Устройство для получения трубчатых кристаллов методом степанова

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 73 А С 30 В 15/34 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКО СВ ЕЛ ЬСТВУ(56) Алешин А,АБлецС.ФБузынин А,НЛюСССР, сер.физт,49,2379,(57) Изобретение относится к технологии выращивания профилированных кристаллов вытягиванием из расплава с поверхности формообразователя. Цель - улучшение структуры кристаллов за счет снижения термических напряжений. Устройство содержит тигель с кольцевым формообразователем, нагреватель и систему тепловых экранов. Дополнительные вертикальные тепловые экраны установлены снаружи и внутри формообразователя, Дополнительный горизонтальный экран установлен на внутреннем тепловом экране, Приведены формулы для определения расстояния между формообразователем и дополнительными вертикальными экранами, Система экранов воздействует на строго определенную область кристалла у фронта кристаллизации и позволяет сохранить скорость кристаллизации на высоком уровне, Получены восьмигранные трубы из кремния с шириной грани 37 мм и толщиной стенки 0,3 - 0,5 мм с улучшенной кристаллической структурой. 3 ил.ишай й институт им, А.Ф в, Т,А. Овчиферев рь С ан Н,ИБогатырев алин М,Д. Изв-я АН 985, М 12, с,2375 ращивания ращивания расплава с по способу зовано для я профили- очередь к о или дажеметодами, и внутреные многокасается вы конкретно вь кристаллов из бразователя ет быть исполь сти применени лов, в первую которые трудн овить другими ными сложным и, тонкостенн большои площадиния солнечных фоОдним из осширокого испольмногогранных тструктурное соведефектов, как болвысокая плотносдислокационныхсчете приводитпрочности труб, бке и механическораметрам прибороснове. е многогранные трубы лучения тонких подложек Антонов П.И., Иванцов В.АКозлов А.А, и др, Изв-я АН СССР, сер.физт,52, 1988, й 1.10, с.1942-1950,Тауог А,ЯМосКасозЬ В,НЕгзз 1., 6/об ЕМ. - Т. о 1 Сгузта Огоай, 1987, ч,82, р, 134 - 141,Антонов П,И, и Крымов В.М. Изв-я АН СССР, сер,физт,44, 1980, М 2, с.250 - 254 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ СТЕПА-. НОВА Изобретение кристаллов, более профилированных помощью формоо Степанова, и мож расширения обла рованных кристал таким профилям, невозможно изгот т,е. трубы с различ ними отверстиям гранные трубы и тТонкостенны применяют для по, например для изготовлетопреобразователей, новных препятствий для зования труб, в частности руб, является их низкое ршенство, наличие таких ьшое число границ зерен, ть дислокаций, наличие скоплений. Это в конечном к низкой механической слышим потерям при резй обработке и низким паов, изготавливаемых на ихИзвестно, что на структурное совершенство кристаллов существенно влияет технология их изготовления. Одним из путей повышения структурного совершенства выращиваемых кристаллов в форме труб, в том числе и многогранных, является совершенствование устройств для их получения, Известно устройство для выращивания кристаллов в виде труб методом Чохральского, содержащее нагреватель, тигель для расплава и систему экранов; вертикального, расположенного вокруг нагревателя, и горизонтального, расположенного над нагревателем и стенкой тигля, Устройство используется в установке для выращивания кристаллов, имеющей герметичную камеру с вертикально расположенными верхним и нижним штоками, кОторые могут перемещаться вверх - вниз и вращаться вокруг своей оси. На верхнем .штоке закрепляется затравкодержатель с затравкой, имеющей форму кольца, На нижнем штоке устанавливается тигель с загрузкой,Устройство работает следующим образом.После откачки камеры и нагрева тигля до расплавления вещества включают вращение затравки и тигля (во взаимно противоположных направлениях). Затем затравка опускается до соприкосновения с поверхно,стью расплава. Затравка в начальный момент играет роль формообразователя и на ней образуется кольцеобразный менискрасплава, который затем при подъеме затравки вверх закристаллизовывается, В дальнейшем трубчатая форма изделия сохраняется за счет капиллярных свойств жидкого мениска, образующегося при взаимном вращении кристалла и расплава при строгом поддержании режима роста,Данное устройство позволяет получатькристаллы только в форме круглых труб с толщиной стенки не менее 3 мм и внутренним диаметром не менее 50 мм с поликристаллической, столбчато-блочной структурой.Недостатками устройства являются: ограничения по геометрическим размерам;невозможность получения труб сложной конфигурации, в том числе многогранных;несовершенство структуры получаемых труб; низкая скорость выращивания (до 55 мммин ),Наиболее близким к изобретению является устройство для получения труб, в том числе и многогранных, по способу Степанова, содержащее соосно расположенные формообразователь, тигель для расплава, нагреватель, систему из вертикального, горизонтального и наклонного экранов, при45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 этом вертикальные экраны расположены вокруг нагревателя, горизонтальные - над нагревателем и стенкой тигля, а наклонный экран - между верхним торцом формообразователя и горизонтальными экранами.