ЗАГАЛЬНА* ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ*
ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ
Єгоров Сергій Геннадійович
УДК 621.315
Вплив характеристик розплаву на умови кристалізації та властивості вирощуваних кристалів кремнію
05.16. 03 – Металургія кольорових металів.
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Запоріжжя, 2006 р.
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії, Міністерство освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Червоний І.Ф., Запорізька державна інженерна академія, завідуючий кафедрою металургії кольорових металів.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Куцова Валентина Зінов’євна, Національна металургійна академія, професор кафедри металознавства.
кандидат технічних наук Богомаз Анатолій Володимирович, казенне підприємство Запорізький титано-магнієвий комбінат, начальник дослідної лабораторії одержання германію.
Провідна установа – Науково-дослідний і проектний інститут титану, лабораторія електрохімічних виробництв, Міністерство промислової політики України, м. Запоріжжя
Захист відбудеться "_5_"_квітня_ 2006 р. о 14 00 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.100.02 у Запорізькій державній інженерній академії за адресою: 69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Запорізької державної інженерної академії, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226.
Автореферат розісланий "_16_" _лютого_2006 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради В.П.Грицай
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток електроніки, електротехніки, засобів зв'язку, енергетики, автомобілебудування вимагає підвищення об'єму виробництва напівпровідникових матеріалів і, зокрема, напівпровідникового кремнію. Завдяки практично необмеженим природним запасам, комерційній доступності і технологічності процесів в теперішній час до 90напівпровідникових пристроїв (підсилювачів, перетворювачів електричного струму, інтегральних схем і т.д.) виготовляється на основі кремнію. За прогнозами кремній залишиться основним напівпровідниковим матеріалом до 2010 року. Для отримання монокристалів кремнію в промисловості застосовують два методи: метод Чохральського (вирощування здійснюється з тигля із розплавом, діаметр монокристалів 300...400 мм, частка складає 80?90від загального об'єму виробництва) і метод індукційної вертикальної безтигельної зонної плавки (вирощування здійснюється з розплавленої зони, яка формується безпосередньо у вихідному полікристалічному стрижні, діаметр монокристалів до 100...150 мм, частка 10?20%). Поступаючись методу Чохральського в діаметрі вирощуваних монокристалів, метод безтигельної зонної плавки дозволяє одержувати монокристали з меншим змістом домішок O2, C, Fe, Al та ін. Тільки на основі таких монокристалів можуть бути виготовлені тиристори, що працюють на струмах 2000 А и які є основним елементом силових електричних перетворювальних підстанцій.
Одночасно зі збільшенням виробництва монокристалів кремнію зростають вимоги до їхньої якості. Електрофізичні й структурні властивості визначаються наявністю домішок у монокристалі і рівномірністю їхнього розподілу як у поздовжньому, так і в поперечних перерізах. У монокристал домішки переходять із розплавленої зони. Розуміння процесів, що протікають у розплаві, дозволить контролювати переміщення домішок у розплаві і керувати ступенем очищення монокристалів та однорідністю їхнього розподілу.
Дисертаційна робота присвячена вивченню механізму розподілу домішок в об'ємі розплаву і поблизу фронту кристалізації монокристалу з метою створення таких умов плавки, які дозволять робити з високим виходом у готову продукцію монокристалів кремнію з необхідним комплексом електрофізичних і структурних характеристик методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки.
Актуальність теми визначається необхідністю одержання високоякісних монокристалів кремнію методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки, що вимагає глибокого вивчення процесів, які протікають у розплаві, і їхнього впливу на умови кристалізації монокристалів і розподілу домішок.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям досліджень узгоджується з планами Міністерства промислової політики України по темі: ''Розробка промислової технології отримання монокристалічного кремнію, стійкого до дії зовнішніх факторів'' (тема затверджена 18.08.1995 р.).
Мета і завдання досліджень. Основною метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей впливу властивостей і характеристик розплаву на кристалізацію монокристалів і розподіл домішок. На основі отриманих закономірностей удосконалити метод, що існує, для отримання якісніших монокристалів кремнію з високим виходом готової продукції. Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні завдання:
· встановити вплив електромагнітного поля плавильного індуктора на процеси, які протікають в розплаві;
· встановити переважні механізми перемішування розплаву в рідкій зоні при вирощуванні монокристалів кремнію методом безтигельної зонної плавки;
· виявити залежність розподілу домішок і товщини дифузійного шару, який утворюється на фронті кристалізації монокристалу, від швидкості руху потоків розплаву;
· виявити зв'язок між зміною товщини діфузійного шару і електрофізичними параметрами вирощуваних монокристалів кремнію методом безтигельної зонної плавки.
Об'єкт дослідження: монокристали кремнію, які отримані методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки.
Предмет дослідження: вплив потоків розплаву на електрофізичні властивості монокристалів кремнію.
Методи дослідження: металографічний; двохзондовий та чотирьохзондовий методи визначення питомого електричного опору монокристалів; математичне моделювання.
Наукова новизна полученних результатів. В результаті проведених досліджень отримані наступні результати:
· уперше встановлена залежність товщини дифузійного шару на фронті кристалізації монокристалу від швидкості руху розплаву в рідкій зоні для методу вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки;
· встановлено залежність електрофізичних властивостей монокристалів (розподіл питомого електричного опору, неоднорідність розподілу дислокацій) від зміни товщини дифузійного шару на фронті кристалізації монокристалу.
Практична значущість отриманих результатів. Запропоновано метод вирощування монокристалів кремнію діаметром до 60 мм, заснований на усуненні негативного впливу конвекції на розподіл домішок шляхом додатка зворотньо-поступального руху до вихідного полікристалічного стрижня. Метод випробуваний у ВАТ ''ЦЕС Україна'', м. Запоріжжя. Пропонований метод усунення негативного впливу конвекції дозволяє збільшити питомий електричний опір монокристалу до 3000 Омсм. У порівнянні з відомими, метод простий в апаратурному оформленні і не вимагає значних витрат енергії.
Особистий внесок претендента. Конкретний особистий внесок претендента в отримання результатів полягає в наступному:
· на основі математичного моделювання розраховано траєкторії руху потоків розплаву при вирощуванні монокристалів кремнію методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки;
· встановлено залежність зміни товщини дифузійного шару уздовж фронту кристалізації від умов перемішування розплаву, а також взаємозв'язок між зміною товщини дифузійного шару і електрофізичними властивостями вирощуваних монокристалів;
· оптимізовано вибір частоти струму додаткового (що підігріває) індуктору для процесу вирощування монокристалів кремнію методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки;
· теоретично обґрунтовано позитивний вплив на ступінь очищення від домішок зворотньо-поступального руху вихідного полікристалічного стрижня при вирощуванні монокристалів кремнію діаметром до 60 мм методом вертикальної індукційної безтигельної плавки.
Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях:
· 8-му міжнародному симпозіумі ''Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы'' (22-27 квітня, м. Харків, 2002 р.);
· міжнародній конференції ''Наука о материалах на рубеже столетий: достижения и перспективы'' (4-8 листопада, м. Київ, 2002 р.);
· 4-ій міжнародній науково-технічній конференції ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов'' (19-23 травня, м. Харків, 2003 р.);
· 6-ої міжнародній науково-технічній конференції ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов'' (16-20 травня, м. Харків, 2005 р.);
· міжнародній конференції ''Стратегия качества в промышленности и образовании'' (3-10 червня, м. Варна, 2005 р.).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 робіт: три статті в журналі ''Теорія і практика металургії'', одна стаття в журналі ''Сучасна електрометалургія'', сім робіт - ''Металургія: Зб. наук. пр.''. Всі видання рекомендовані ВАК України.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і трьох додатків. Об'єм дисертації складає 134 сторінки, кількість малюнків - 61, кількість таблиць - 14, кількість використаних літературних джерел - 115.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність і доцільність вибраної теми, сформульовані мета і завдання дослідження, новизна і практична цінність результатів роботи.
У першому розділі приведений огляд вітчизняної і зарубіжної літератури, що стосується процесів перемішування розплаву при вирощуванні монокристалів напівпровідників і їх впливу на розподіл температури і домішок в розплаві, а також на властивості вирощуваних монокристалів. Більшість робіт розглядають окремо взятий механізм перемішування розплаву (теплова конвекція, відцентрова конвекція і т.д.) або взаємодію теплової і відцентрової конвекцій стосовно методу Чохральського. У роботах Шашкова Ю.М., Шушлебіної Н.Я., Гельфгата Ю.М., Горбунова І.А., Абріцкої М.Ю. розглядається вплив магнітного поля на перемішування розплаву (для методу Чохральського). Роботи, в яких досліджується рух розплаву при безтигельній зонній плавці, нечисленні та, як правило, зарубіжних авторів (Vanek P., Muhlbauer A., Люмкис Е.Д., Мартузане Э.Н.) і мають, на жаль, теоретичний напрям.
В дослідженнях широко застосовується фізичне моделювання (роботи Вілкокса В.Р., Джонстона В.С., Бердникова В.С., Туровського Б.М., Мільвідського М.Г., Мюллера Р.), а з розвитком обчислювальної техніки - математичне моделювання (роботи Полежаєва В.І., Простомолотова А.І., Подліваєва І.Ф., Ремізова И.А.).
У розглянутих роботах встановлено, що перемішування розплаву при вирощуванні монокристалів по методу Чохральського впливає на розподіл домішок, формування теплових умов кристалізації, властивості вирощуваних монокристалів. Однак дотепер не встановлено вплив перемішування розплаву на розподіл домішок і властивості монокристалів при вирощуванні їх методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки.
У зв'язку з вищевикладеним було поставлене завдання дослідження механізму перемішування розплаву в методі індукційної безтигельної зонної плавки, його впливу на розподіл домішки як в об'ємі розплаву, так і на фронті кристалізації. Закінчується перший розділ переліком основних завдань досліджень, проведених в дисертаційній роботі.
Другий розділ присвячений опису об'єктів дослідження, методам і методикам дослідження. Для вивчення властивостей монокристалів кремнію застосовувалися наступні методи дослідження: металографічний, двохзондовий і чотирьохзондовий методи визначення питомого електричного опору монокристалів. Для розрахунку траекторій руху потоків розплаву застосовувалось математичне моделювання.
Як початковий матеріал використовували стрижні полікристалічного кремнію діаметром від 30 до 60 мм. В процесі їх отримання здійснювалося легування фосфором до рівня 51014 см-3. Рівень вмісту бору у використовуваних партіях полікристалічного кремнію завжди був менше 61012 см-3, що забезпечувало ступінь компенсації основної легуючої домішки менше 10% і виключало її вплив на радіальну неоднорідність розподілу питомого опору в монокристалах кремнію. При підготовці до плавки проводилася хімічна обробка стрижнів кремнію в розчинах фтористоводневої і азотної кислот марки ОСЧ.
Дослідження проводилися на серійних установках типу Кристалл - 108, що використовуються для отримання монокристалів діаметром до 105 мм. Вирощування монокристалів проводилося в напрямах [111] і [100]. Плавки проводилися як у вакуумі при залишковому тиску в робочій камері печі не більше 1,3310-2 Па, так і в газовому середовищі (аргон або суміш аргону з 5?10водню) при тиску до 2105 Па. Для проведення плавок використовувалися очищений аргон і водень.
У третьому розділі представлені результати проведених досліджень, в ході яких вирощувалися монокристали при різній швидкості проходу розплавленої зони (1...5 мм/мін) і різних швидкостях обертання монокристалу (5...120 мін-1). Встановлено, що при збільшенні швидкості проходу зони від 1 до 5 мм/мін розкид питомого електричного опору монокристалу монотонно зростає від 4,3до 10,4а величина коефіцієнта неоднорідності розподілу дислокацій зменшується від 0,71до 0,34(мал. а). При частоті обертання монокристалу до 50 мін-1 спостерігається збільшення розкиду питомого електричного опору до 8,6При подальшому збільшенні частоти обертання монокристалу розкид питомого електричного опору різко знижується до величини 4,5і залишається на цьому рівні. Величина коефіцієнта неоднорідності розподілу дислокацій із збільшенням частоти обертання монокристалу від 5 до 120 мин-1 зменшується з 0,5 % до 0,42при спостережуваному стрибку для частоти обертання монокристала 50 мін-1 (мал. 1 б).
Мал. 1. Залежність розкиду питомого опору по торцях, коефіцієнта неоднорідності розподілу дислокацій і розкиду товщини дифузійного шару від швидкості проходу зони (а) і частоти обертання монокристала (б)
Для пояснення отриманих результатів була побудована математична модель перемішування розплаву на основі рівнянь Навьє-Стокса. Геометричні розміри розплавленої зони фіксувалися під час проведення експерементів. В ході аналізу математичної моделі було встановлено, що в об'ємі розплаву розвивається теплова конвекція, режим розвитку якої при збільшенні швидкості переміщення зони переходить від стаціонарного конвекційного до дифузійного (мал. 2). Обертання монокристалу впливає на розвиток потоків в розплавленій зоні, і при частоті обертання монокристалу понад 50 мін-1 переважаючою стає відцентрова конвекція (мал. 3).
Електродинамічна і термокапілярна конвекції розвиваються в приповерхневому шарі і не впливають помітно на формування основного потоку розплаву.
Потоки, що розвиваються, впливають на розподіл домішок у розплавленої зоні (мал. , ).
Мал. 2. Розрахований рух розплаву (стрілки) при зміні швидкості переміщення зони, мм/мін: а) 1; б) 2; у) 3; г) 4; д) 5
Мал. 3. Розрахований рух розплаву (стрілки) при зміні частоти обертання монокристалу, мін-1: а) 5; б) 30; у) 50; г) 60; д) 120
Мал. 4. Розподіл домішки (кисню) з рівноважним коефіцієнтом розподілу k0 ,875 при швидкості переміщення зони, мм/мін: а) 1; б) 3; у) 5
Мал. 5. Розподіл кисню в розплавленій зоні при різній частоті обертання монокристалу, мін-1: а) 5; б) 60; у) 120
Наступним етапом досліджень було вивчення впливу швидкості руху розплаву поблизу фронту кристалізації на товшину діфузійного шару. Для цього у формулу залежності товщини дифузійного шару від частоти обертання монокристалу
були введені радіальна і азимутальна складові швидкості руху розплаву:
,
де D – коефіцієнт дифузії, м2/с;
- кінематична в'язкість розплаву кремнію, м2/с.
Rkp - радіус монокристалу, м;
u,w – радіальна і азимутальна складова швидкості, м/с;
Далі було встановлено, що під час переходу режиму перемішування розплаву від теплової до відцентрової конвекції спостерігається зміна товшини діфузійного шару на фронті кристалізації, яка позначається на властивостях вирощуваних монокристалів. Таким чином, при вирощуванні монокристалів кремнію методом індукційної безтигельної зонної плавки в розплавленій зоні під дією теплової і відцентрової конвекцій формуються потоки розплаву, що впливають на розподіл домішок і температури в розплаві, і на товщину дифузійного шару.
При проведенні експериментів була розглянута робота плавильного і підігріваючого індукторів. Встановлено, що електромагнітне поле, яке створюється плавильним індуктором, не надає істотної дії на конвекційні потоки.
Для поліпшення підігріву монокристалу, що росте, пропонується застосовувати для підігріваючого індуктору робочу частоту струму, яка відрізняється від частоти струму плавильного індуктору і залежить від діаметру монокристалу (мал. 6).
Мал. 6. Залежність оптимальної частоти струму підігріваючого індуктора від діаметру монокристалу
У четвертому розділі пропонується метод усунення негативного впливу конвекції, який дозволяє підвищити електричний опір (до 3000 Омсм). Метод заснований на зворотньо-поступальному русі вихідного стрижня (мал. 7).
1 – початковий стрижень; 2 – розплав; 3 – індуктор тарельчатого типу; 4 - монокристал
Мал. 7 Схема зворотньо-поступального руху стрижня
При русі стрижня вниз відбувається ''стискання'' розплавленої зони, а при русі нагору – ''розтягування''. Така зміна геометричних розмірів розплавленої зони при певних значеннях частоти й амплітуди зворотньо-поступального руху стрижня дозволяє керувати потоками розплаву. Визначено оптимальна частота (2,6 Гц) і амплітуда (5,0 мм) зворотньо-поступального руху стрижня. Даний метод запропонований для вирощування монокристалів кремнію з поліпшеними характеристиками.
ВИСНОВКИ
1.
Оптимізовано вибір частоти струму додаткового (що підігріває) індуктору для процесу вирощування монокристалів кремнію методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки;
2.
У розплавленої зони, якаформується при вирощуванні монокристалів кремнію методом вертикальної індукційної безтигельної зонної плавки, розвиваються гідродинамічни потоки різної природи. В об'ємі розплаву розвиваються відцентрова (при наявності обертання) і теплова конвекції, у поверхневому шарі - електродинамічна й термокапілярна. Встановлено, що теплова й відцентрова конвекції формують конвекційні осередки, у той час як потоки розплаву, обумовлені електродинамічної і термокапілярної конвекціями, підсилюють або послабляють їх, залежно від напрямку їхнього руху;
3.
Встановлено, що застосування безрозмірних критеріїв для опису розвитку потоків у розплаві повинне бути диференційоване по геометричним областях, у яких розвиваються окремі види конвекції. Так, можна зрівняти електродинамічну і термокапілярну конвекцію, тому що вони діють у поверхневому шарі розплаву. Аналогічно, можна порівнювати відцентрову і теплову конвекції, які діють в об'ємі розплаву.
4.
Гідродинамічні потоки, що формуються, змінюють товщину дифузійного шару й, отже, ефективного коефіцієнта розподілу уздовж фронту кристалізації. Такий неоднорідний розподіл домішок на фронті кристалізації, а також нерівномірна товщина дифузійного шару на фронті кристалізації приводить до неоднорідного розподілу домішок у вирощуваних монокристалах;
5.
Придушення розвитку конвекційних потоків у розплаві в результаті застосування зворотньо-поступального руху вихідного стрижня сприяє одержанню монокристалів кремнію з більше високим значенням питомого електричного опору. Додаток зворотньо-поступального руху змінює геометричні розміри розплавленої зони і тим самим руйнує конвекційні потоки, що формуються. Домішка довше перебуває в перегрітій області, що сприяє її випару і очищення від її монокристалів.
СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Червоный И.Ф., Егоров С.Г. Роль конвекции при выращивании монокристаллов кремния // Металлургия: Сб. науч. тр. ЗГИА. – 2001. - №6. – С.77-79.
2.
Червоный И.Ф., Егоров С.Г., Масленников В.О. Применение безразмерных критериев для описания состояния расплава кремния при БЗП // Металлургия: Сб. науч. тр. ЗГИА. – 2002. - №7. – С.90-95.
3.
Червоный И.Ф., Егоров С.Г. Влияние технологических факторов на состояние расплава кремния при БЗП // Сб. докладов 8-го международного симпозиума ''Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы''. – Харьков, 22-27 апреля 2002. – С. 87-89.
4.
Egorov S.G., Chervonyi I.F., Kolobov G.A., Nikonenko A.P. The description of the silicon melt movement at the FZ process // International conference ''Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges''. – Kiev, 4-8 November 2002. – P.143-144.
5.
Червоный И.Ф., Никоненко А.П., Егоров С.Г. Получение сверхчистых материалов методом бестигельной зонной плавки // Металлургия: Сб. науч. тр. – 2003. ЗГИА. - №7. – С.55-60.
6.
Червоный И.Ф., Егоров С.Г. Магнитное поле плавильного и подогревного индукторов при бестигельной зонной плавке // Металлургия: Сб. науч. тр. ЗГИА. – 2003. - №7. – С.60-64.
7.
Егоров С.Г., Червоный И.Ф., Колобов Г.А. Анализ влияния магнитного поля подогревающего индуктора на расплавленную зону при БЗП // Сб. докладов 4-ой международной научно-технической конференции ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов''. – Харьков, 19-23 мая 2003. – С.320-323.
8.
Червоный И.Ф., Швец Е.Я., Егоров С.Г., Колобов Г.А. О влиянии условий бестигельной зонной плавки (БЗП) на однородность распределения примеси по сечению монокристалла // Сб. докладов 4-ой международной научно-технической конференции ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов''. – Харьков, 19-23 мая 2003. – С.324-326.
9.
Червоный И.Ф., Швец Е.Я., Колобов Г.А., Егоров С.Г. О зависимости однородности радиального распределения примеси от условий БЗП // Теория и практика металлургии. – 2003. - №2 (34). – С.58-60.
10.
Егоров С.Г., Червоный И.Ф., Никоненко А.П. Влияние частоты тока индуктора на степень очистки кремния при бестигельной зонной плавке // Металлургия: Сб. науч. тр. ЗГИА. – 2003. - №8. – С.63-65.
11.
Егоров С.Г., Червоный И.Ф., Швец Е.Я. Исследование электромагнитных полей плавильного и подогревающего индукторов при бестигельной зонной плавке // Современная электрометаллургия. – 2003. - №2 (71). – С.34-37.
12.
Егоров С.Г., Швец Е.Я., Головко О.П., Червоный И.Ф. Распределение примеси в процессе БЗП кремния с учетом конвекций в расплаве // Сб. докладов 6-ой международной научно-технической конференции ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов''. – Харьков, 16-20 мая 2005. – С.140-142.
13.
Егоров С.Г., Швец Е.Я., Червоный И.Ф. Поиск оптимальной частоты тока подогревающего индуктора бестигельной зонной плавки // Сб. докладов 6-ой международной научно-технической конференции ''Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов''. – Харьков, 16-20 мая 2005. – С.78-80.
14.
Червоный И.Ф., Егоров С.Г., Швец Е.Я. К вопросу о взаимосвязи однородности монокристаллов кремния и потоков расплава в процессе БЗП // Сб. докладов международной конференции ''Стратегия качества в промышленности и образовании''. – Варна, 3-10 июня 2005 г. – С.129-130.
15.
Єгоров С.Г., Швець Є.Я., Червоний І.Ф., Головко О.П. Вплив потоків в розплаві на розподіл домішки під час безтигельного зонного плавлення // Металургія: Зб. наук. пр. ЗДІА. – 2005. - №12. – С.57-62.
16.
Никоненко А.П., Швец Е.Я., Червоный И.Ф., Егоров С.Г. Оптимизация контроля качества поликристаллического кремния // Металлургия: Сб. науч. тр. ЗГИА. – 2004. - №10. – С. 97-99.
17.
Егоров С.Г., Червоный И.Ф., Швец Е.Я. Влияние движения расплава на толщину диффузионного слоя при выращивании монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной плавки // Теория и практика металлургии. – 2005. - №4-5 (47-48). – С. 100-104.
АННОТАЦИЯ
Егоров Сергей Геннадьевич. Влияние характеристик расплава на условия кристаллизации и свойства выращиваемых кристаллов кремния. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.03 - Металлургия цветных металлов. – Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье, 2005.
Проведено исследование влияния конвекционных потоков в расплаве на распределение фосфора и кислорода в выращиваемых монокристаллах кремния. Установлено, что в расплавленной зоне, образующейся при бестигельной зонной плавке, развиваются следующие виды конвекции: тепловая, термокапиллярная, центробежная и электродинамическая. При взаимодействии перечисленных видов конвекций преобладающей становится тепловая конвекция, если частота вращения монокристалла меньше 50 мин-1. При частоте вращения монокристалла более 50 мин-1 преобладающей становится центробежная конвекция.
Под влиянием конвекции происходит перемешивание расплава, влияющее на распределение примесей как в объеме расплава, так и вблизи фронта кристаллизации. Кроме того, перемешивание расплава также изменяет толщину диффузионного слоя на фронте кристаллизации. Неравномерное распределение примесей в расплаве приводят к неодинаковому поступлению примесей в монокристалл. Получена зависимость толщины диффузионного слоя от скорости движения потоков расплава, которая позволила объяснить резкое изменение в свойствах монокристалла при увеличении скорости его вращения.
