Tehnologia pe bază de siliciu Proprietăți pentru producerea de siliciu policristalin
Y. Rekov, IF Chervonyi, OA Kisarin, VN Vania, VZ Kutsov, SG Egorov
Caracteristicile de creștere baze de siliciu cu diametrul de 6 ... 10 mm pentru pregătirea ulterioară siliciu policristalin prin reducerea hidrogenului de clorosilani. Se arată că principala caracteristică a procesului de creștere a procesului bazat pe siliciu este gradientul de temperatură axial în cristal este răcit, fluctuații care conduc la o rezistență mecanică redusă a cristalelor de siliciu.
Pe baza de înaltă puritate siliciu semiconductor produs 95% din toate tipurile de dispozitive semiconductoare, prin care sunt amplificate și controlate de curenți electrici și tensiuni, proces și stoca informații, conversia energiei solare în energie electrică și mai mult.
Principalii producători de siliciu policristalin din lume sunt companii și corporații: Semiconductori Hemlock; Siltronics Wacker; DC chimice; LDK Solar, MEMC; REC; M. Setek Co. ltd.; Tokuyama; Eniel; Mitsubishi. în curs de dezvoltare în mod activ întreprinderile producătoare de siliciu polikrsiatllichsekogo în China - Dago Noua Energie; România - Nitol Solar si MCC "Rosatom"; Kyrgyzstane -. OJSC Crystal, etc. In fiecare an, producția de siliciu semiconductoare continuă să crească. Conform [1, 2] siliciu policristalin are o creștere substanțială a volumului datorită dezvoltării intensive a energiei solare.
Modificarea „proces Siemens“ este utilizat anterior în URSS pentru producerea tehnologiei de siliciu policristalin în apă metalic reactoarele răcite [5] cu caracteristicile sale caracteristice. Prepararea siliciu implică sinteza triclorosilanului din siliciu metalurgic și acid clorhidric într-un reactor cu pat fluidizat, purificarea triclorosilanului, reducerea hidrogenului triclorosilanului într-un reactor, folosind substraturi de siliciu este încălzit la 900 ... 1100 o C. rezultată tije siliciu policristalin (Figura 1) sunt utilizate pentru creșterea monocristale și fabricarea ulterioară a dispozitivelor semiconductoare.
Figura 1 - Vedere din tije de siliciu policristalin, după o reducere de hidrogen) și procesul miezurilor se pregătesc pentru prelucrare ulterioară b)
Una dintre etapele pregătitoare de bază ale producției industriale de siliciu policristalin prin reducerea cu hidrogen a clorosilani și descompunerea termică a silanului pentru a furniza substraturi tijă siliciu utilizate ca baze pentru depunerea de siliciu pe ele. Diferite metode pentru producerea substraturilor tije [5-10], dintre care este cultivarea lor cea mai productivă a siliciului topit a piesei-inducer piedestalul [7]. Pentru tije trebuie să îndeplinească anumite cerințe pentru puritate și nivelul solicitărilor termice reziduale și rezistență mecanică. Pentru a obține tije de înaltă puritate procesul de cultivare se desfășoară în vid. Coborârea tije de rezistență mecanică substraturile se datorează tensiunilor lor semnificative reziduale termice, ceea ce crește ponderea din cauza eșecului căsătoriei în utilizarea ulterioară a tijelor [11, 12]. Fig. 2 prezintă o tijă de fractură tipică obținută conform [7], când este îndoire sau șoc termic ca bază în aparatul de reducere a hidrogenului sau a descompunerii termice a silan.
Figura 2 - O formă tipică de distrugere a tijei de siliciu datorită tensiunii termice reziduale
Obiectivul reducerii nivelului solicitărilor termice reziduale din siliciu substraturi bare și pentru a îmbunătăți rezistența lor mecanică continuă să fie o urgență și pentru diferite metode de cultivare rezolvate în moduri diferite, de exemplu prin gravare [10].
Cercetări privind îmbunătățirea tehnologiei și aparate pentru creștere de siliciu dintr-o preformă topit preforme inductor-soclu-tije cu un nivel redus de solicitări termice reziduale.
Cele mai multe studii
Luați în considerare unele tehnici speciale și aparate pentru creștere rod-way baze de date de siliciu. Figura 3 prezintă o (a) grup schemă generală (până la 10 bari pentru un proces) în creștere baze de siliciu cu diametrul de 6 ... 10 mm, cu siliciu postament-semifabricat (80 mm diametru). În procesul de cultivare, la un capăt superior al piedestalului-semifabricatul 3 prin intermediul inductorului 5 este creat siliciu se topesc 10 (Fig. 3b). topitura creat este păstrat pentru ceva timp la un inductor de putere constantă, pentru a forma în aceasta și un câmp termic preforme inițială predeterminată. După terminarea cristalelor de însămânțare de declanșare 7 fixat pe un suport 8 la capătul inferior al arborelui superior 9, se alimentează în topitură sunt scufundate în acesta, la o adâncime de 0,5 ... 1,0 mm (Fig. 3c) și menținut pentru o perioadă predeterminată de timp să se încălzească și topire. In prezent, se topește capetele inferioare ale cristalelor de însămânțare este determinată vizual prin atingerea cuplului și neted partitie clar (front de solidificare) a limitei dintre corpul și suprafața totală a topiturii de cristale de însămânțare la capătul superior al piedestalului-semifabricatul 3.