Устройство устанавливается в герметичной, водоохлаждаемой камере, в которой может создаваться вакуум или инертная атмосфера. Камера снабжена двумя штоками: нижним, на который устанавливается тигель, и верхним, на котором закрепляется затравкодержатель с затравкой. Штоки могут перемещаться вверх - внйз, а нижний шток должен обеспечивать вращение вокруг своей оси, В тигель загружается вещество, из которого выращивается кристалл. Вещество в тигле расплавляют путем пропускания через нагреватель электрического тока. Заданный уровень температуры поддерживают при помощи регулятора температуры.Преимуществами данного устройства являются: возможность получения кристаллов не только в форме круглых труб, но и другой формы, например многогранных, так как форма кристалла задается формой верхней поверхности формообразователя; возможность получения тонкостенных изделий (с толщиной стенки до 0,1 мм) и отсутствие ограничений на геометрические размеры изделия; упрощение устройства, обусловленное отсутствием необходимости вращения затравкодержателя,Недостаток этого устройства заключается в несовершенстве структуры выращиваемых кристаллов из-за их высокой дефектности, связанной с термическими напряжениями, возникающими в результате резкого, экспоненциального уменьшения температуры вдоль оси вытягивания кристалла вблизи границы раздела расплав - кристалл,Цель изобретения - улучшение структуры кристалла за счет снижения термических напряжений при сохранении производительности процесса.Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для выращивания кристаллов в виде труб, в том числе многогранных, по способу Степанова, содержащем соосно расположенные формообразователь, тигель для расплава, нагреватель, систему из вертикального, горизонтального и наклонного экранов, приэтом вертикальные экраны расположены вокруг нагревателя, горизонтальные экраны - над нагревателем и стенкой тигля, а наклонный экран - между верхним торцом формообразователя и горизонтальными экранами, дополнительно установлены коакд Й - среднии радиус трубы, мм;и - толщина стенки трубы, мм;м- коэффициент Пуассона,и горизонтальный экран, расположенный на, верхней кромке внутреннего вертикального экрана.Дополнительные вертикальные полые экраны, установленные внутри и снаружи формообразователя, уменьшают тепловое излучение с поверхности кристалла в области вблизи границы раздела кристалл-расплав. Это способствует линеаризации температурного распределителя и снижению уровня термических напряжений, а в результате улучшению структуры кристаллов, Вертикальные экраны должны быть установлены коаксиально с формообразователем, В противном случае это приведет к перекосутемпературного поля в поперечном сечении, к разной высоте жидкого столба расплава и, следовательно, либо к разностенности изделия, либо даже к примерзанию кристалла (или соответственно отрыву мениска с противоположной стороны периметра изделия). Экраны должны быть выполнены полыми: наружный по той причине, что внутри него помещен формообразователь, а внутренний, если сделать его сплошным, будет передавать тепловой поток от нагретого расплава к верхнему торцу по всему сечению. Необходимым является также расположение экранов относительно формообразователя: нижний конец экранов должен быть на уровне нижнего торца формообразователя, В этом случае в процессе работы нижний конец экранов будет находиться в расплаве, что приведет к подогреву экранов до температуры, близкой к температуре плавления выращиваемого кристалла, для создания необходимого зкранирующего действия, Верхний торец экранов должен быть выше верхней кромки формообразователя для формирования требуемого температурного распределения в кристалле, в зоне, где происходит резкое падение температуры. г е сиально внутри и снаружи формообразователя вертикальные полые экраны, боковые поверхности которых удалены от противолежащих им поверхностей формообразователя на расстояние Ягор21, а верхний торец экранов расположен выше верхней кромки формообразователя на расстояние Яьерт = 4 Й, где Е - геометрический параметр, определяемый по соотношению25 снижению его эффективности, а более высокое расположение приведет к необходимо.сти вводить новые элементы крепления экрана и образованию зазора, через который излучение от зеркала расплава будет попадать на кристалл.На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - данные по распределению температуры вдоль оси вытягивания кристалла Едля предлагаемого устройства (а) и устройства-прототипа (Ь); на фиг,3 - расчетные данные по распределению термоупругих напряжений в кристаллах вдоль оси вытягивания Е для В результате математического моделирования теплообмена и образования напряжений показано, что при Яверт41 будутувеличиваться напряжения на фронте кри 5 сталлизации, а при Я 8 ерт41 будет уменьшаться величина градиента температуры нафронте кристаллизации, что приведет куменьшению скорости вытягивания, т,е.