Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Бестигельная плавка кремния

05.12.2018

Поверхностное натяжение, расплавленного кремния равно 720 дин/см. Благодаря этому сравнительно высокому значению зона расплавленного кремния может стабильно удерживаться между двумя вертикально расположенными в одну линию стержнями из кремния, закрепленными на концах, что позволяет обойтись без тигля для расплава. Форма такого жидкого слоя, который мы назвали плавающей зоной, описывается уравнением Лапласа:
Бестигельная плавка кремния

где р — разница давлений на поверхности жидкости в любой точке, R1 и R2 — основные радиусы кривизны в этой точке, у — поверхностное натяжение жидкости. Решение этого уравнения дает семейство кривых с давлением внутри жидкой зоны в качестве параметра. Используя эти кривые, были определены стабильные формы плавающих зон для различных поперечных сечений поддерживающих стержней. Эти результаты были недавно опубликованы в работе. Было найдено, что жидкие зоны кремния можно поддерживать в стабильном состоянии между стержнями цилиндрической формы приблизительно до диаметра 1 см. Жидкую зону можно перемещать вдоль оси стержня, расплавляя новые порции кремния впереди зоны и оставляя позади перекристаллизованный кремний. Для получения методом вертикальной зонной плавки перекристаллизованного стержня постоянного диаметра необходимо, чтобы касательная к границе жидкость — твердая фаза с затвердевающей стороны подвижной расплавленной зоны была вертикальна. Соответствующие формы жидкой зоны кремния при ее перемещении вверх или вниз показаны на фиг. 1 и 2.

При разработке метода плавающей зоны прежде всего была решена задача расплавления кремния в атмосфере гелия или аргона за счет нагрева излучением от вольфрамовой спирали, окружающей короткий участок слитка. Использованная при этом аппаратура схематически показана на фиг. 3. Нагревательный элемент, окружающий кремниевый стержень в описанной выше установке, может быть источником загрязнения примесями, так как давление паров вольфрама при тех высоких температурах, до которых нужно нагреть спираль (2000—2200°) для расплавления кремния, является уже заметной величиной. По этой причине была разработана и смонтирована усовершенствованная установка, в которой из плавильной камеры был полностью удален нагревательный элемент. Кроме того, исходя из опыта работы с первоначальным аппаратом, в новую установку был внесен ряд других усовершенствований. Поскольку помещать нагревательный элемент внутри плавильной камеры нежелательно, был выбран высокочастотный индукционный нагрев кремния, при котором индукционная катушка располагается концентрично с кремниевым стержнем снаружи кварцевого цилиндра. Схематический чертеж установки показан на фиг. 4. Плавильная камера 1 устанавливается в фиксированном положении на поперечной рейке стальной рамы 2. Она состоит из сменной кварцевой трубы длиной 250 мм, установленной между водоохлаждаемыми плитами 3 с применением вакуумных резиновых уплотнений. Кремниевый образец закрепляется в патроне вольфрамовыми зажимными штифтами 4; патроны вмонтированы в водоохлаждаемые трубы 5 из нержавеющей стали. Эти трубы пропущены через вакуумные вильсоновские уплотнения 6, соединенные с помощью коротких металлических сильфонов с плитой 5. Обе трубы 5 пропущены через латунные подшипники в подвижной раме 7 и могут независимо друг от друга вращаться с помощью ременной передачи от небольших синхронных моторов 8 через редукторы. Каждую трубу можно установить вручную вдоль оси стержня после освобождения зажимной нейлоновой муфты 9. Кроме того, можно проводить тонкую регулировку нижней трубы в вертикальном направлении путем вращения винта, на котором сидит опорная нарезная муфта 10. Верхняя трубка 5 изолирована от рамы бакелитовой втулкой, в то время как нижняя труба заземлена через раму. Вся рама 7 вместе с держателями образца может перемешаться в вертикальном направлении по двум цилиндрическим направляющим 11 на четырех шарикоподшипниках 12. Подвесные грузы служат для уравновешивания рамы, которая перемещается со скоростью до 6 мм/мин при помощи штурвала 13 или мотора 14 с регулируемым числом оборотов. Раму, кроме того, можно отсоединить от системы приводов поворотом рукоятки, разъединяющей нарезную муфту от приводного вала, позволяя тем самым перемещать раму вручную в любое нужное положение. Плавильною камеру можно эвакуировать через отверстие в опорной плите, соединенное с системой высокого вакуума. Общин вид установки для плавки методом плавающей зоны показан на фиг. 5.


Для эффективного индукционного нагрева кремния требуется применять значительно более высокие частоты, чем для металлических образцов. Поэтому был специально сконструирован высокочастотный генератор мощностью 5 квт для получения частоты приблизительно 3 Мгц. Так как удельное сопротивление сверхчистого поликристалличес-кого кремния при комнатной температуре высоко, трудно начинать индукционный нагрев. Было найдено, что индукционную плавку кремния удобно начинать с предварительного нагрева стержня кремния проходящим через него током. Так как приходится начинать с кусков мелкокристаллического кремния длиной по крайней мере 10 мм, начальный этап состоит в последовательной сварке нескольких таких кусков с образованием стержня неправильной формы. При сварке два расположенных рядом куска помещаются в центр индукционной катушки и сплавляются. После получения стержня неправильной формы достаточной длины около одного конца слитка создается стабильная подвижная зона. Жидкая зона медленно перемещается вдоль стержня, расплавляя новые порции кремния впереди зоны и оставляя позади перекристаллизованный кремний. Зону можно перемещать или снизу вверх, или сверху вниз. Затем процесс повторяется, причем подвижная зона все время перемещается в одном и том же направлении. После каждого прохода монокристаллическая часть растет, и после нескольких проходов получаются монокристаллы длиной до 10 см. Было найдено, что вдоль оси стержня лежат направления [111] и [100]. Монокристаллы получаются легче, если с одной стороны используется затравка и если начальная плавающая жидкая зона создается в месте соединения затравки с поликристаллическим кремнием. Плавающая зона затем перемещается вдоль поликристаллической массы, а из затравки растет монокристалл.

В большинстве образцов после многократной зонной плавки в одном направлении наблюдалась эффективная очистка. Были получены монокристаллы, все без исключения обладающие проводимостью р-типа с удельным сопротивлением до нескольких сотен ом*см. Мы полагаем, что в этих кристаллах в основном остается бор, который не может быть эффективно удален зонной плавкой.

Для применения метода плавающей зоны необходимо иметь кремний в форме стержней или по крайней мере кусков, которые можно сварить вместе для получения стержня неправильной формы.

В том случае, когда в качестве исходного материала имеется лишь порошок, его можно гидростатически спрессовать в стержень без применения какого-либо связующего вещества. Из таких прессованных стержней можно затем получить монокристалл кремния с помощью установки лая планки методом плавающей зоны.

В заключение следует отметить три важных преимущества метода плавающей зоны: 1) устранение попадания в расплав примесей из тигля или из нагревательного элемента; 2) возможность применения этого метода для материалов с точками плавления, даже более высокими, чем у кремния; 3) получение монокристаллов из сравнительно небольших количеств исходного материала.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: