Кристалізатор для виробництва кристалічних напівпровідникових заготовок та спосіб його виготовлення

Реферат: Даний винахід стосується кристалізатора (1) для виробництва кристалічних напівпровідникових заготовок, вищезгаданий кристалізатор має внутрішній об'єм, який обмежується дном (1а), верхня поверхня якого включає плоску частину, яка утворює першу горизонтальну площину (Н), та периферійними боковими стінками (1b), кожна з яких включає внутрішню поверхню, яка включає по суті вертикальну плоску частину, яка утворює по суті вертикальну площину (V), перпендикулярну першій, горизонтальній площині (Н), вищезгадані бокові стінки (1b) з'єднують дно (1а) по периметру останнього, утворюючи радіус кривизни R1 принаймні 1 мм, причому лінія перерізу (hv), яка утворює переріз між першою, горизонтальною площиною (Н) та по суті вертикальними площинами (V), утвореними по суті вертикальними плоскими частинами кожної бокової стінки (1b), повністю перебуває на бокових стінках (1b), на дні (1а) або у внутрішньому об'ємі кристалізатора. UA 111753 C2 (12) UA 111753 C2 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь винаходу Даний винахід в цілому стосується виробництва напівпровідникових кристалів, наприклад, кремнієвих, для застосування у фотоелектричних пристроях. Зокрема, він стосується спеціального кристалізатора, особливо придатного для виробництва монокристалічних або квазімонокристалічних напівпровідникових зливків для виготовлення напівпровідникових пластин з застосуванням центрів кристалізації. Рівень техніки Напівпровідникові пластини, наприклад, кремнієві, широко застосовуються у фотоелектричних пристроях для перетворення фотонної енергії на електричну енергію. В ідеалі застосовують монокристалічні напівпровідники, наприклад, з монокристалічного кремнію (MCS), які забезпечують електричний коефіцієнт перетворення порядку 18-19%. Однак виробництво напівпровідникових монокристалів є доволі повільним і дорогим, як правило, з застосуванням процесу витягування способом Чохральського. Процес витягування способом Чохральського, описаний, наприклад, у публікаціях US2008/053368, US2011/214603 та WO2011/083529, полягає у витягуванні та кристалізації заготовки з ванни розплавленого напівпровідника. Умови витягування повинні жорстко контролюватися для мінімізації утворення дефектів, зокрема, швидкість витягування заготовки повинна бути дуже низькою, що збільшує виробничі витрати до неприйнятних для фотоелектричної промисловості розмірів. Таким чином, напівпровідник, виготовлений з застосуванням процесу витягування способом Чохральського, зазвичай застосовують в електроніці і рідко застосовують у фотоелектричних пристроях. Як описано, наприклад, у публікації US2007/227189, значно дешевшим типом напівпровідникових пластин є полікристалічний, такий, як полікристалічний кремній (PCS), який зазвичай одержують, застосовуючи вирощування способом Бриджмена, при якому ванну розплавленого напівпровідникового матеріалу, що міститься у кристалізаторі, охолоджують у контрольований спосіб для затверднення матеріалу з дна кристалізатора та піднімання кристалічно-рідкого фронту в напрямку верхньої частини кристалізатора. Для здійснення цього процесу кристалізатор помішують у піч і заповнюють напівпровідниковим вихідним продуктом. Піч вмикають для розплавлення всієї маси вихідного продукту. Після цього тепло відводять через дно за допомогою теплопоглинача, розташованого під кристалізатором; зазвичай теплопоглинач включає газ, який тече по трубах. Зміна швидкості потоку газу дозволяє контролювати швидкість відведення тепла з вихідного матеріалу. Коли температура у межах шару вихідного матеріалу, який контактує з дном, досягає температури кристалізації, кристали починають рости з дна і простягатися вгору, у процесі утворення фронту кристалізації. Можна одержувати партії до 500 кг з застосуванням технології Бриджмена порівняно з партіями приблизно по 100 кг при застосуванні процесу витягування способом Чохральського. Якщо вартість полікристалічних напівпровідникових заготовок, одержаних з застосуванням технології Бриджмена, становить приблизно третину вартості монокристалічних заготовок, одержаних з застосуванням технології Чохральського, коефіцієнти перетворення приблизно 14-16% які забезпечують полікристалічні пластини, є досить низькими порівняно з показниками, отриманими у разі монокристалічних пластин. Нещодавні дослідження продемонстрували, що монокристалічні або квазімонокристалічні напівпровідникові зливки