению (38) величину (рис. 136) [229]. Связано это с тем, что в расчетах не учитывались поверхностное натяжение на границе расплав - твердое, силы связи расплава и твердого, а также электродинамическое давление на расплав. Кроме этого, при расчетах фронт кристаллизации был принят плоским. Величина электродинамического давления зависит от частоты тока в индукторе, электрической мощности, передаваемой в зону расплава, радиуса зоны расплава и др., что используется для формирования устойчивой зоны расплава при различных конфигурациях поверхности индуктора.
При рассмотрении устойчивости, конфигурации и других факторов необходимо учитывать тепловые потоки в зоне расплава.
По своему происхождению различают четыре вида потоков: конвективные, центробежные, электродинамические и потоки Марангони (рис. 137) [229]. Конвективные потоки возникают вследствие различия
302
Ряс. 136. Экспериментальная (/) и расчетная (2) зависимости высоты зоны расплава от диаметра выращиваемого кристалла при диаметре индуктора, мм:
D1 = 29; D2 = 33; D3 - 36+38;-----------
данные экстраполяции
h,MM
Рис. 137. Конвективный (а), электродинамический (б)
потоки и поток Марангони (в, термокапиллярный) в зоне расплава:
1, 4 — исходный и кристаллизующийся стержень соответственно; 2 — индуктор; 3 — зона расплава
температуры в зоне расплава и связанной с этим плотности расплава. Центробежные потоки связаны с вращением стержня и находящейся на его торце зоны расплава. Центробежные потоки оказывают влияние на характер конвективных потоков. Электродинамические потоки в зоне расплава возникают из-за неоднородности электромагнитного
зоз
Рис. 138. Блок-схема установки бестигельной зонной плавки:
1 — блок подачи и регулировки потока газа; 2 — камера; 3 — блок управления приводами; 4 — система автоматического управления процессом; f — высокочастотный генератор; 6 — блок управления генератором; 7 — блок водяного охлаждения; 8 — вакуумный блок
поля индуктора и вызываемого им вторичного (наведенного) тока в зоне расплава. Разные значения поверхностного натяжения, связанные с колебаниями температуры, вызывают появление дополнительного потока, названного потоком Марангони. Подобные потоки могут вызывать дополнительные температурные колебания в расплаве и влиять на свойства кристаллов.
Оборудование для индукционной бестигельной зонной плавки -это комплекс сложных, тесно взаимосвязанных систем. Установка (рис. 138) состоит из механической, вакуумной, газовой, высокочастотной и контрольно-измерительной систем.
Механическая система установки обеспечивает перемещение и вращение держателей плавящегося и растущего стержней, а также индуктора. При этом узлы приводов, обеспечивающих заданные движения, должны обеспечивать высокую точность параметров как в статическом, так и в динамическом режимах работы. Кроме этого, механическая система должна исключать возможность возникновения вибрации, так как последняя приводит к значительному ухудшению процесса плавки.
Вакуумная система должна обеспечивать проведение процесса плавки при давлении sS 1,33 • IO'3 Па. При плавке в газовой среде в
304
камере выращивания создается давление до 1,72- IO5 Па и при необходимости обеспечивается поток газа в количестве до 50 л/мин. Наиболее важной задачей вакуумно-газовой системы является обеспечение максимальной чистоты процесса выращивания кристаллов.
Высокочастотная система установки включает силовой блок (блок питания) и высокочастотный генератор, выходным элементом которого является индуктор. Обычно используемые в промышленности генераторы работают в диапазоне частот 1,7-5,3 МГц (основных составляющих высокочастотного тока генератора).
Выбор режима и обеспечение надежности работы генератора имеют первостепенное значение. При этом чрезвычайно важно добиться такой работы генератора, при которой поступающий на индуктор ток преимущественно содержит основную частоту. Особенно важно не допускать в рабочем токе индуктора высших гармонических составляющих (максимальное их содержание в токе не должно превышать 5 %).
Мощность высокочастотного генератора, необходимая для проведения плавки, определяется тепловой мощностью, затрачиваемой на расплавление стержней кремния определённого диаметра, и потерями в электрической схеме генератора (к.п.д.). Зависимость тепловой мощности P от диаметра стержня D [230] следующая:
D1MM......... 10 20 40 60 80 100 120 140 160
Р, кВт....... 0,3 0,8 2,4 4,7 7,6 11,0 15,0 19,8 24,4
Учитывая (на основе опытных данных), что суммарно для, индуктора и системы колебательных контуров к.п.д. 5S 0,25, для оценки мощности генератора необходимо тепловую мощность плавки увеличить в 4 раза.
Контрольно-измерительная и регулирующая системы установки являются важнейшей составной частью. С ее помощью обеспечивается требуемая точность регулируемых параметров процесса плавки. При выращивании кристаллов управляют следующими основными параметрами: мощностью, выделяемой индуктором, скоростями выращивания и вращения держателей стержня.
