close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10056

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.12.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10056
(13) C1
(19)
C 30B 13/00
C 30B 30/00
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛА
МЕТОДОМ ПЛАВАЮЩЕЙ ЗОНЫ
(21) Номер заявки: a 20041234
(22) 2004.12.27
(43) 2006.06.30
(71) Заявитель: Феонычев Александр Иванович (RU)
(72) Автор: Феонычев Александр Иванович (RU)
(73) Патентообладатель: Феонычев Александр Иванович (RU)
(56) US 5688321 A, 1997.
RU 2022067 C1, 1994.
DE 19610650 A1, 1997.
BY 10056 C1 2007.12.30
(57)
1. Способ выращивания кристалла методом плавающей зоны из исходного образца,
отличающийся тем, что сообщают вибрационное движение всему образцу, включающему плавящуюся часть, жидкую зону и растущий кристалл, либо только плавящейся части
или растущему кристаллу для создания на свободной поверхности жидкой зоны стоячей
волны с числом попадающих на указанную поверхность периодов не менее двух и с амплитудой, выбираемой из интервала от 0,003R до 0,008R, где R - радиус кристалла.
Фиг. 3
BY 10056 C1 2007.12.30
2. Устройство для выращивания кристалла методом плавающей зоны из исходного
образца, включающее индукционную катушку для создания однородного по длине жидкой зоны образца постоянного осевого магнитного поля регулируемой интенсивности, отличающееся тем, что содержит вибратор, выполненный с возможностью сообщения
вибрационного движения всему образцу, включающему плавящуюся часть, жидкую зону
и растущий кристалл, либо только плавящейся части или растущему кристаллу для создания на свободной поверхности жидкой зоны стоячей волны с задаваемыми значениями
амплитуды и числа попадающих на указанную поверхность периодов.
Способ и устройство для выращивания кристаллов методом плавающей зоны (МПК
С30В11; С30В13; С30В15).
Изобретение относится к управлению течениями в жидкостях, имеющих свободную
поверхность и границу раздела фаз, и может быть использовано при разработке способов
и устройств, предназначенных для оптимизации процессов тепломассопереноса в жидкостях при наличии фазовых переходов.
Цель изобретения - увеличение однородности состава жидкости на границе фазового
перехода и в твердой фазе по сравнению с существующими аналогами при выращивании
монокристаллов методом плавающей зоны в условиях микротяжести и в нормальных земных условиях.
Известно несколько способов, имеющих целью усилить перемешивание жидкости и
на этой основе улучшить равномерность распределения легирующих примесей в монокристаллах. Прежде всего, это - высокочастотная вибрация от пьезоэлектрического генератора (частота колебаний больше 20 кГц), создающая в объеме жидкости акустические
волны и тем самым способствующая перемешивание жидкости (патенты США 3265470,
117/39, 1966, 3843331, 117/38, 1972, патент Российской Федерации 512791, С 30В 13/04,
1976). Повышение однородности распределения легирующих примесей в кристаллах при
использовании этого метода незначительно. Постоянное магнитное поле используется при
выращивании монокристаллов методом Чохральского в земных условиях (патент США
5359957, 117/13, 117/917, 1994). При этом отмечается снижение концентрации кислорода с
увеличением магнитного поля от 900 до 3000 гауссов (от 0 09 до 0 3 тесла). В научной литературе отмечается также, что при этом несколько снижаются колебания температуры в
жидкости и связанная с этими колебаниями микросегрегация легирующих примесей (полосчатость) в кристаллах. Этот эффект отмечен, например, в статье Hoshikava К., Konda
Н., Hirata H. Homogeneous dopant distribution of silicon crystal growth by vertical magnetic
field - applied Czochralski method. Japan. J. Appl. Physics, 1984. - Vol. 23. - № 1. - P. 237-239.
В целом ряде научных публикаций отмечалось, что использование постоянного магнитного поля приводит к уменьшению скорости течения и амплитуды колебаний температуры в
жидкости при выращивании кристаллов методом бестигельной зонной плавки (методом
плавающей зоны) на земле. На этой основе предлагалось использовать постоянное магнитное поле для снижения примесной полосчатости в монокристаллах. Однако, эксперименты, описанные в статье Dold Р., Croll A., Benz К.W. Floating-zone growth of silicon in
magnetic fields. I. Weak static axial fields // J. Crystal Growth. 1998. - Vol. 183. - P. 545-553,
показали, что в магнитных полях с индукцией до одного тесла при снижении примесной
полосчатости (микросегрегации) в кристалле увеличивается макросегрегация примеси по
радиусу кристалла. В сильных магнитных полях (с индукцией, большей 1 тесла) возрастает также продольная макросегрегация и появляется новый тип микросегрегации примеси
(Croll A., Szofran F.R., Dold Р., Benz К.W., Lehoczky S.L. Floating-zone growth of silicon in
magnetic fields. II. Strong static axial fields//J. Crystal Growth. 1998. - Vol. 183. - P. 554-563).
