Спосіб вирощування кристалу з утриманням розплаву у тиглі

1. Спосіб вирощування кристалу з утриманням розплаву у тиглі, що включає прикладання напруги між зовнішньою та внутрішньою поверхнею тигля, який відрізняється тим, що як тигель використовують кварцовий тигель, як розплав розплав кремнію, причому до внутрішньої стінки тигля прикладають негативну полярність напруги. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що напругу прикладають між розплавом та зовнішньою поверхнею тигля, наприклад вуглекомпозитною сіткою, що охоплює ти гель. UA (21) a200709739 (22) 29.08.2007 (24) 25.02.2009 (46) 25.02.2009, Бюл.№ 4, 2009 р. (72) БЕРІНГОВ СЕРГІЙ БОРИСОВИЧ, UA, ЛІЩУК ВІТАЛІЙ ЄВГЕНОВИЧ, UA, ЗАДНІПРЯННИЙ ДЕНИС ЛЬВОВИЧ, UA (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "ТЕСИС", UA (56) UA 26471, U, 25.09.2007 SU 1258329, A3, 19.09.1980 SU 1424379, A1, 15.09.1990 SU 1713995, A1, 23.02.1992 US 2002/0157600, A1, 31.10.2002 JP 59141494, A, 14.08.1984 JP 61044792, A, 04.03.1986 Сальник З.А. Кислород в монокристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского при воздействии внешних магнитных полей. Неорган. Матер.- 1995.- 31.- №9.- С. 1158-1163. C2 2 (19) 1 3 85783 При вирощуванні кристалів великого діаметра, співвідношення діаметрів кристала та тигля технічно важко витримати оптимальним, осільки недоцільно пропорційно збільшува ти діаметр тигля, що вимагає збільшення габаритів реакційної зони печі. Спосіб також спрямований на зміщення рівноважної концентрації оксигену у розплаві за рахунок більш інтенсивного його видалення, що вимагає наявності стадії стабілізації розплаву, протягом якої така рівноважна концентрація встановлюється. Відомі способи, наприклад, [патент СРСР №1258329 С30В15/00], де з метою зменшення концентрації оксигену у розплаві, на реакційну зону накладають поперечне магнітне поле значної величини. За рахунок пригнічення гідродинамічних процесів у розплаві та взаємодії парамагнітного оксигену з поперечним магнітним полем, досягають витіснення його до поверхні розплаву з наступною евакуацією інертним газом. Отже, і в цьому випадку не контролюється надходження оксигену у розплав, що має наслідком, крім технічних складнощів при реалізації, наявність тривалої стадії стабілізації розплаву з точки зору встановлення його рівноважної концентрації у розплаві. Відомий спосіб вирощування кристалів за [патентом США №6,497,761 С30В15/20], за яким, окрім осесиметричного магнітного поля в реакційній зоні, до розплаву прикладають електричну напругу. Метою цього є посилення взаємодії розплаву з магнітним полем шляхом пропускання електричного струму через розплав. Спосіб також не контролює процесу надходження оксигену у розплав а лише зміщує його рівноважну концентрацію в розплаві за рахунок покращення його виділення з розплаву. Найближчим до пропонованого є спосіб по [авторському свідоцтву СРСР №1713995 С30В15/10] - прототип, який полягає у тому, що при вирощуванні кристалів з розплаву, котрий утримується в тиглі, з метою зменшення забруднення розплаву компонентами матеріалу тигля, до нього прикладають електричну напругу, яка безпосередньо діє на оксиген, що знаходиться в тиглі у вигляді негативних йонів. У цьому способі електричну напругу прикладають між внутрішньою і зовнішньою стінкою тигля, причому, позитивна полярність прикладається до внутрішньої поверхні тигля, що забезпечує електричне перенесення оксигену через стінку тигля з атмосфери до розплаву. У способі прототипі електричне поле, створене у стінках тигля, активно взаємодіє з йонами кисню, який надходить з атмосфери, та транспортує його до розплаву. Отже, тут здійснюється прямий вплив на перенесення оксигену через матеріал тигля, а зменшення забруднення розплаву компонентами матеріалу тигля досягається завдяки утворенню ізолюючого прошарку газоподібного оксигену між тиглем та розплавом, який знаходиться в ньому. Одночасно вирішується протилежна задача: збагачення розплаву оксигеном, причому за рахунок зовнішнього його джерела, яким є оточуюча атмосфера. Спосіб вимагає наявності тигля з якостями твердого електроліту, що забезпечує протікання струму через нього. 4 Таким чином, спосіб непридатний для зменшення забруднення розплаву компонентами матеріалу тигля у випадку розплаву кремнію, який знаходиться у діелектричному кварцовому тиглі, особливо зважаючи на те, що оксиген у цьому випадку є основним забруднюючим елементом і не може бути використаний в ролі ізолюючого прошарку між розплавом та тиглем. Під впливом високих температур у стінках тигля з діоксиду кремнію (кварцу) увесь час проходить генерація оксигену у формі негативних йонів шляхом його розпаду за схемою: SiO2 +2e-1®SiO+ О-2 Утворенням на цій проміжній стадії від'ємних йонів оксигену стається внаслідок його великої спорідненості до електрона та відсутності інших вільних реагентів. Пізніше, попавши у розплав кремнію, ці йони взаємодіють з ним: O-2+Si®8ІО+2e-1 Отже, утворення на проміжній стадії від'ємних йонів оксигену, створює передумови для цілеспрямованої їх міграції в стінках тигля шляхом прикладення до стінок електричної напруги певної полярності. Пропонується