și - schema generală de cultivare; b - formarea unei topituri de siliciu în preformei; în - cufundarea semințelor într-o topitură de siliciu; 1 - tija de fund; 2 - suportul de încrețire inițial; 3 - siliciu preforme inițial - postament; 4 - cablul de curent al inductor; 5 - inductor pentru a crea o topitură; 6 - tije cultivate substrat; 7 - cristale de însămânțare; 8 - titularul de cristal de semințe; 9 - ax superior; 10 - zona de topitură
Figura 3 - Schema de siliciu substraturi de creștere de grup.
După atingerea constantă față de cristalizare starea este comutată mișcarea barei superioare cu cristale de însămânțare și începe procesul de tije substraturile diametrul și lungimea predeterminate. Din cauza dificultăților tehnice nu se produce rotația cristalului de însămânțare. Inițial Piedestalul gol-siliciu este rotit pentru a forma un câmp electromagnetic simetric al inductorului 5 și topirea obține uniformitate postament cald și se topesc zona.
Experiența a demonstrat că cultivarea în acest mod duce la topirea curbura frontală a blancul 11 inițial în siliciu (Fig. 4a), datorită transferului termic intens prin substrat tije cultivate. Pentru a compensa curbura pentru a îmbunătăți inductor de putere. Acest lucru duce la o creștere a substratului sub înălțimea coloanei de tijă se topesc, perturbarea stabilității procesului de creștere și de a cultiva o scădere bruscă a vitezei de bare substraturi.
Pentru a elimina dezavantajele descrise utilizând buclă închisă suplimentar 12 (Fig. 4b), distanțate deasupra inductor de topire. buclă închisă 12 îndeplinește funcția de ecranare a câmpului electromagnetic deasupra bobinei de topire, asigură poziția față de solidificare tije de stabilizare și substraturi pentru a îmbunătăți viteza de substraturi de cultivare barelor atunci când puterea inductor de topire.
și - curbura frontului de topire în piesa de prelucrat-postament; b - ecranare termică suplimentară prin buclă închisă pentru a compensa curbura frontului de topire
Figura 4 - Îmbunătățirea structurii unității termice pentru creștere tije substraturi.
Experimentele au arătat că Dezavantajul acestei soluții tehnice este creșterea gradientului de temperatură în tijele longitudinale răcite în zona situată deasupra buclă închisă 12.
Pentru a rezolva identificate în timpul experimentelor de creștere ecrane speciale de cupru 13 ale structurii tubulare 3 cm tije lungi au fost testate substraturi deficiente (Fig. 5). Ecranele 13 aranjate structural pe planul superior al turn scurtcircuitat 12 nu are nici un efect asupra ratei de crestere a substraturilor tije și să le permită să reducă gradientul de temperatură longitudinală.
Având în vedere îmbunătățirea designului ansamblului termic (vezi. Fig. 3 și Fig. 5), considerăm mai în detaliu procesul de răcire a tijelor de semințe de siliciu se deplasează în sus din zona topită. Răcirea disipare bare de căldură datorită conducției căldurii în ax superior răcit cu siliciu determină gradientul de temperatură de-a lungul axei unei bare care poate fi ușor observată în timpul cultivării. Pe măsură ce deplasați în sus rod crescut de disipare a căldurii la arborele superior răcit acumulează radiația de căldură de la suprafața laterală a barelor pe peretele interior răcit al camerei de creștere. Fluxul termic de radiație de la suprafața tijelor dă naștere la un gradient de temperatură radial, care este extrem de dificil să se determine experimental.
Figura 5 - ecrane speciale pentru baze de siliciu ecranare crescute termic
În termen de ecran 13, radiația de căldură de la suprafața tijelor din cauza ecranarea termic este redus foarte mult. Lungimea ecranului 13 este ales experimental, astfel încât să se reducă în mod semnificativ influența câmpului termic al unui ax superior răcite pe câmp termic ecranat sârmă. Ca urmare, este posibil pentru a reduce gradientul de temperatură longitudinal în tija în interiorul ecranului 13, ceea ce reduce tensiunile mecanice în tija. Pentru a estima gradientul de temperatură radial în tija calcula criteriul Bio de formula [13]:
Rezultatele calculului de Biot la T = 1070 ... 1688 K pentru o tijă de 6 mm în diametru sunt prezentate în tabelul. 1 și arată că Bi este mai mic de 0,1.
Tabelul 1 - Rezultatele calculului număr Biot.
Aceasta înseamnă că diametrul tijei de siliciu este de 6 mm în sens termofizice „subțire“ și gradientul de temperatură radial în acesta la T = 1070 ... 1688 K pot fi ignorate. Aceasta implică faptul că principala cauză tensiunile termice în tija este răcită printr-un gradient de temperatură axial.
