Спосіб одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення

1. Спосіб одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення, який відрізняється тим, що перед установкою в тримачі індукційної печі заготовки металургійного кремнію здійснюють її формування із введенням в формуючу масу лантану. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що формування заготовки металургійного кремнію здійснюють методом пресування, зокрема методом гідропресування. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що лантан вводять в формуючу масу із металургійного кремнію у кількості до 1,0 мас. %. Винахід належить до способу одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення та може бути використаний для одержання та очищення монокристалічних матеріалів для напівпровідникової техніки, сонячної енергетики, волоконної оптики тощо. Відомий спосіб одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення (Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. - М: Высшая школа, 1981.293с.). В цьому способі заготовку металургійного кремнію вертикально закріплюють в тримачах індукційної печі і, за допомогою нагрівання високочастотним індуктором, одержують розплавлену зону. При цьому, нижня частина заготовки не відривається від верхньої за рахунок стримуючої дії сил поверхневого натягу розплавленого кремнію. При переміщенні індуктора розплавлена зона, переміщуючись разом з ним знизу уверх, насичується домішками. В результаті, після проходження розплавленої зони уздовж всієї заготовки, домішки будуть сконцентровані в її верхній частині. Після 10-20 проходжень удається довести питомий опір кремнію до 20-30 Ом·м, що відповідає вмісту до20 3 мішок в ній менше 10 атомів на 1 м . Верхня забруднена домішками частина заготовки потім обрізається та йде на переплавлення. Для очищення кремнію від бору зонне плавлення проводять в середовищі водню, який містить пари води, що дозволяє ще на порядок понизити вміст домішок і 2 довести питомий опір кремнію до 1,610 Омм. Для одержання монокристалічного кремнію в початкову розплавлену зону кладуть затравку кусочок монокристалічного кремнію. При переміщенні індуктора розплавлена зона сплавляється із затравкою і повторює кристалічну структуру затравки. Цим способом вирощують монокристалічні заготовки кремнію діаметром до 150 мм з питомим опором кремнію 0,001-30 Омм. Недоліком цього способу є те, що необхідно робити десятки проходжень на одній і тій же заготовці кремнію, а це, в свою чергу, значно понижує ефективність процесу вирощування монокристалів та підвищує їх собівартість. Відомий спосіб, вибраний як прототип, одержання та очищення матеріалів методом безтигельного зонного плавлення, в якому ділянки зонно (19) UA (11) 95395 (13) C2 (21) a201005841 (22) 14.05.2010 (24) 25.07.2011 (46) 25.07.2011, Бюл.№ 14, 2011 р. (72) ОСАУЛЕНКО МИКОЛА ФЕДОРОВИЧ, СЕВАСТЬЯНОВ ВОЛОДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ, КРАПИВКО МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ, БАКАЙ ЕДУАРД АПОЛІНАРІЙОВИЧ, БОГОМАЗ ВАЛЕРІЙ ІГОРЕВИЧ, РАКИТЯНСЬКИЙ ВІКТОР СЕРГІЙОВИЧ (73) ОСАУЛЕНКО МИКОЛА ФЕДОРОВИЧ, СЕВАСТЬЯНОВ ВОЛОДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ, КРАПИВКО МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ, БАКАЙ ЕДУАРД АПОЛІНАРІЙОВИЧ, БОГОМАЗ ВАЛЕРІЙ ІГОРЕВИЧ, РАКИТЯНСЬКИЙ ВІКТОР СЕРГІЙОВИЧ (56) RU 2124078, C1, 27.12.1998 3 95395 го плавлення утворюють нагріванням матеріалу вище температури плавлення вихровими струмами зсередини матеріалу (Патент РФ №2124078, МПК 6 С30В 13/18, Н05В 6/30, 1998). Завдяки нагріванню матеріалу зсередини створюються добрі умови для перемішування розплавленого матеріалу наведеним електромагнітним полем та виникаючими механічними силами. Поблизу тверднучої поверхні розділення фаз створюються оптимальні умови для дифузії домішок. При цьому, поліпшується якість перемішування та однорідність складу рідкої фази. В цьому способі продуктивність, ефективність технологічного процесу та чистота кремнію підвищуються та знижуються енерговитрати. Однак, цей спосіб також має недостатню продуктивність та ефективність, оскільки декілька раз необхідно робити проходження для одержання високої чистоти монокристалічного кремнію, що, в свою чергу, підвищує собівартість продукції. В основу винаходу поставлено задачу підвищення продуктивності, ефективності технологічного процесу рафінування та зниження собівартості продукції. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення, згідно з винаходом, перед установкою в тримачі індукційної печі заготовки металургійного кремнію здійснюють її формування із введенням в формуючу масу лантану. Формування заготовки металургійного кремнію здійснюють методом пресування, зокрема методом гідропресування. Лантан вводять в формуючу масу із металургійного кремнію у кількості до 1,0 мас. %. Монокристали кремнію, які використовують для напівпровідникової техніки, сонячної енергетики, волоконної оптики тощо, повинні мати надвисоку чистоту і високу структурну досконалість. Умовно такий кремній називають "високочистим" чи "високоомним". Він повинен мати питомий електричний опір при кімнатній температурі не менш 1000 Омсм як для n-, так і для р-типу електропровідності. Одночасно потрібно забезпечити обмеження за вмістом електрично-активних домішок 13 -3 бору та фосфору - не більш 110 см . Крім того, успіх застосування такого кремнію визначається високою однорідністю об'ємного розподілу цих домішок, досконалістю кристалічної структури. Для зонного очищення кристалів кремнію від бору необхідно багато проходів, а із зростанням кількості проходів очищення зростають як витрати, так і Комп’ютерна верстка М. Ломалова 4 незворотні втрати коштовного кремнію у вигляді "хвостовиків". В запропонованому способі ефективне очищення та керування електрофізичними параметрами монокристалів кремнію здійснюють введенням при формуванні заготовки, перед її установкою в тримачі індукційної печі, в формуючу масу із металургійного кремнію спеціальної легуючої домішки - лантану, який може знижувати вміст у кремнії домішки бору за рахунок збільшення ефективності його сегрегації, що сприяє однорідності розподілу питомого електричного опору. Вказана межа вмісту відсотка лантану обумовлена вмістом бору в металургійному кремнії та необхідною ефективністю його дифузії з розплавленої зони заготовки. В запропонованому способі в одному технологічному процесі поєднуються одразу три операції: синтез, очищення та вирощування монокристала. При цьому, для одержання високочистого кремнію заданої чистоти не має потреби робити декілька проходжень однієї заготовки, оскільки введений в заготовку інгредієнт лантан має добру розчинність в рідкій фазі, температура плавлення його складає близько 920 °C, і зменшує рівноважний ефективний коефіцієнт сегрегації бору. Оскільки лантан в заготовці металургійного кремнію розподілений рівномірно, то при переміщенні зони плавлення відбувається ефективна дифузія бору, можливо у вигляді гексабориду лантану, з розплавленої зони на тверду фазу по всій поверхні заготовки. Спосіб здійснюють таким чином. В металургійний кремній, в залежності від вмісту в ньому бору, вводять лантан у кількості до 1,0 мас. %. Указану суміш пресують та одержують заготовку металургійного кремнію заданого діаметра та довжини. Цю заготовку встановлюють в тримачі індукційної печі та здійснюють технологічний процес рафінування. Після закінчення рафінування заготовки кремнію її забруднені домішками кінці відрізають, а мікроплівку сполуки бору, що осів на поверхні заготовки, легко видаляють відомими способами. Запропонований спосіб дозволяє зменшити кількість проходжень при рафінуванні та очищенні кремнію, що значно підвищує продуктивність та ефективність технологічного процесу рафінування кремнію, знижує його собівартість, дозволяє одержувати монокристали інших матеріалів високої чистоти із зменшеною собівартістю. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601