можуть бути одержані з застосуванням технології Бриджмена шляхом вистеляння дна кристалізатора монокристалічними затравками (центрами кристалізації), які являють собою пластини з монокристалічного напівпровідникового матеріалу від кількох міліметрів до кількох сантиметрів завтовшки, одержані, наприклад, з застосуванням технології Чохральського. Такі результати представлено наприклад, у публікаціях FR2175594, WO2010/005705, US2011/0146566 та US2010/0003183. Верхня поверхня затравок, яка контактує з вихідним матеріалом, має розплавлятися останнім. Тепло має відводитися від дна кристалізатора до того, як нижня поверхня затравок починає плавитися, таким чином, щоб монокристалічна заготовка могла виростати з частково розплавлених затравок, при забезпеченні стійкого фронту затверднення у процесі кристалізації. Таким чином, температурний профіль у межах кристалізатора повинен контролюватись дуже точно. Кристалізатори для вирощування кристалічної заготовки зазвичай мають форму відкритої коробки, з дном та, як правило, чотирма вертикальними боковими стінками, які обмежують внутрішній об'єм і є виконаними з вогнетривкого матеріалу на основі оксиду кремнію. Умови виготовлення та застосування таких кристалізаторів вимагають відсутності гострих країв, інакше висока концентрація напружень призводитиме до утворення та поширення тріщин під час виробництва або після навантаження кристалізаторів та їх проведення через жорсткі термічні цикли. Тому дно кристалізатора з'єднує вертикальні бокові стінки, утворюючи радіус кривизни. Подібним чином дві суміжні бокові стінки також з'єднуються, утворюючи радіус кривизни. 1 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Обмеження (квазі-) монокристалічного росту напівпровідникової заготовки з застосуванням процесу Бриджмена полягає в тому, що, крім односпрямованих кристалів, Xu, які ростуть від дна, поперечні кристали, Xt, ростуть від бокових стінок кристалізатора у напрямку, поперечному загальному напрямкові росту монокристалів, як показано на Фігурі 5(а). Зокрема, у разі застосування монокристалічного центра кристалізації необхідна присутність радіуса кривизни у місці перетину між дном та боковими стінками запобігає повному вкриванню дна центрами кристалізації. Таким чином, обов'язково існує зазор між стінками кристалізатора та вертикально збільшуваною заготовкою. У цьому зазорі здебільшого розвиваються поперечні кристали, які ростуть від бокових стінок. Подібна ситуація також переважає, коли полікристалічний кристал вертикально росте від дна. Довжина t1 цих поперечних кристалів може досягати кількох сантиметрів, і їх проникнення в суміжний односпрямований кристал може створювати дефекти в його решітці і вимагає зачищення заготовки та переплавлення через неприйнятність для застосування у фотоелектриці, а це шкодить ефективності процесу. Даний винахід пропонує рішення щодо виготовлення (квазі-) монокристалічного напівпровідникового зливка з застосуванням процесу Бриджмена з поперечними кристалами, які ростуть від бокових стінок кристалізатора, при товщині, яка є суттєво меншою за ту, що досягається надалі. Цю та інші переваги даного винаходу представлено далі. Короткий опис винаходу Даний винахід визначається незалежними пунктами супровідної формули винаходу. Залежні пункти формули винаходу визначають оптимальні варіанти втілення. Зокрема, даний винахід стосується кристалізатора для виробництва кристалічних напівпровідникових заготовок, який має внутрішній об'єм, обмежений дном (1a), верхня поверхня якого включає плоску частину, яка утворює першу горизонтальну площину, та периферійні бокові стінки, кожна з яких має внутрішню поверхню, яка включає по суті вертикальну плоску частину, яка утворює по суті вертикальну площину (V), перпендикулярну першій, горизонтальній площині, вищезгадані бокові стінки з'єднуються з дном по периметру останнього, утворюючи радіус кривизни R1 принаймні 1 мм, причому лінія перетину, яка утворює перетин між першою, горизонтальною площиною та подовженням по суті вертикальних площин (V), утворених по суті вертикальними плоскими частинами кожної бокової стінки, повністю перебуває на бокових стінках, на дні або у внутрішньому об'ємі кристалізатора. В оптимальному варіанті втілення радіус R1 уздовж з'єднання між дном та боковими стінками визначається канавкою, що має ширину L1 та глибину d1, яка проходить по периметру дна і утворюється на дні та/або бокових стінках. Радіус R1 канавки в оптимальному варіанті складає від 5 до 25 