Постоянное магнитное поле использовалось в целом ряде экспериментов по выращиванию кристаллов методом плавающей зоны на борту космических аппаратов "Фотон". По2
BY 10056 C1 2007.12.30
ложительный эффект не был достигнут и эти эксперименты были прекращены. Увеличение радиальной макросегрегации примеси при использовании постоянного осевого магнитного поля было обнаружено в численных расчетах при моделировании выращивания
монокристаллов методом плавающей зоны в условиях невесомости (Feonychev А.I., Dolgikh G.A. Effect of magnetic field on crystal growth process under action of gravity and capillary convection // Ninth European Symposium. Gravity-dependent phenomena in physical
sciences. Berlin, Germany, 2-5 May 1995. Abstracts. - P. 246).
Результаты экспериментального исследования течений в модельных жидкостях при
воздействии низкочастотной вибрации кристалла (с частотами от нескольких единиц герц
до десятков герц) для метода Чохральского приведены в работе Zharikov Е.V., Prihod'ko
L.V. and Storozhev N.R. Fluid flow formation resulting from forced vibration of a growing crystal // J. Crystal Growth. 1990. - Vol. 99. - P. 910-914. Однако до настоящего времени в научных публикациях отсутствуют данные, подтверждающие, что такой метод приводит к
реальному снижению микро- или макросегрегации примеси.
Наиболее близким техническим решением, выбираемым в качестве аналога для использования низкочастотной вибрации, является а.с. РФ 1620510, 1988. В этом изобретении предлагается размещать в жидкости или на ее свободной поверхности систему
твердых тел с острыми кромками, которые приводятся в колебания от внешнего источника движения. Размещение твердых тел предлагается выбирать в зависимости от заданной
структуры конвекции. Представлены три возможные примеры расположения вибрирующих твердых тел. Амплитуда вибрации выбирается с использованием двух геометрических параметров: расстояния в направлении колебаний от острой кромки вибрирующего
тела до границы жидкой фазы и то же до границы вихря. Однако, второй линейный размер
невозможно определить заранее по нескольким причинам. Размер вихря зависит от интенсивности конвективного течения и граничных условий. Для турбулентного режима течения жидкости число и размеры вихрей быстро меняются во времени. Само понятие
"граница вихря" точно не определяется. В выражение для амплитуды входит частота вибрации, которая задается в виде неравенства и поэтому точно не определяется. В связи с
этими обстоятельствами выбор амплитуды и частоты вибрации с помощью приведенных
соотношений невозможен. В случаях, когда твердое тело размещено на свободной поверхности или частично погружено в жидкость, его вибрация создает волны на поверхности жидкости. Эти поверхностные волны должны сильно влиять на течение и
тепломассоперенос в жидкости. Параметры таких поверхностных волн в данном техническом решении никак не определяются.
В качестве аналога устройства для выращивания кристаллов методом плавающей зоны с использованием постоянного магнитного поля принимаются два связанных друг с
другом патента США авторов Kimura Yamagishi, Masanory Annaka, Hirotoshi Annaka
5688321. The apparatus for producing a silicon crystal by a floating-zone method, НКИ
117/200, 49, 51, от 18.11.1997 и 5556461 The method for producing a silicon single crystal by a
floating-zone method, НКИ 117/51, 49, 50, 204 от 17.09.1996. В этих патентах предлагается
использовать постоянное магнитное поле с индукцией от 300 до 1000 Гс (от 0,03 до 0,1
Тл). Эксперименты, описанные в двух статьях П. Долд и др., приведенные выше, показывают, что этот метод и устройство, решая в некоторой степени задачу снижения микросегрегации примеси, приводят к росту радиальной макросегрегации легирующих
примесей.
Задачей изобретения является уменьшение микро- и макросегрегации легирующих
примесей при выращивании монокристаллов методом бестигельной зонной плавки (методом плавающей зоны) при использовании стоячих поверхностных волн, создаваемых вибрацией, и постоянного осевого магнитного поля.