Valoarea din acest studiu a fost determinată experimental folosind un pirometru optic portabil standard, au fost luate „Promin“ măsurarea erorii 15 K. Măsurători în timpul tijelor de creștere prin tehnici convenționale, fără ecran 13 și utilizând acest ecran.
Experimentele au arătat că, cu absența ecranului 13, temperatura suprafeței axei tijei variază de la 1688 K 1070 K ... 870 la o distanță de 2,5 cm în sus de buclă închisă 12. La o astfel de bare la distanță începe deja să achiziționeze un interval de temperatură caracteristică întuneric cireșe luminiscență 870 ... 1070 K. valoarea medie a gradientului de temperatură în acest caz este de 200 ... 300 K / cm. În timpul răcirii tija de siliciu devine ductil casant. gradient de temperatură axială semnificativă în tija și reținute după ductilă de siliciu de tranziție fragil și este motivul pentru existența tensiunilor termice reziduale de întindere, care duc la fisurare și defecțiuni mecanice.
Atunci când în creștere tijă folosind un singur ecran tubular 13 datorită fluxului de ecranare radiație termică de pe suprafața tijei este redusă cu aproximativ două ori mai mare [14], iar concentrația de căldură are loc în interiorul zonei ecranată. Gradientul de temperatură axial dedesubtul ecranului în tija este redusă la o medie de 100 ... 150 K / cm, iar rata de răcire este semnificativ redusă datorită unei reduceri semnificative a conductivității termice a siliciului. Temperatura de 870 ... 1070 K suprafață bar, în acest caz, se realizează în afara ecranului 13 la o distanță de 2,5 ... 3 cm de marginea superioară.
Astfel, experimentele au stabilit că, atunci când în creștere, fără gradient de temperatură suplimentar de ecranare axială în intervalul de temperatură de 1140 ... 1200 K, în care siliciu este într-o stare plastică, este de 200 K. Atunci când în creștere cu ajutorul ecranului 13 reduce căderea de temperatură este de aproximativ două ori este de 100 K.
Luând condiția fisurare în tija ipotezei cele mai mari solicitări axiale în formă de
Calculul arată suplimentare ecranare termică cu ecrane de cupru suplimentare 13 pot reduce semnificativ tensiunea din tijele de siliciu crescut de la 70 MPa la 40 MPa. Acest efect benefic permite utilizarea datelor tijelor de substrat, ca bază pentru depunerea fără teama de eșec mecanice în producția de siliciu policristalin.
În activitatea experimentală teoretic constatat că principala cauză a rezistenței mecanice insuficiente a tijei de substraturi de siliciu crescut de la inductor topit soclu-preforme sunt solicitări termice reziduale de întindere provocate de gradientului semnificativă a temperaturii axiale în interiorul tijei de răcire. termică în creștere de design de asamblare camera a fost rafinat pentru a reduce gradientul de temperatură respectiv, prin montarea ecran suplimentar în buclă închisă și tubulare scuturi termice cupru lungime specială de 3 cm fiecare, dispuse pe planul superior al buclei scurtcircuitat. Ecranele tubulare de aplicare a permis să înjumătățească valoarea gradientului de temperatură axial tijele și, datorită acestui fapt, ele reduc nivelul solicitărilor termice reziduale de la 70 MPa la 40 MPa. Astfel, studiile experimentale realizate și estimările teoretice a permis să demonstreze fezabilitatea și eficacitatea ecranelor de cupru în creștere grup Schema unei tije piedestal siliciu substraturi pentru a le reduce nivelul solicitărilor termice reziduale și de a reduce căsătoria distrugerii în producția de siliciu policristalin prin reducerea hidrogenului triclorosilanului și descompunerea termică a silan.
6. Sally IV Falkevich ES producția de siliciu semiconductor. M. Metalurgie, 1970. - 152 p.
7. AJ Nashelsky Producerea de materiale semiconductoare. M. Metalurgie, 1989. - 272 p.
8. Metalurgie siliciu policristalin de puritate ridicată. Lapidus II Kogan BA Perepelkin VV si Dr. M. Metalurgie, 1971. -. 144.
9. VA Weisberg, HI Makeev MV Mezhenny. proprietăți Dependența prorchnostnyh de baze de siliciu pentru depunerea de siliciu din condițiile prime de cultivare a acestora. metale neferoase, 1985, №6. - S. 66-68.
10. VI Gozhavin, H.I.Makeev, L.A.Ryabtsev, FI Selitsky. Reducerea tensiunilor otatochnyh în tije de siliciu prin decapare. Metale neferoase 1986, №1. - S. 56-57.
11. Chashchin YM Falkevich ES Petrik AG et al. Studiile de cracare din tije de siliciu. metale neferoase, 1986, №4. - S. 65-67.
13. Belyaev.N.M. Ryadno AA Metode de conducție termică nestaționară. M. Școala Superioară din 1978. - 326 cu.
14. Isachenko VP Osipova VA Sukomel AS Transferul de căldură. M. Energie, 1975. - 488 p.
15. Renyan B.P. tehnologia semiconductoarelor de siliciu. M. Metalurgie 1969, 1969. - 336 p.