мм, у ще кращому варіанті - від 10 до 17 мм, у найкращому варіанті - від 12 до 15 мм. Ширина L1 канавки в оптимальному варіанті складає від 5 до 30 мм, у ще кращому варіанті - від 10 до 20 мм, у найкращому варіанті - від 12 до 17 мм. Глибина d1 канавки в оптимальному варіанті складає від 1 до 8 мм, у ще кращому варіанті - від 2 до 6 м, у найкращому варіанті - від 3 до 5 мм. В одному варіанті втілення донна канавка передбачається на дні, проходить по периметру останнього і в оптимальному варіанті з'єднується з радіусом кривизни R2, частиною дна, яка є копланарною з горизонтальною площиною. В альтернативному варіанті втілення деякі або всі бокові стінки (1b) мають бокову канавку, яка проходить по периметру дна і з'єднується з радіусом кривизни R3, частиною кожної бокової стінки, яка є копланарною з вертикальною площиною. У третьому варіанті втілення кристалізатор включає як донну канавку, так і бокові канавки. Як обговорювалося вище, дві суміжні бокові стінки таких кристалізаторів зазвичай утворюють кут, який має радіус R4 порядку від 5 до 25 мм для запобігання концентрації напруження в цьому місці. Для сприяння вистелянню по суті всієї площі дна прямокутними центрами кристалізації бажано, щоб радіус R4, утворений на куті між двома суміжними боковими стінками утворювався кутовою канавкою, утвореною на одній або обох суміжних бокових стінках, які простягаються вгору від дна уздовж кута між вищезгаданими двома суміжними стінками. Для спрощення виготовлення таких кристалізаторів бажано, щоб кутова канавка простягалася від дна до верхнього краю бокових стінок. Кутові канавки, які проходять по бокових стінках, можуть належати до такого самого типу, як обговорювалося вище стосовно донних канавок або бокових канавок, які проходять по периметру дна. Дно та стінки кристалізатора можуть бути вкриті матеріалом покриття. В оптимальному варіанті втілення дно має донну канавку, яка проходить по його периметру, вищезгадана донна канавка заповнюється матеріалом наповнювача, таким чином, щоб матеріал наповнювача був врівень з горизонтальною площиною. Матеріал наповнювача може бути одержаний з застосуванням матеріалу, вибраного з групи, до якої належать нітрид кремнію (Si3N4), сіалон, 2 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оксинітрид кремнію, плавлений кварц або кварцове скло, синтетичний кремнезем, металевий кремній, графіт, глинозем, природні або синтетичні керамічні матеріали на основі CaO-, SiO2-, АІ2О3-, MgO, ZrO2 або їх попередники (наприклад, силоксан, силазан і т. ін.) у формі: - шару низької густини, такого, як піна, який має густину, яка в оптимальному варіанті 3 3 становить від 0,3 до 1,6 г/см , у ще кращому варіанті - від 0,8 до 1,3 г/см , або - частинок, таких, як волокна, порожні тіла, наночастинки, мезосферичні частинки, та їх сумішей, причому кожен з вищевказаних матеріалів в оптимальному варіанті має вміст Fe менше за 20 ррm, у ще кращому варіанті - менше за 5 ppm, у найкращому варіанті - менше за 1 ppm. Якщо дно вкривається матеріалом покриття, він може бути таким самим, як матеріал наповнювача, що заповнює донну канавку. Для вирощування (квазі-) монокристалічних заготовок дно в оптимальному варіанті вистеляють принаймні одним центром кристалізації. В оптимальному варіанті по суті вся площа дна має бути вистелена більш, ніж одним центром кристалізації. Перевага кристалізатора згідно з даним винаходом полягає в тому, що центри кристалізації можуть простягатися по суті до кожної бокової стінки, простягаючись через частину донної канавки або частково зачеплюючись у боковій канавці. Крім того, в оптимальному варіанті донна канавка може бути заповнена матеріалом наповнювача для забезпечення по суті рівномірного потоку тепла по всій площі дна кристалізатора, включаючи зону канавки, під час етапу кристалізації. Даний винахід також стосується застосування кристалізатора, як визначено вище, для виготовлення кристалічної напівпровідникової заготовки, в оптимальному варіанті квазімонокристалічної заготовки. Кристалічна напівпровідникова пластина може бути одержана шляхом: - забезпечення кристалізатора, як обговорювалося вище; - формування кристалічної напівпровідникової заготовки у вищезгаданому кристалізаторі з застосуванням технології Бриджмена; - виймання заготовки з вищезгаданого кристалізатора і зачищення від будь-якого дефектного шару; та - нарізання зачищеної таким чином заготовки для утворення напівпровідникових пластин. Напівпровідниковим матеріалом в оптимальному варіанті