Поставленная задача решается тем, что на свободной цилиндрической поверхности
жидкой зоны создаются стоячие волны одного из двух типов. Первый тип стоячих по3
BY 10056 C1 2007.12.30
верхностных волн возникает при вибрационном движении всего образца, состоящего из
плавящейся части заготовки, жидкой расплавленной зоны и растущего монокристалла, как
одно целое. В этом случае на свободной поверхности жидкости возникают инерционные
волны. В диапазоне низких частот и земной гравитации эти волны были обнаружены Фарадеем в 1831 году. Если кристаллизация проводится в условиях микротяжести или частоты вибрации достаточно велики, чтобы можно пренебречь влиянием силы тяжести, то
имеет место инерционно-капиллярные волны. Результаты исследования свойств инерционно-капиллярных поверхностных волн опубликованы в двух статьях Feonychev А.I.,
Kalachinskaya I.S., Pokhilko V.I., Deformation of Fluid Column by Action of Axial Vibration
and Some Aspects of High-Rate Thermocapillary Convection // Proc. of Third Microgravity
Fluid Physics Conference Cleveland Ohio USA, June 13-15, 1996 NASA Conference Publication 3338. - P. 493-498; Феонычев А.И. Инерционно-капиллярные поверхностные волны и
их воздействие на рост кристаллов в невесомости // ИФЖ. - 2004. - Т. 77. - № 2. - С. 83-92.
Второй тип поверхностных волн создается вибрацией твердого тела, контактирующего со свободной поверхностью жидкости. В случае выращивания кристалла методом плавающей зоны таким твердым телом может быть или плавящаяся часть исходного образца
или растущий кристалл. Волна, отраженная на невибрирующем твердом теле, складывается с бегущей волной и создается стоячая поверхностная волна. В общем случае это хорошо известные гравитационно-капиллярные волны. При тех длинах жидкой зоны, которые
имеют место в реальном технологическом процессе, или при тех частотах вибрации, которые рассматриваются в предлагаемом техническом решении, воздействием силы тяжести
можно пренебречь даже при проведении процесса выращивания кристаллов на земле. Таким образом, рассматриваются только стоячие капиллярные волны, параметры которых
определяются аналитическими формулами:
f = (2πσ/ρλ3)0,5
v = 1,5((2πσ/ρλ)0,5,
где f - частота вибрации, Гц; σ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; ρ - плотность
жидкости, кг/м3; λ - длина волны, м.
В вышеуказанной статье: ИФЖ. - 2004. - Т. 77. - № 2. - С. 83-92, - было показано, что
стоячие поверхностные волны сильно влияют на структуру течения в жидкой зоне и тепломассоперенос при выращивании кристаллов методом плавающей зоны. Для создания
искомого положительного эффекта частота прикладываемой вибрации выбирается таким
образом, чтобы на свободной поверхности жидкой зоны укладывалось нужное число периодов стоячей волны. Число периодов инерционно-капиллярных стоячих волн n, укладывающихся на длине жидкого столбика, определяется по следующему соотношению:
n = 14,436 L1/5fρ0,5/σ0,5.
Для обычных капиллярных волн число периодов стоячих волн дается соотношением:
n = 1,41 Lf2/3 ρ1/3/σ1/3.
Здесь L - длина жидкой цилиндрической зоны, м.
Амплитуда и число периодов стоячей волны, которые обеспечивают повышение однородности распределения легирующих примесей в жидкой зоне образца, а, следовательно, и в растущем кристалле должны выбираться с учетом следующих условий. Во-первых,
однопериодная стоячая волна на свободной поверхности жидкой зоны (n = 1) непригодна
для указанной цели, поскольку в этом случае с ростом амплитуды стоячей волны наблюдается резкий переход от условия, когда стоячая волна не влияет на течение жидкости, к
срыву устойчивости течения и возникновению турбулентного течения с сильными колебаниями параметров и большими значениями микросегрегации легирующих примесей в
растущем кристалле. Для n в диапазоне от 2 до 6 основным параметром становится амплитуда стоячей волны. При амплитуде, меньшей 0,003R, стоячая волна также не влияет
на исходную структуру течения, а при амплитуде, большей 0,008R также наблюдается переход к турбулентному течению и росту микросегрегации легирующих примесей в расту4
BY 10056 C1 2007.12.30
щем кристалле. При n > 6, зависимость переноса примесей от этого параметра пропадает.
