Індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки

Реферат: Індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки у вигляді тарілчастої котушки містить канал для пропускання охолоджуючого середовища по периферії, центральний круговий отвір і наскрізний радіальний проріз, патрубки для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища. При цьому концентрично центральному отвору виконані периферичні отвори, з'єднані наскрізними прорізами з центральним отвором. UA 83683 U (54) ІНДУКТОР ДЛЯ ВИРОЩУВАННЯ КРИСТАЛІВ МЕТОДОМ БЕЗТИГЕЛЬНОЇ ЗОННОЇ ПЛАВКИ UA 83683 U UA 83683 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі металургії напівпровідників, а саме до обладнання для одержання об'ємних монокристалів напівпровідників, зокрема методом безтигельної зонної плавки, і являє собою індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки. Технології осадження полікристалічного кремнію з застосуванням методу водневого відновлення хлорсиланів і термічного розкладання силану засновані на застосуванні вихідних кристалів, так званих прутків-підкладок, які вирощують з п'єдесталу (кристала, який плавиться) методом безтигельної зонної плавки. Прутки-підкладки використовують як основи для осадження на них кремнію, при цьому їх монтують у спеціальному реакторі і розігрівають прямим пропусканням через них електричного струму. Актуальною тенденцією в даній галузі є підвищення продуктивності процесу вирощування прутків-підкладок, зокрема за рахунок групового їх вирощування з кремнію, здійснення групового гартування або термообробки металевих виробів, а також підвищення ефективності індуктора за рахунок рівномірного розподілу електричного струму. Відомий кільцевий індуктор, описаний у патенті РФ № 2312154, опублікованому 10.12.2007 р., що містить теплопровідне зовнішнє кільце, виконане з трубки для пропускання теплообмінного середовища, і механічно з'єднане з ним внутрішнє електро- і теплопровідне кільце, що має суцільний поперечний переріз і електрично з'єднане зі струмопровідними шинами, при цьому зовнішнє кільце з'єднане з внутрішнім кільцем через теплопровідні перехідні елементи у формі секторів. Описаний індуктор має низьку продуктивність, зокрема дозволяє одночасно вирощувати тільки один кристал, при цьому швидкість вирощування обмежена створюваним тепловим полем, що знижує продуктивність процесу. Найближчим аналогом корисної моделі, що заявляється, обраним в якості прототипу, є високочастотний індуктор з фільєрами для виробництва безлічі кремнієвих прутків, описаний у патенті РФ № 2459891, опублікованому 27.08.2012 р. Заявлений індуктор виконаний у вигляді тарілчастої котушки і включає патрубки для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища, виконані з однієї сторони котушки і розташовані суміжно один з одним. Наскрізний радіальний проріз витягнутий усередину котушки. Канал для пропускання охолоджуючого середовища проходить усередині котушки по її периферії біля крайньої зовнішньої поверхні. Два кінці каналу для пропускання охолоджуючого середовища з'єднані з патрубками для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища. У переважному варіанті виконання наскрізний радіальний проріз сполучається з периферичними отворами. Недоліком описаної корисної моделі є відносно низький ККД периферичних отворів як випромінювачів енергії за рахунок того, що всі запропоновані конструкції пристрою мають отвори короткозамкненого типу без можливості протікання по них електричного струму, що знижує швидкість вирощування прутків-підкладок. Задачею корисної моделі, що заявляється, є створення такого індуктора, конструктивне виконання якого дозволить забезпечити вирощування декількох кристалів одночасно, підвищення ефективності індуктора за рахунок рівномірного розподілу електричного струму навколо периферичних отворів, можливість регулювання швидкості вирощування кристалів, а також створення теплових умов, що забезпечують зниження термомеханічних напруг у кристалах, які вирощуються. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки у вигляді тарілчастої котушки з каналом для пропускання охолоджуючого середовища по периферії, центральним круговим отвором і наскрізним радіальним прорізом, по краях якого розташовані патрубки для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища, при цьому концентрично центральному отвору виконані периферичні отвори, з'єднані наскрізними прорізами з центральним отвором, причому діаметр d1 центрального кругового отвору дорівнює d1 = (0,15…0,30) * D2, а діаметр d2 периферичних отворів у найвужчому місці дорівнює d2 = (0,5…0,6) * D1, де D1 - діаметр кристала, який плавиться, а D2 - діаметр кристала, який вирощується. Таке конструктивне виконання індуктора дозволяє одночасно виробляти від 5 до 10 кристалів