є кремній. Потім кристалічні пластини можуть бути видалені з утвореної таким чином заготовки, і такі кристалічні пластини можуть піддаватися подальшій обробці для утворення фотоелектричного елемента. Короткий опис фігур Різні варіанти втілення даного винаходу пояснюються на супровідних Фігурах: Фігура 1: схематично показує вирощування кристала з розплавленого вихідного матеріалу з використанням центрів кристалізації, з кристалізатором (а) існуючого рівня техніки та (b) згідно з даним винаходом. Фігура 2: схематично показує боковий розріз з'єднання між дном та боковою стінкою (а) кристалізатора існуючого рівня техніки та (b) (є) різних варіантів втілення даного винаходу. Фігура 3: схематично показує перспективне зображення вирізу кристалізатора згідно зданим винаходом. Фігура 4: схематично показує вид згори двох варіантів втілення кристалізатора згідно зданим винаходом. Фігура 5: схематично показує товщину поперечних кристалів, які ростуть від бокової стінки кристалізатора (а) існуючого рівня техніки та (b) згідно з даним винаходом. Детальний опис винаходу Як можна побачити при порівнянні традиційного кристалізатора, показаного на Фігурі 1(а), з кристалізатором згідно з даним винаходом, приклад якого показано на Фігурі 1(b), кристалізатор (1) згідно з даним винаходом є цілком подібним до кристалізаторів, які застосовують у галузі для вирощування (квазі-) монокристалічних заготовок, наприклад, з кремнію, з застосуванням технології Бриджмена. Він включає дно (1a) та бокові стінки (1b), виконані з вогнетривкого матеріалу на основі оксиду кремнію, такого, як кварц або кварцове скло. Він може мати круглу основу, але зазвичай має квадратну або прямокутну основу. Дно та бокові стінки можуть мати покриття, яке зазвичай застосовують у галузі і яке являє собою шар у кілька мікрометрів завтовшки, що складається, наприклад, з нітриду кремнію. Дно (1a) кристалізатора може бути вистелене центрами кристалізації (3), які в оптимальному варіанті вкривають практично всю площу вищезгаданого дна. В обох типах кристалізаторів дно (1a) з'єднує бокові стінки, утворюючи радіус кривизни R1 для запобігання утворенню концентрації напружень на кутах та краях. Кристалізатор згідно з даним винаходом відрізняється від кристалізаторів існуючого рівня техніки геометричною формою стику між дном (1a) та кожною з бокових стінок (1b). Геометрична форма стику є такою, що більша частина кожної з ліній перетину (hν), що утворює 3 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перетин між першою, горизонтальною площиною (H) та подовженням (V) вертикальної частини кожної бокової стінки (1b), розташовується на бокових стінках (1b), на дні (1a) або у внутрішньому об'ємі кристалізатора. Горизонтальна площина (H) утворюється плоскою частиною верхньої поверхні дна (1a). Ця геометрична форма має перевагу, як полягає в тому, що центри кристалізації, які використовують для вирощування (квазі-) монокристалічних заготовок, можуть вкривати по суті всю площу дна (1a), як можна добре побачити при порівнянні кристалізатора існуючого рівня техніки на Фігурах 1(а) та 5 (а) з кристалізаторами згідно з даним винаходом на Фігурах 1(b) та 5(b). У традиційних кристалізаторах (пор. Фігури 1(а) та 5 (а)) центри кристалізації, які мають бути розташовані на дні горизонтально для забезпечення належного термічного контакту з дном (1a) кристалізатора, можуть вкривати лише горизонтальну частину дна і повинні різко перериватися до початку радіуса R. Дійсно, у традиційних кристалізаторах дно починає підніматися на стику з боковими стінками для утворення радіуса кривизни R. Таким чином, центри кристалізації повинні бути відокремлені від бокових стінок (1b) відстанню, що принаймні дорівнює R (R зазвичай складає від 5 до 20 мм). З іншого боку, у кристалізаторі згідно з даним винаходом центри кристалізації (3) можуть простягатись аж до бокових стінок, як можна побачити на Фігурах 1(b) та 5(b). Ця начебто мала різниця має значний вплив на ефективність виробництва (квазі-) монокристалічних заготовок. Як схематично показано на Фігурі 5(а), з відведенням тепла через дно односпрямовані кристали Xu, ростуть угору від розплавленої поверхні центрів кристалізації (3), але поперечні кристали Xt також ростуть у бічних напрямках від бокових стінок (1b). Температурний фронт, який просувається, контролюють таким чином, щоб форма була плоскою або, в оптимальному варіанті вигнутою (пор. з Фігурою 1(а) та (b)), що сприяє ростові вертикальних кристалів Xu за рахунок бокових кристалів Xt, але останні все одно можуть рости на відстані t1 у кілька сантиметрів і переривати односпрямовану кристалічну решітку на певній відстані у заготовці. Таким чином, кожна бокова сторона заготовки повинна бути зачищена на кілька сантиметрів перед вирізанням з неї пластин, що створює серйозне обмеження для ефективності процесу. Якщо горизонтальна площина (H) та подовження (V) вертикальної частини внутрішньої поверхні кожної бокової стінки (1b) перетинаються (hv) між собою всередині внутрішнього об'єму кристалізатора (1) або на дні або відповідній боковій стінці, центри кристалізації (3) можуть вкривати практично всю площу дна (1a) досить близько до бокових стінок (1b), якщо не у контакті з ними, як показано на Фігурі 5(b). У цих умовах спостерігалося, що розмір t2 бокових кристалів, Xt є значно меншим за розмір кристалів t1, одержаних з застосуванням кристалізаторів існуючого рівня техніки (пор. Фігури 5(а) та (b)). Зменшення розміру бокових кристалів Xt забезпечує суттєву економію порівняно з процесами існуючого рівня техніки, оскільки товщина, на яку заготовка має бути зачищена, для забезпечення фотоелектричної якості пластини контролюється найбільшими боковими кристалами Xt і, відповідно, зменшується кількість дорогого зачищеного матеріалу. Крім того, поперечний кристал більших розмірів руйнує решітку односпрямованого кристала на більшу глибину, ніж поперечні кристали малого розміру. Зрозуміло, що зачищений матеріал може бути повторно використаний як вихідний матеріал і переплавлений, але цей процес потребує досить великої кількості енергії. Лінія перетину (hv) між горизонтальною площиною (H), яка утворюється плоскою частиною верхньої поверхні дна (1a) з подовженням вертикальної частини (V) внутрішньої поверхні кожної бокової стінки (1b), може бути включена всередині внутрішнього об'єм кристалізатора (1) або на дні або відповідній боковій стінці, визначаючи радіус R1 уздовж стику між дном (1a) та боковими стінками (1b) через канавку (8а, 8b) з шириною L1 (L1a, L1b) та глибиною d1 (d1a, d1b), яка проходить по периметру дна (1a) і утворюється на дні (1a) та/або на бокових стінках (1b). Різні варіанти втілення таких канавок показано на Фігурі 2(b) (e) у порівнянні з традиційним кристалізатором з Фігури 2(а). Типові значення радіуса R1 канавки складають від 5 до 25 мм, в оптимальному варіанті - від 10 до 17 мм, у ще кращому варіанті - від 12 до 15 мм. Канавка може мати ширину L1, яка становить від 5 до 30 мм, в оптимальному варіанті - від 10 до 20 мм, у ще кращому варіанті - від 12 до 17 мм. Типова глибина d1 канавки становить від 1 до 8 мм, у ще кращому варіанті - від 2 до 6 мм, у найкращому варіанті - від 3 до 5 мм. Як показано на Фігурі 2(с) та (d), дно (1a) може мати донну канавку (8а), яка проходить по його периметру. В оптимальному варіанті втілення донна канавка (8а) з'єднується з радіусом кривизни R2, частиною дна (1a), яка є копланарною з горизонтальною площиною (H). В альтернативному варіанті втілення, показаному на Фігурі 2(b), всі бокові стінки (1b) мають бокову канавку (8b), яка проходить по периметру дна (1a). Так само, як донна канавка (8а), кожна бокова канавка (8b) може з'єднуватися з радіусом кривизни R3, частиною кожної бокової стінки (1b), яка є копланарною з вертикальною площиною (V). І нарешті, дно (1a) та кожна з 4 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бокових стінок (1b) можуть мати донну канавку (8а) та бокову канавку (8b), відповідно, які проходять по периметру дна (1a), як показано на Фігурі 2(е). Оскільки кути між двома суміжними боковими стінками зазвичай утворюють радіус R4, як показано у горизонтальній проекції з Фігури 4(а), квадратний або прямокутний центр кристалізації, який вкриває частину дна, що включає такий кут, має бути відокремлений від бокових стінок відстанню принаймні R4. Ця проблема може бути, розв'язана шляхом зрізання кута(ів) центрів кристалізації, які мають вкривати кутову частину дна з відповідним радіусом R4, таким чином, що такі кутові центри кристалізації могли вкривати всю кутову ділянку. Альтернативне рішення показано на Фігурі 4(b), на якій бокові стінки (1b) кристалізатора можуть мати канавку, подібну до донної канавки (8а) та/або бокової канавки (8b), які обговорювалися вище, але які простягаються вгору від дна уздовж перетину між двома суміжними боковими стінками (1b). Для полегшення обробки бажано, щоб такі канавки простягалися від дна до верхнього краю бокових стінок, але це не є