По результатам проведенных исследований был предложен метод, который позволяет выращивать высокочистые монокристаллы кремния с высоким удельным электрическим сопротивлением (3000 Омсм). Метод основан на возвратно-поступательном движении исходного стержня и не требует значительных изменений в стандартных промышленных установках для выращивания монокристаллов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Бестигельная зонная плавка; тепловая, термокапиллярная, центробежная и электродинамическая конвекции; толщина диффузионного слоя; удельное электрическое сопротивление; возвратно-поступательное движение стержня.
АНОТАЦІЯ
Єгоров Сергій Геннадійович. Вплив характеристик розплаву на умови кристалізації та властивості вирощуваних кристалів кремнію. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.03 - Металургія кольорових металів. - Запорізька державна інженерна академія, Запоріжжя, 2005.
Проведено дослідження впливу конвекційних потоків в розплаві на розподіл фосфору та кисню в вирощуваних монокристалах кремнію. Встановлено, що в розплавленій зоні, яка утворюється в методі безтигельної зонної плавки, розвиваються наступні види конвекції: теплова, термокапілярна, відцентрова та електродинамічна. При взаємодії перерахованих видів конвекцій переважаючою стає теплова конвекція, якщо частота обертання монокристалу менше 50 мін-1. При частоті обертання монокристалу більше 50 мін-1 переважаючою стає відцентрова конвекція.
Під впливом конвекції відбувається перемішування розплаву, що впливає на розподіл домішок як в об'ємі розплаву, так і поблизу фронту кристалізації. Крім того, перемішування розплаву також змінює товщину дифузійного шару на фронті кристалізації монокристалу. Нерівномірний розподіл домішок в розплаві та різна товщина дифузійного шару приводять до неоднакового надходження домішок в монокристал. Одержана залежність товщини дифузійного шару від швидкості руху потоків розплаву, яка дозволила пояснити різку зміну у властивостях монокристалу при збільшенні швидкості його обертання.
За наслідками проведених досліджень було запропоновано метод, який дозволяє вирощувати високочисті монокристали кремнію з високим питомим електричним опором (3000 Омсм). Метод заснований на зворотно-поступальному русі початкового стрижня і не вимагає значних змін в стандартних промислових установках для вирощування монокристалів.
КЛЮЧОВІ СЛОВА
Безтигельна зонна плавка; теплова, термокапілярна, відцентрова та електродинамічна конвекції; товщина дифузійного шару; питомий електричний опір; зворотно-поступальний рух стрижня.
ANNOTATION
Egorov Sergey Gennadievich. The influences of melt performances on crystallization conditions and property of grown silicon single crystals. – A manuscript.
Dissertation for the candidate of engineering science degree in specialty 05.16.03 - Metallurgy of non-ferrous metals. - Zaporozhye state engineering academy, Zaporozhye, 2005.
The research of convection streams influence in a melt on allocation of phosphorus and oxygen in the grown silicon single crystals is carried out. Is installed, that in molten zone, which is generating in a method floating-zone melting, the following aspects of convection explicate: thermal, thermocapillary, centrifugal and electrodynamic. At interaction of numbered aspects of convections dominant there is a thermal convection, if the rotational speed of single crystals is less than 50 mines-1. At rotational speed of a single crystals more than 50 mines-1 dominant become a centrifugal convection.
Under influence of convection there is intermixing a melt influencing to allocation of an impurity as in volume of a melt, and near to a solidified front. Besides the intermixing of a melt also changes width of a diffusive stratum at the front of crystallization of a single crystal. A non-uniform distribution of an impurity in a melt and different width of a diffusive stratum along radius of a single crystal reduce in unequal receipt of an impurity in a single crystal. The dependence of width of a diffusive stratum on velocity of melt streams driving is obtained which has allowed to explain sharp change in properties of a single crystal at magnification of its rotation velocity.
By results of the carried out researches the method was offered which allows growing silicon single crystals with high specific electrical resistance (3000 Ohcm). The method grounded on a reciprocation of an initial rod and does not require considerable changes in standard production plants for growth of single crystal.
KEY WORDS
Floating-zone melting; thermal, thermocapillary, centrifugal and electrodynamic convection; width of a diffusive stratum; specific electrical resistance; a reciprocation of a rod.