стовпчастої структури у вигляді прутків-підкладок з кремнію або інших кристалічних матеріалів. При цьому електричний струм високої частоти спрямований так, що він рівномірно охоплює периферичні отвори і кристали, які вирощуються, для їхнього рівномірного нагрівання, що дозволяє знизити термомеханічні напруги у кристалах, які вирощуються, і вирощувати групу 1 UA 83683 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кристалів з однаковими геометричними характеристиками. За рахунок зміни діаметра периферичних отворів, що залежить від діаметра кристала, який плавиться, забезпечується можливість регулювання діаметра кристалів, які вирощуються, а також швидкості їх вирощування. Чим більше діаметр кристала, який плавиться, тим більшу кількість кристалів можливо виростити, а чим більше потужність, що подається на індуктор і залежить від діаметра периферичних отворів, тим більше швидкість вирощування кристалів. Доцільним є такий спосіб вирощування прутків-підкладок, при здійсненні якого за допомогою індуктора, що заявляється, діаметр центрального кругового отвору тарілчастої котушки був менше і зовнішній діаметр самої тарілчастої котушки був більше за діаметр кристала, який плавиться. Таке рішення забезпечує надійний прогрів і проплавлення кристала, який плавиться, мінімальну асиметрію електромагнітного поля індуктора і можливість значного збільшення діаметра кристала, який вирощується. Переважним є такий варіант здійснення корисної моделі, що заявляється, при якому відстань r між центром центрального кругового отвору і центрами периферичних отворів дорівнює r = (0,5…0,6) * D1/2. Діаметр D1 кристала, який плавиться, обирається залежно від потужності індуктора. Таке виконання індуктора дозволяє забезпечити стійку зону розплаву на кристалі, який плавиться. Стійкість зони розплаву створюється індуктором з урахуванням електромагнітної взаємодії з розплавом кремнію. При величині r меншій за мінімальне значення в зазначеному діапазоні зона розплаву перегрівається в центральній частині, що призводить до неоднорідності температури в розплаві і зміни форми кристалів, які вирощуються. При величині r більшій за максимальне значення в зазначеному діапазоні відбувається перегрів периферичної частини зони розплаву, що підвищує аварійність процесу через можливість розриву розплаву і його витікання назовні. Переважно верхня і нижня поверхні котушки виконані з ухилом до центральної її частини, а кут α1 ухилу дорівнює α1 = (0,05…0,10) *D1. За рахунок такого виконання конструкції індуктора, що заявляється, забезпечується високочастотне випромінювання, рівномірний прогрів кристалів, які вирощуються, і створення теплових умов, які забезпечують зниження термомеханічних напруг у кристалах, які вирощуються, при цьому забезпечується усунення асиметрії останніх. Переважно периферичні отвори мають складну форму і складаються з двох суміжних частин, одна з яких має квазіконусоподібну форму, при цьому кут α 2 між твірною конуса і площиною, перпендикулярною до центральної осі індуктора, дорівнює α2 = (4,0…6,0) * D2. Доцільним є таке виконання корисної моделі, що заявляється, при якому відстань L між осями суміжних периферичних отворів визначається зі співвідношення L ≥ 2 * d2. Таке співвідношення виключає взаємний вплив теплових полів, які створюються при проходженні електричного струму навколо периферичних отворів. Корисна модель, що заявляється, пояснюється за допомогою графічних матеріалів, наведених нижче. Фіг. 1 - вигляд зверху індуктора, що заявляється. Фіг. 2 - вигляд збоку в розрізі індуктора, що заявляється. Фіг. 3 - загальний вигляд установки для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки. На фіг. 1 представлений загальний вигляд індуктора 1, що заявляється, у вигляді тарілчастої котушки 2 з центральним круговим отвором 3 і наскрізним радіальним прорізом 4. По периферії котушки 2 виконаний канал охолоджуючої води (на фігурі не позначений). По краях наскрізного радіального прорізу 4 розташовані патрубки 5 для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища. Концентрично центральному отвору 3 виконані периферичні отвори 6, які з'єднані наскрізними прорізами 7 з центральним отвором 3. На фіг. 2 представлений вигляд індуктора 1, що заявляється, збоку в розрізі. Позиції елементів індуктора 1, які помітні на фіг. 2 і співпадають з елементами на фіг. 1, ідентичні позиціям на фіг. 1. Канал охолоджуючої води 8 проходить усередині котушки 2, біля її торцевої зовнішньої поверхні. Периферичні отвори 6 мають складну форму і складаються з двох суміжних частин, одна з яких - 9 - має квазіконусоподібну форму, а інша - 10 - циліндричну, при цьому кут між твірною конуса і площиною, перпендикулярною до центральної осі індуктора, 2 UA 83683 U 5 10 15 20 25 30 35 позначений як α2. Верхня 