обов'язковим, за умови, що вони простягаються до висоти, яка перевищує товщину центра кристалізації. Загальновідомо, що дно та бокові стінки кристалізатора можуть бути вкриті шаром матеріалу покриття, таким, як, наприклад, нітрид кремнію, для зменшення взаємодії між матеріалом кристалізатора та високореактивним розплавленим вихідним матеріалом. Для регулювання форми та швидкості фронту кристалізації, що просувається (пор. з Фігурою 1), важливим є відведення тепла через дно (1a) у контрольований і рівномірний спосіб. Оскільки повітря є добрим ізолятором, потік тепла від центра кристалізації (3) через дно (1a) матиме більшу швидкість у плоскій частині дна, де може забезпечуватися добрий термічний контакт з центром кристалізації (3), ніж через канавку, де повітряна порожнина відокремлює нижню поверхню центра кристалізації від верхньої поверхні дна (пор. з Фігурою 5(b)). Тому перевагу віддають заповненню донної канавки (8а) матеріалом наповнювача для того, щоб забезпечити рівномірність потоку тепла від центра кристалізації через дно по всій площі дна. Матеріал наповнювача має перебувати врівень з плоскою частиною дна для забезпечення належного й рівномірного термічного контакту з центрами кристалізації по всій площі дна. Матеріалом наповнювача або його попередником може бути один або кілька компонентів, до яких належать нітрид кремнію (Si3N4), сіалон, оксинітрид кремнію, силоксан, силазан, плавлений кварц або кварцове скло, синтетичний кремнезем, металевий кремній, графіт, глинозем, природні або синтетичні керамічні матеріали на основі CaO-, SiO2-, Аl2О3-, MgO-, ZrO2 у формі: - шару низької густини, такого, як піна, який має густину, яка в оптимальному варіанті 3 3 становить від 0,3 до 1,6 г/см , у ще кращому варіанті - від 0,8 до 1,3 г/см , або - частинок, таких, як волокна, порожні тіла, наночастинки, мезосферичні частинки, та їх сумішей, причому кожен з вищевказаних матеріалів в оптимальному варіанті має вміст Fe менше за 20 ррm, у ще кращому варіанті - менше за 5 ррm, у найкращому варіанті - менше за 1 ррm. Якщо дно або бокові стінки вкривають матеріалом покриття, в оптимальному варіанті матеріал наповнювача є таким самим або подібним до матеріалу покриття. Представлений кристалізатор має переваги при застосуванні з центром кристалізації (3). Центр кристалізації (3) являє собою кристалічну пластину приблизно від 5 до 25 мм завтовшки, в оптимальному варіанті - від 8 до 15 мм, у ще кращому варіанті - від 10 до 12 мм. Більш тонкий центр кристалізації має перевагу з огляду на вартість, зокрема, якщо він є монокристалічним, і з огляду на швидкість відведення тепла. Однак при цьому виникає більше проблем з контролюванням, щоб верхня поверхня центра кристалізації була розплавленою на відміну від нижньої, оскільки товщина центра кристалізації зменшується. Таким чином, оптимальна товщина центрів кристалізації для даного випадку застосування залежить від кваліфікації оператора та застосовуваного обладнання. Такі центри кристалізації в оптимальному варіанті являють собою монокристалічний напівпровідник для вирощування (квазі-) монокристалічних напівпровідникових зливків. Кристалізатор згідно з даним винаходом має найбільшу перевагу, коли центр кристалізації (3) або, в оптимальному варіанті, кілька таких центрів кристалізації (3), розташованих біч-обіч, вкривають по суті всю площу дна кристалізатора (1a) по суті у контакті або у дуже наближеній позиції з боковими стінками. У разі донної канавки (8а), передбаченої на дні (пор. з Фігурою 2(с) та (d)), центр кристалізації (3) може досягати бокової стінки, простягаючись через донну канавку (8а) (пор. з Фігурою 5(b)). У разі бокової канавки (8b), передбаченої на боковій стінці, центр кристалізації може простягатися до, і навіть за межі, вертикальної площини (V), утвореної плоскою частиною вищезгаданої бокової стінки (якщо центр кристалізації є тоншим за довжину (L1b) вищезгаданої бокової канавки (8b)). Як показано на Фігурі 5, це дозволяє суттєво зменшити розмір t2 поперечних кристалів Xt, які ростуть від бокових стінок (1b) після кристалізації (5b) розплавленого вихідного матеріалу (5а). 5 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Кристалізатор згідно з даним винаходом є придатним для виробництва кристалічних напівпровідникових заготовок. Оскільки він дозволяє вкривати більшу частину площі дна центрами кристалізації (3), він є особливо придатним для виробництва (квазі-) монокристалічних заготовок. Зокрема, він може застосовуватися для виробництва кремнієвих заготовок. Таким чином, (квазі-) монокристалічна заготовка може бути успішно виготовлена з застосуванням таких етапів. (а) забезпечення кристалізатора, як обговорювалося вище, та укладання принаймні одного центра кристалізації (3) на дно (1a) (пор. з Фігурою 1(b)); в оптимальному варіанті практично всю площу дна кристалізатора (1a) вистеляють принаймні двома центрами кристалізації, розташованими біч-обіч, причому їхні верхні поверхні в оптимальному варіанті є практично паралельними одна одній, у ще кращому варіанті - копланарними і такими, що вкривають по суті всю площу дна, близько до бокових стінок (1b) або прилягаючи до них; (b) завантаження у кристалізатор вихідного матеріалу для напівпровідникового матеріалу; (c) регулювання температури у кристалізаторі для забезпечення повного розплавлення вихідного матеріал (5а), а також розплавлення верхньої поверхні лише принаймні одного центра кристалізації; печі, спеціально сконструйовані для процесу Бриджмена й оснащені теплопоглиначем та системами точного температурного контролю, є наявними на ринку; (d) відведення тепла через дно кристалізатора для запобігання розплавленню нижньої поверхні принаймні одного центра кристалізації та започаткування орієнтованої кристалізації (5b) вихідного матеріалу (пор. з Фігурою 1(b)). Кристалізована таким чином заготовка потім може бути вийнята з кристалізатора. Може виникнути необхідність у розламуванні кристалізатора у разі, якщо основа заготовки виступає убік у бокову канавку (8b), але це не є недоліком, оскільки такі кристалізатори рідко призначаються для багаторазового застосування. Сторони заготовки повинні бути очищені від дефектного шару. Товщина такого дефектного шару відповідає довжині поперечних кристалів Xt та зони односпрямованого кристалу Xu, решітка якого руйнується проникаючими поперечними кристалами. Завдяки первісній конструкції даного винаходу, товщина такого руйнуючого шару зменшується від кількох сантиметрів, як зазвичай буває у традиційних кристалізаторах, до кількох міліметрів — пари сантиметрів, що забезпечується лише кристалізатором згідно з даним винаходом. Така зачищена заготовка є готовою до нарізання на тонкі пластини. З кремнієм такі пластини є придатними для застосування як фотоелектричні елементи. Кристалізатор згідно з даним винаходом може бути виготовлений у традиційний для стандартних кристалізаторів спосіб шляхом забезпечення охоплюючої порожньої форми та охоплюваного плунжера, що обмежує внутрішній об'єм кристалізатора. При вставленні в охоплюючу порожнину охоплюваний плунжер залишає простір, який відповідає потрібній товщині кристалізатора. Вогнетривкий матеріал, як правило, на основі оксиду кремнію, такий, як кварцове скло, заливають у простір між охоплюючою та охоплюваною частинами пристрою. Пристрій та вогнетривкий матеріал нагрівають, а потім випалюють для тужавіння вогнетривкого матеріалу. Потім плунжер виймають і кристалізатор дістають з охоплюючої порожнини. У разі, якщо кристалізатор має лише донну канавку (8а), плунжер може вийматися без будь-яких проблем. У разі, якщо кристалізатор включає бокову канавку (8b), виймання плунжера вимагає спеціальних заходів. Наприклад, частина плунжера, яка утворює бокову канавку, може бути виконана з матеріалу, який розпадається після випалу. У такий спосіб призматична частина плунжера, яка залишається після випалу, може вийматися відомим спеціалістам способом. В іншому варіанті втілення охоплюваний плунжер може являти собою комплект центральної, призматичної частини та периферійних частин, які разом визначають внутрішній об'єм кристалізатора. Після виймання з форми складений плунжер може бути розібраний, і центральна, призматична частина може бути вийнята першою. Кожна периферійна частина може бути спочатку зсунута до центра дна, а потім вертикально вийнята з кристалізатора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Кристалізатор (1) для виробництва кристалічних напівпровідникових заготовок, що включає внутрішній об'єм, який обмежується дном (1а), верхня поверхня якого включає плоску частину, яка утворює першу горизонтальну площину (Н), та периферійними боковими стінками (1b), кожна з яких має внутрішню поверхню, яка включає по суті вертикальну плоску частину, яка утворює по суті вертикальну площину (V), перпендикулярну першій горизонтальній площині (Н), вищезгадані бокові стінки (1b) з'єднують дно (1а) по периметру останнього, утворюючи радіус кривизни R1 принаймні 1 мм, який відрізняється тим, що лінія перерізу (hv), яка утворює 6 UA 111753 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 переріз між першою горизонтальною площиною (Н) та по суті вертикальними площинами (V), утвореними по суті вертикальними плоскими частинами кожної бокової стінки (1b), повністю перебуває на бокових стінках (1b), на дні (1а) або у внутрішньому об'ємі кристалізатора. 2. Кристалізатор за п. 1, який відрізняється тим, що радіус R1 уздовж стику між дном (1а) та боковими стінками (1b) утворено канавкою (8а, 8b), що має ширину L1 (L1а, L1b) та глибину d1 (d1a, d1b), яка проходить по периметру дна (1а), і утворюється на дні (1а) та/або бокових стінках (1b), і радіус R1 канавки в оптимальному варіанті складає від 5 до 25 мм,ширина L1 канавки в оптимальному варіанті складає від 5 до 30 мм і/або глибина d1 канавки в оптимальному варіанті складає від 1 до 8 мм. 3. Кристалізатор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що дно (1а) включає донну канавку (8а), яка проходить по його периметру, і в оптимальному варіанті з'єднується з радіусом кривизни R2 з частиною дна (1а), яка є копланарною з горизонтальною площиною (Н). 4. Кристалізатор за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що всі бокові стінки (1b) мають бокову канавку (8b), яка проходить по периметру дна (1а) і з'єднується з радіусом кривизни R3 з частиною кожної бокової стінки (1b), яка є копланарною з вертикальною площиною (V). 5. Кристалізатор за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що дві суміжні бокові стінки (1b) утворюють кут, який має радіус R4, утворений кутовою канавкою, утвореною на одній або обох суміжних бокових стінках (1b), які простягаються вгору від дна уздовж кута між вищезгаданими двома суміжними стінками, причому кутова канавка в оптимальному варіанті простягається від дна до верхнього краю бокових стінок (1b). 6. Кристалізатор за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що дно (1а) та/або бокові стінки (1b) вкрито матеріалом покриття. 7. Кристалізатор за будь-яким з пп. 2-6, який відрізняється тим, що дно (1а) включає донну канавку (8а), яка проходить по його периметру, вищезгадана донна канавка (8а) заповнена матеріалом наповнювача, таким чином, щоб матеріал наповнювача був врівень з горизонтальною площиною (Н), причому вищезгаданий матеріал наповнювача в оптимальному варіанті є вибраним з групи, до якої належать нітрид кремнію (Si3N4), сіалон, оксинітрид кремнію, плавлений кварц або кварцове скло, синтетичний кремнезем, металевий кремній, графіт, глинозем, природні або синтетичні керамічні матеріали на основі CaO, SiO2, Al2O3, MgO, ZrO2 у формі: шару низької густини, такого як піна, який має густину, яка в оптимальному варіанті становить 3 3 від 0,3 до 1,6 г/см , у ще кращому варіанті - від 0,8 до 1,3 г/см , або частинок, таких як волокна, порожні тіла, наночастинки, мезосферичні частинки, та їх сумішей, кожен з вищевказаних матеріалів в оптимальному варіанті має вміст Fe менше за 20 ppm, у ще кращому варіанті - менше за 5 ppm, у найкращому варіанті - менше за 1 ppm. 8. Кристалізатор за пп. 6 та 7, який відрізняється тим, що дно (1а) вкрито матеріалом покриття, який є таким самим, як матеріал наповнювача, що заповнює донну канавку (8а). 9. Кристалізатор за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що дно (1а) вистелено принаймні одним центром кристалізації (3), і в оптимальному варіанті по суті вся площа дна (1а) є вистелена більш ніж одним центром кристалізації (3). 10. Кристалізатор за попереднім п., який відрізняється тим, що центри кристалізації (3) простягаються по частині донної канавки (8а). 11. Застосування кристалізатора за будь-яким з попередніх пп. для виготовлення кристалічної напівпровідникової заготовки, в оптимальному варіанті - кремнієвої заготовки, у ще кращому варіанті - квазімонокристалічної кремнієвої заготовки. 12. Спосіб виготовлення кристалічної напівпровідникової пластини, який включає такі етапи: (a) забезпечення кристалізатора за будь-яким з пп. 1-10; (b) формування кристалічної напівпровідникової заготовки у вищезгаданому кристалізаторі з застосуванням технології Бриджмена, причому напівпровідником в оптимальному варіанті є кремній; (c) виймання заготовки з вищезгаданого кристалізатора і зачищення від будь-якого дефектного шару; та (d) нарізання зачищеної таким чином заготовки для утворення напівпровідникових пластин. 7 UA 111753 C2 8 UA 111753 C2 9 UA 111753 C2 10 UA 111753 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11