спосіб вирощування кристалів з утриманням розплаву в тиглі, у якому прикладають електричну напругу між внутрішньою та зовнішньою поверхнею тигля, який відрізняється тим, що з метою зменшення забруднення оксигеном розплаву кремнію який знаходиться в кварцовому тиглі шля хом зменшення його надходження із тигля, до внутрішньої поверхні тигля прикладають негативну полярність напруги. При цьому у матеріалі тигля, який є діелектриком, створюється електричне поле, яке, взаємодіючи з негативними йонами оксигену, згенерованими у ньому, створює їх потік, спрямований до зовнішньої поверхні тигля. При досягненні зовнішньої поверхні тигля, йони оксигену розряжаються на зовнішньому електроді та постійно вимиваються потоком інертного газу. На відміну від відомих способів, у пропонованому способі концентрація оксигену у кристалі зменшується шляхом зменшення його надходження у розплав. Оскільки надходження оксигену у розплав зменшується, то момент настання рівноважної його концентрації у розплаві досягається швидше при тих же умовах вимивання оксигену з відкритої поверхні розплаву. Важливою умовою ефективної реалізації способу є наявність газопроникного та електропровідного електрода на зовнішній стінці тигля, оскільки тільки за таких умов можливе виведення оксигену за межі стінок тигля. У найпростішому випадку це може бути сітка із вуглекомпозитного матеріалу, яка охоплює тигель ззовні. При цьому роль електрода для внутрішньої поверхні тигля може бути покладена на розплав кремнію, який за цих умов є добрим провідником Спосіб здійснюють таким чином. Після отримання розплаву кремнію у кварцовому тиглі, до нього прикладають негативну напругу, наприклад, через зростаючий кристал при вирощуванні за методом Чохральського, відносно зовнішнього електрода тигля, наприклад, вуглекомпозитною 5 85783 сіткою, яка охоплює тигель ззовні. З цього моменту починається активний етап евакуації вже накопиченого в стінках тигля у вигляді від'ємних йонів оксигену. Спостерігається протікання значного електричного струму у колі розплав-внутрішня та зовнішня поверхні тигля-зовнішній електрод тигля. Для тигля діаметром 500мм та ємністю 95кг цей струм сягає величини понад 0,5А при різниці потенціалів джерела живлення у 50В. Струм поступово спадає і досягає значення порядку 50мА через час у 10... 15хв. Це значить, що за цей час евакуйовані усі накопичені до йони оксигену зі стінок тигля, а залишковий струм зумовлений постійною їх генерацією. У розплав надходить тільки той оксиген, який генерується безпосередньо на внутрішній стінці тигля, яка прилягає до електропровідного розплаву, електричне поле в якому має малу напруженість і не здатне протидіяти термічній дифузії оксигену у розплав. На Фіг.1 показані розподіл концентрації оксигену у кристалі на різних процесах вирощування кристалів за методом Чохральського без прикладення напруги до стінок тигля на початку (а) та в кінці (б) зростаючого кристалу, а також з прикладенням напруги у 50В, на початку кристалу (в) та в його кінці (г). Решта умов вирощування була ідентична для усі х процесів. На Фіг.2 зображена схема печі для вирощування кристалів за методом Чохральського для реалізації запропонованого способу. На Фіг.1 зображені: джерело 1 живлення, зростаючий кристал 2, електрично з'єднаний з негативним полюсом джерела 1 живлення, розплав 3, кварцовий тигель 4, охоплений вуглекомпозитною 6 сіткою 5, яка спирається на графітову підставку 6, з'єднану з позитивним полюсом джерела 1 живлення. Конструкція вуглекомпозитної сітки 5 така, що забезпечує електричний її контакт з графітовою підставкою 6 за рахунок її ваги. У конкретному випадку брали вуглекомпозитну сітку 5 стандартної конструкції, яка призначена для механічного підтримування кварцового тигля 4. Розмір комірок такої сітки такий, що площа проекції сітки на стінку тигля складав приблизно 20% площі бічної поверхні тигля. Чим більша площа вуглекомпозитної сітки 5, тим більший об'єм стінок кварцового тигля 4 піддається дії електричного потенціалу, тим більше йонів оксигену буде блокуватися від їх переходу у розплав. З іншого боку, чим більша площа вуглекомпозитної сітки 5, тим більше погіршується процес вимивання оксигену з кварцового тигля 4, оскільки сітка погіршує доступ інертного газу до стінок тигля. Отже, існує оптимальне значення розміру комірки вуглекомпозитної сітки 5 конкретного конструктивного виконання, який, окрім того, залежить від інших параметрів сітки, наприклад, діаметра вуглекомпозитних волокон. Як видно з Фіг.1 концентрація оксигену у кристалі на початку кристалу, вирощеного з застосуванням запропонованого способу, зменшується порівняно з аналогічними кристалами, отриманими без прикладення напруги до стінок тигля. У кінці кристала концентрація оксигену практично не змінюється. Це зумовлено тим, що при малій кількості розплаву у тиглі, розплав переважно прилягає до дна тигля, яке спирається на підставку 6, котра практично не піддається вентиляції інертним газом, що утруднює евакуацію оксигену з, тигля. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85783 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601