Таким образом, n > 1 и амплитуда стоячей волны в диапазоне от 0,003R до 0,008R, где R радиус кристалла, определяют тот диапазон параметров стоячей волны, который обеспечивает снижение макро и микросегрегации легирующих примесей в растущем кристалле.
При этом, чем больше интенсивность исходной конвекции, тем больше должна быть амплитуда стоячей волны.
В предлагаемом техническом решении предполагается также использовать постоянное
осевое магнитное поле, которое, как показывают расчеты, не только практически устраняет микросегрегацию примеси, но может дать некоторое снижение радиальной макросегрегации примеси. Интенсивность используемого магнитного поля описывается числом
Гартмана На = BR(χ/ρν)0,5, где В - магнитная индукция, χ - удельная электропроводность
жидкости.
На фиг. 1 показана схема проведения процесса выращивания кристаллов методом плавающей зоны при наличии на свободной поверхности жидкости инерционно-капиллярной
стоячей волны (1). Жидкая зона (2), плавящийся стержень (3) и выращиваемый кристалл
(4) движутся в режиме гармонической вибрации как одно целое под воздействием вибратора (5). На фиг. 2 показана схема выращивания кристалла при создании вибрацией капиллярной стоячей волны (1) на свободной поверхности жидкой зоны (2). В этом случае
вибрация прикладывается только к одному твердому телу, в данном случае это выращиваемый кристалл (3). Плавящаяся часть (4) материала неподвижна. Вибратор (5) связан
только с растущим кристаллом. Вибрировать может и плавящаяся часть исходного материала, поскольку число периодов стоячей волны на длине жидкой зоны невелико и затухание амплитуды стоячей волны при удалении от вибрирующего тела незначительно.
На фиг. 3 показана схема с вибрацией растущего кристалла (1) под действием вибратора (2) при одновременном использовании стороннего осевого магнитного поля. Плавящаяся часть (3) материала неподвижна. Осевое магнитное поле создается соленоидной
катушкой (4), питаемой постоянным электрическим током. Длина катушки больше длины
жидкой зоны (5), что обеспечивает однородность напряженности магнитного поля по всей
длине жидкой зоны. В данном случае также на свободной поверхности жидкой зоны создается стоячая капиллярная волна (6). На фиг. 1-3 схематично показан мгновенный вид
стоячей поверхностной волны. Во всех предлагаемых схемах вибрация прикладывается до
начала процесса кристаллизации, чтобы установилось требуемое результирующее течение. После этого начинается процесс роста кристалла.
Нижеследующие примеры реализации предложенных схем даны с использованием
численных расчетов.
Пример 1.
При выращивании кристалла кремния с примесью фосфора рассмотрены три режима
конвекции, отличающиеся интенсивностью термокапиллярной конвекции, которая характеризуется числом Марангони Ма = -(∂σ/∂Т) ∆T R/(ρνκ), где σ - поверхностное натяжение, Т - температура, ∆T - максимальная разность температуры в жидкой зоне, ρ, ν и κ плотность, кинематическая вязкость и температуропроводность жидкости, соответственно. Числа Марангони в этих расчетах равны 143,6, 900 и 1520. В этих трех режимах ламинарной конвекции без воздействия вибрации относительная радиальная неоднородность
распределения фосфора (макросегрегация), характеризуемая параметром ∆Cs/Cs (∆Cs разность концентрации фосфора на границе кристаллизации между максимальным и минимальным значениями, Cs - средняя концентрация фосфора на этой границе), равняется,
соответственно, 6,5 %, 3,75 % и 3 %. При воздействии стоячей поверхностной волны, состоящей их двух периодов (n = 2), и при амплитуде волны, отнесенной к радиусу жидкой
зоны, δ = 0,0035 параметр радиальной макросегрегации примеси ∆Cs/Cs во всех трех случаях один и тот же и равен ~1 %, т.е. уменьшается в 3÷6,5 раз. При правильном выборе
параметров стоячей волны колебания параметров в жидкости, создаваемые приложенной
5
BY 10056 C1 2007.12.30
вибрацией, невелики. Частота этих колебаний меньше частоты приложенной вибрации и
имеет порядок десятых долей герц. Амплитуда колебаний концентрации примеси (микросегрегация) не превосходит 1 %.
Пример 2.
При выращивании того же материала в турбулентном режиме конвекции (Ма = 2200)
без использования стоячей поверхностной волны имеют место колебания концентрации
примеси на границе кристаллизации (микросегрегация примеси) с амплитудой ~7,7 %.
Осредненное по времени значение параметра макросегрегации примеси ∆Cs/Cs равняется
1,3 %. При использовании стоячей поверхностной волны с n = 3 и δ = 0,006 микросегрегация снижается в 5 раз, до 1 54 %. Частота колебаний такая же, как и без применения вибрации. Выбор оптимальной амплитуды стоячей волны в этом примере иллюстрируется,
результатом численного расчета, показанного на фиг. 4. На этом рисунке стрелки показывают момент изменения амплитуды стоячей волны, а цифры между стрелками - значения
δ в интервале времени между стрелками. Левая стрелка показывает момент начала действия стоячей поверхностной волны (слева от нее стоячая волна отсутствует). Если применить безразмерные данные этого примера для кристалла кремния с примесью фосфора, то
они соответствуют радиусу выращивания кристалла, равного 0,036 м, при разности температуры в жидкой зоне ∆T = 3K и скорости кристаллизации, равной 3,6 мм/ч.
Пример 3.
При выращивании того же материала в ламинарном режиме исходной конвекции
(Ма = 1300) радиальная макросегрегация примеси фосфора характеризуется значением
параметра ∆Cs/Cs = 0,03 т.е. составляет 3 % Колебаний состава, т.е. микросегрегация отсутствует. Результаты расчета при воздействии стоячей поверхностной волны с n = 2,
δ = 0,0034 при ступенчатом изменении интенсивности постоянного осевого магнитного
поля (числа Гартмана) показаны на фиг. 5. На этом рисунке горизонтальная штрихпунктирная линия показывает значение параметра ∆Cs/Cs, полученное без действия стоячей
поверхностной волны и магнитного поля. Вертикальные пунктирные прямые показывают
интервалы времени, в течение которых действует магнитное поле, интенсивность которого выражается числами Гартмана, стоящими между этими линиями. Слева от первой из
этих линий магнитное поле отсутствует. Данные этого расчета соответствуют кристаллу
кремния радиуса 0,036 м при перепаде температуры в жидкой зоне, равной 2,3 К. Магнитная индукция в этих расчетах менялась от 0,037 до 0,15 Тл. При числе Гартмана, равном
14,14 (магнитная индукция равняется 0,106 Тл), среднее значение параметра ∆Cs/Cs снижается до минимальной для данного примера величины, равной 0,0084 (0,84 %). При этом
имеют место колебания концентрации примеси с приложенной частотой вибрации, которые создают микросегрегацию примеси, составляющую ~2,2 %. При тех же параметрах
стоячей волны и при числе Гартмана, равном 20 (магнитная индукция равняется 0,15 Тл),
радиальная макросегрегация примеси несколько больше, ~1 %, но зато микросегрегация
почти в два раза меньше и составляет ~1,2 %. Данные, приведенные в этом примере, показывают, как достигается требуемая оптимизация параметров вибрации и магнитного поля.
Микросегрегация примеси при использовании стоячих поверхностных волн соответствует ширине примесных полос от десятых долей до нескольких микрон, в то время как в
обычно используемых промышленных установках примесные полосы, вызванные неустойчивостью конвекции, имеют размеры порядка сотни и более микрон. Например, если
радиус кристалла кремния R = 0,03 м, длина жидкой зоны L = 0,06 м, то для создания двух
периодов стоячей волны требуется вибрация с частотой 8,5 Гц. На этой частоте при скорости роста кристалла, равной 3,6 мм/ч примесные полосы будут порядка 0,12 мкм. Такие
примесные полосы легко устраняются отжигом выращенного кристалла. Например, для
кремния при температуре 1400 °С коэффициент диффузии примесей в твердом веществе
лежит в диапазоне 10-10 ÷ 10-11 см2/с. Потребуется от 0,4 до 4 ч отжига, чтобы устранить
появившуюся полосчатость кристалла, что вполне приемлемо. Таким образом, предлагае6
BY 10056 C1 2007.12.30
мое техническое решение позволяет значительно снизить макро- и микросегрегацию легирующих примесей в кристаллах, выращиваемых методом плавающей зоны, по сравнению с существующей технологией. Данное техническое решение дает возможность
выбирать такие параметры вибрации и интенсивности осевого магнитного поля, которые
наилучшим образом обеспечивают высокое качество выращиваемых кристаллов.
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
260 Кб
Теги
патент, by10056
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа