Бестигельная зонная плавка

Бестигельная  зонная плавка — метод получения кристаллов из малого объёма расплава, формально являющийся разновидностью зонной плавки, не использующей тигля или иного контейнера.

       Фактически отсутствие контейнера приводит к необходимости существенного изменения способа подачи энергии в расплавленную зону и отвода её по сравнению с зонной плавкой в контейнере. Радикально изменяет течение физических процессов в зоне,  ведет к исчезновению напряжений и загрязнений, вводимых взаимодействием расплава и кристалла с материалом контейнера. То есть несмотря на формальное сходство, бестигельная зонная плавка кардинально отличается от зонной плавки в контейнере.

       Преимущества бестигельной зонной плавки, позволяющие предотвратить взаимодействие очищаемого слитка с материалом контейнера, привели к созданию многочисленных конструкций аппаратов и их широкому применению для исследований и промышленных условий, в первую очередь в производстве полупроводникового кремния.

Наибольшее распространение  получили установки бестигельной зонной плавки высокочастотным нагревом. Установки с электроннолучевым нагревом применяют для производства особо чистых тугоплавких металлов и выращивания их монокристаллов. Эти способы нагрева позволяют достигать наибольшей напряженности теплового поля и создать узкую расплавленную зону. При нагреве токами высокой частоты происходит интенсивное перемешивание на расплавленном участке, способствующее ускорению диффузии примесей, в расплавленную зону. Имеются установки бестигельной зонной плавки и с графитовым нагревателем сопротивления, а также со световым нагревом зоны. (Существует, но пока не имеет широкого практического применения модификация метода, с так называемым «парящим расплавом» — в поле индуктора без какого-либо контейнера парит капля расплава, которую подбором соответствующей конфигурации и интенсивности поля и введением затравочного кристалла можно перекристаллизовать. На 2008-й год максимальный вес удерживаемого таким образом в поле расплава составлял 30-40г.) Перемещение расплавленной зоны можно осуществлять двумя способами, создавая поступательное движение нагревателя относительно неподвижного слитка или слитка относительно неподвижного нагревателя. В зависимости от технологических требований процесс бестигельной зонной плавки можно проводить в 'восстановительной атмосфере, в атмосфере инертного газа и в вакууме.

Характеристикой процесса является  геометрические размеры зоны  расплава (диаметр  и ширина) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

 Очищаемый стержень 5 с постоянным сечением, помещают внутрь рабочей камеры 1 так, чтобы он был охвачен индуктором 6, и укрепляют в строго вертикальном положении.   

     Верхний (Конец стержня укрепляют в  зажиме 4  верхнего штока 3, а нижний конец — в зажиме 9 нижнего штока 11. Зажимы, пружинящие цанги или патроны изготовляют из жаропрочного материала, например молибдена. Стержень центрируют внутри индуктора.

     Камера  герметично закрывается дверцей 7, в  которой имеется смотровое окно 8 для наблюдения за процессом. Смотровое окно выполняют, как правило, из прозрачного кварцевого стекла в виде вертикальной щели. Иногда делают несколько круглых смотровых окон, расположенных на дверце напротив стержня,  (однако  в том  случае  если  зона расплава  труднодостурна  для оптичнского  наблюдения, 

     используется   ‘y’(гама)-источник: в этом случае поток 

     радиации  источника  проходит  сквозь  окна  рабочей  камеры и попадает в зону расплава. Радиация частично  поглощенная  расплавом регистрируется  счетчиком, а  этот  счетчик  периодически переключается  для  регистрации   потока  излучения  эталонного  источника). Существует  также достаточно  перспективный способ  контроля основанный  на  измерении  момента  «вязкого течения».

       Электропитание индуктора осуществляется через уплотненный ввод 12. Рабочая камера подсоединяется к вакуумной системе через патрубок 13, размер которого определяется условиями поддержания в камере необходимого уровня остаточного давления, типом и размером аппаратуры вакуумной системы. Для создания    в    рабочей   камере    атмосферы инертного или другого технологически необходимого газа предусмотрены вентиль и натекатели 10 и 2.

     Процесс очистки стержня бестигельной зонной плавки осуществляется следующим образом. Стержень 5 перемещается в начальное положение разогрева зоны, выключается привод перемещения штоков, дверца камеры закрывается, в камере создается предварительный вакуум. После подачи воды в систему охлаждения (к камере, штокам, дверце со смотровыми окнами, вакуумной системе) и регулировки расхода охлаждающей воды для обеспечения нужного слива с каждого места охлаждения вакуум в камере доводят до нужного уровня и устанавливают необходимую мощность на нагревателе для разогрева слитка. Когда создается расплавленная зона, включают привод перемещения и привод вращения верхнего и нижнего штоков и осуществляют рабочий проход расплавленной зоны вдоль очищаемого стержня. По окончании прохода зоны, по всей длине стержня и «замораживания» зоны в конечном положении возвращают стержень в исходное положение, снова создают зону; процесс повторяют необходимое число раз.