11 і нижня 12 поверхні котушки 2 виконані з ухилом до її центральної частини, при цьому кут ухилу позначений α1. На фіг. 3 представлений загальний вигляд вузла для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки з установленими в ньому кристалом 13, який плавиться, і запалювальними кристалами 14. Вузол включає нижній шток 15, тримач 16 кристала 13, який плавиться, в якому закріплений кристал 13, який плавиться, індуктор 1, а також струмопідвід 17 індуктора 1. У верхній частині вузла встановлені верхній шток 18 і тримач 19 запалювальних кристалів 14. При цьому у верхній частині кристала 13, який плавиться, створена зона розплаву 20, з якої утворюються кристали 21, які вирощуються. Вирощування кристалів за допомогою індуктора, що заявляється, здійснюють у такий спосіб. Кристал 13, який плавиться, встановлюють у тримач 16 кристала 13, який плавиться, а запалювальні кристали 14 - у тримач 19 запалювальних кристалів 14, при цьому переважно діаметр кристала 13, який плавиться, вибирають таким чином, щоб діаметр центрального кругового отвору 3 тарілчастої котушки 2 був менше і діаметр самої тарілчастої котушки 2 був більше за діаметр кристала 13, який плавиться. У процесі вирощування кристалів 21 на верхньому кінці кристала 13, який плавиться, за допомогою індуктора 1, через який пропускають електричний струм, створюють зону розплаву 20. Створену зону розплаву 20 витримують протягом деякого часу при постійній потужності індуктора 1 з метою гомогенізації в ньому і у вихідному кристалі 13, який плавиться, заданого температурного поля. Після цього запалювальні кристали 14, закріплені в тримачі 19 на нижньому кінці верхнього штока 18, підводять до розплаву 20 і занурюють у нього на глибину 0,5-1 мм. Після занурення запалювальні кристали 14 витримують протягом певного часу для розігріву і розплавлення. Розплавлення нижніх торців запалювальних кристалів 14 здійснюють до моменту досягнення чіткої і рівної межі розділу (фронту кристалізації) між тілом запалювальних кристалів 14 і загальною зоною розплаву 20 між ними і кристалом 13, який плавиться. Після досягнення стійкого стану фронту кристалізації включають переміщення верхнього штока 18, а, отже, і запалювальних кристалів 14, вгору і починають процес вирощування кристалів 21 заданого діаметра і довжини. У процесі вирощування можуть здійснювати обертання запалювальних кристалів 14. Кристал 13, який плавиться, обертають з метою формування симетричного електромагнітного поля індуктора 1 і досягнення однорідності прогріву кристала 13, який плавиться, зокрема зони розплаву 20. Таким чином корисна модель, що заявляється, являє собою індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки, конструктивне виконання якого дозволяє забезпечити вирощування декількох кристалів одночасно, підвищення ефективності індуктора за рахунок рівномірного розподілу електричного струму навколо периферичних отворів, можливість регулювання швидкості вирощування кристалів, а також створення теплових умов, що забезпечують зниження термомеханічних напруг у кристалах, які вирощуються. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 60 1. Індуктор для вирощування кристалів методом безтигельної зонної плавки у вигляді тарілчастої котушки з каналом для пропускання охолоджуючого середовища по периферії, центральним круговим отвором і наскрізним радіальним прорізом, по краях якого розташовані патрубки для підключення до джерела електричного живлення і для підведення охолоджуючого середовища, при цьому концентрично центральному отвору виконані периферичні отвори, з'єднані наскрізними прорізами з центральним отвором, який відрізняється тим, що діаметр d1 центрального кругового отвору дорівнює d1 = (0,15…0,30) * D2, а діаметр d2 периферичних отворів у найвужчому місці дорівнює d2 = (0,5…0,6) * D1, де D1 - діаметр кристала, який плавиться, а D2 - діаметр кристала, який вирощується. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що відстань r між центром центрального кругового отвору і центрами периферичних отворів дорівнює r = (0,5…0,6) * D1/2. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що верхня і нижня поверхні котушки виконані з ухилом до центральної її частини, а кут α1 ухилу дорівнює α1 = (0,05…0,10) *D1. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що периферичні отвори мають складну форму і складаються з двох суміжних частин, одна з яких має квазіконусоподібну форму, при цьому кут 3 UA 83683 U 5 α2 між твірною конуса і площиною, перпендикулярною до центральної осі індуктора, дорівнює α2 = (4,0…6,0) * D2. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що відстань L між осями суміжних периферичних отворів визначається зі співвідношення L ≥ 2 * d2. 4 UA 83683 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5