     Для получения в условиях бестигельной зонной очистки стержней в виде монокристаллов требуется применять ориентированную  монокри-сталлическую затравку. В этом случае в последовательность действий оператора вносятся некоторые изменения. Стержень-заготовку укрепляют в зажиме верхнего штока и центрируют его относительно нагревателя, а ориентированную монокристаллическую затравку укрепляют в зажиме нижнего штока. При этом возникает необходимость сращивания в один стержень монокристаллической затравки и стержня. Поэтому выполняют все описанные выше операции до операции первичного расплавления зоны, стержень-заготовку перемещают относительно нагревателя в такое положение, при котором создается капля расплава на его нижнем конце; разогревают и подводят к капле затравку. Далее процесс проводят так, как это описано выше, если размер затравки равен размеру очищаемого стержня. Если же сечение монокристаллической затравки меньше сечения стержня, то необходимо осуществить разращивание переходного конуса под заданным углом до требуемого диаметра монокристалла. Далее процесс плавки проводят в обычном порядке.

Слиток  кремния  2   укрепляют  между  верхним  и нижним щтоками 1  внутри  герметизированной  рабочей   камеры 5.  Верхний   шток  свободно  вращается  и  передвигается   вверх  и  вниз. Нижний шток вращается  со  скоростью  около  2об\мин.  Слиток,  вставленный  между  штоками,  оказывается  внутри  высокачастотного  индуктора,  обеспечивающего  расплавление  узкой  зоны. Процесс  ведут  в  вакууме  в среде инертного  газа  или  в   водороде.

После расплавления токами высокой  частоты определенного   участка  стержня  зона  расплава  кремния  поддерживаемая  поверхностным  натяжением ,  в результате перемещения  слитка  или   индуктора  перемещается  с одного  конца  слитка  к  другому.

Скорость перемещения    может  изменяться  в пределах  от  0.3  до12 мм\мин.  Одновременно

С вертикальным перемещением  верхняя   часть  слитка   вращается   в  одну сторону, а  нижняя -  в  противоположную,  что  обеспечивает  хорошее  перемешивание  расплава. Это  способствует  равномерному перемешиванию  примеси  и  упорядочению  кристаллической  решетки.  Примеси  же  в  расплавленной  зоне  всплывают  вверх и следовательно  постепенно  скапливаются  в  верхней  части  слитка, которую  можно  потом удалить. Кроме  очистки, бестигельная  зонная  плавка  позволяет  увеличить  сопротивление  кремния  до  1000 Ом*см.  Недостаток   метода-низкая  производительность,  поэтому  ведется  поиск более  производительных  методов. 
 
 
 
 
 
 

Скорость  выращивания

кристаллов  методом БЗП вдвое больше, чем  по методу Чохральского, благодаря

более высоким градиентам температуры. Из-за технических трудностей

выращиваемые  методом БЗП кристаллы кремния (их диаметр доведен до 150 мм)

     уступают  по диаметру кристаллам, получаемым методом  Чохральского.

Параметр                       |Метод            |Метод зонной плавки |

|                               |Чохральского     |                    |

|Максимальный  диаметр пластины, |150 - 400        |200                 |

|мм                             |                 |                    |

|Удельное сопротивление  p- тип, |0.005-50         |0.1-3000            |

|Ом ·см                         |                 |                    |

|Удельное сопротивление  n- тип, |0.005-50         |0.1-800             |

|Ом ·см                         |                 |                    |

|Содержание кислорода,  атом/см2 |10-100           |<10                 |

|Содержание углерода, атом/см2  |10               |<10                 | 

При бестигельной зонной плавке легирование выращиваемого  кристалла, как

правило, проводят из газовой фазы путем введения в  газ-носитель (аргон)

газообразных  соединений легирующих примесей. При  этом удельное

сопротивление кристаллов может изменяться в широких  пределах.

При выращивании  в вакууме получают монокристаллы  с очень высоким

сопротивлением .Остаточные доноры, кислород, углерод  и

тяжелые металлы  удаляют из кремниевого стержня  пятикратной зонной очисткой

в вакууме. Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием  кислорода. Кристаллы кремния n - и p - типов получают путем введения при выращивании соответствующих  примесей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор. Такие кристаллы электронного и  дырочного кремния маркируются  соответственно КЭФ и КДБ. 
К недостаткам метода БЗП относится значительная радиальная

неоднородность  распределения удельного сопротивления (20—30 %) получаемых

кристаллов, которую  можно уменьшить использованием трансмутационного

легирования.

 Монокристаллы  кремния, получаемые методом БЗП,  составляют около 10 %

общего объема производимого монокристаллического кремния и идут в основном

на изготовление дискретных приборов, особенно тиристоров большой мощности.

Первые монокристаллы  кремния методом зонной плавки были получены в 1952—1953 гг. компаниями Siemens и Bell Labs^.В СССР первые монокристаллы кремния методом зонной плавки были получены в 1963г на Подольском химико-металургическом заводе.На момент развала СССР методом бестигельной зонной плавки промышленно выпускались монокристаллы кремния диаметром до 76 мм. Основным их производителем был Запорожский титано-магниевый комбинат.На 2010 год промышленного производства материалов методами бестигельной зонной плавки в России и на Украине нет. Местами сохранились единичные лабораторные и полупромышленные установки.

На 2010 год в  мире методом бестигельной зонной плавки производятся кристаллы диаметром  до 150 мм, причём производство кристаллов ещё большего диаметра сопряжено с чрезмерными трудо- и ресурсозатратами, а производство кристаллов диаметром свыше 200 мм считается невозможным при существующем уровне развития технологии бестигельной зонной плавки.