приведенное соотношение является опти 10 мальным и существенным для получения эффекта улучшения структуры кристалла.Существенно также расположение вертикальных экранов на расстоянии от поверхности формообразователя Яор 2 Г,15 При большем расстоянии нарушается локальный режим работы экранов, т,е. на каждую точку экрана попадает излучение не спротиволежащей точки, а с широкой области, и тепловое воздействие на область у20 фронта кристаллизации становится неэффективным, Минимальное расстояние докристалла ограничивается естественным условием отсутствия касания экрана с вытягиваемым кристаллом.Горизонтальный экран, расположенныйна верхней кромке внутреннего вертикального экрана, необходим для задержки теплового излучения зеркала расплава навнутренние поверхности растущего кри 30 сталла выше зоны действия вертикальногоэкрана. Установлено, что это приводит к некоторому охлаждению верхней части кристалла и тем самым увеличивает градиенттемпературы на фронте кристаллизации.35 Это компенсирует уменьшение градиентатемпературы, возникающее из-за нагревающего действия вертикальные экранов, и Оозволяет сохранить высокую скоростьвытягивания изделия,40 Существенным является расположениегоризонтального экрана на верхней кромкевертикального экрана, так как более низкоерасположение будет приводить к охлаждению внутреннего вертикального экрана и510 20 25 30 35 40 45 50 55 предлагаемого устройства с) и устройства- и рототи па (б).Устройство включает тигель 1 с установленным в нем кольцевым формообразователем 2, нагреватель 3 и систему тепловых экранов, состоящую из вертикального экрана 4, установленного с внешней стороны нагревателя 3, горизонтального экрана 5, расположенного на вертикальном экране 4, наклонного экрана 6, установленного между формообразователем 2 и горизонтальным экраном 5, дополнительных вертикальных экранов 7 и 8, установленных снаружи и внутри формообразователя 2, и дополнительного горизонтального экрана 9, расположенного на экране 8, Тигель 1 установлен на штоке 10, Затравление ведут на затравку 11, закрепленную в затравкодержателе 12, соединенном с механизмом 13 ее перемещения,Устройство работает следующим образом.При подаче напряжения на нагреватель 3 шихта, находящаяся в тигле 1, установленном на штоке 10, расплавляется. Затем тигель с расплавом при помощи штока 10 приводят во вращение для создания симметричного теплового пола, поднимают до положения, при котором нижняя часть формообразователя 2 и дополнительных вертикальных экранов 7 и 8 оказывается в расплаве. При этом расплав по капиллярным отверстиям формообразователя 2 поднимается до его верхней кромки. При помощи механизма 13 затравка 11 подводится к формообразователю 2 до соприкосновения с ним. Затравка, подплавляясь, образует на рабочем торце формообразователя 2 столб расплава, соединенный с расплавом в тигле, При определенной температуре затравку с помощью механизма 13 поднимают вверх, при этом на ней начинается кристаллизация изделия, форма поперечного сечения которого определяется формой и размерами рабочего торца формообразоватепя 2,Предлагаемое устройство бьгло реализовано для выращивания восьмигранных труб из кремния, ширина грани составила 37 мм, толщина стенки 0,3 - 0,5 мм,Нагреватель представлял собой печь сопротивления в форме стакана, выполненного из графита, с внешним диаметром 250 мм, толщиной стенок 10 мм и высотой 150 мм. В контакте с нагревателем устанавливалась вольфрам-рениевая термопара ВР 5/30, сигнал от которой подавался на систему регулировки температуры, Тигель диаметром 200 мм в форме чашки изкварцевого стекла устанавливался в держатель тигля,выполненный из графита. Формообразователь выполнен из высокоплотного графита марки МПГи представлял собой восьмигранное кольцо, поперечный размер по диагонали которого составлял 96 мм, с конусообразной верхней частью, На верхней кромке формообразователя прорезаны канавки шириной 0,5 мм и глубиной 1 мм, с которыми соединяются капиллярные сквозные отверстия в формообразоватепе. Высота формообразователя составляла 15 мм. Формообразователь закреплен с помощью графитовых держателей диаметром 5 мм к верхнему горизонтальному экрану, Вертикальный наружный экран выполнен в виде графитовой цилиндрической трубы диаметром 300 мм с намотанной на него в 5-10 слоев углеграфитовой тканью. Верхний горизонтальный экран выполнен в виде графитового кольца с внешним диаметром 300 мм, внутренним 180 мм, толщиной 5 мм, Наклонный экран выполнен также из графита толщиной 3 мм в виде конусного кольца,высотой 60 мм, внутренним диаметром 110 мм, внешним 180 мм. Дополнительные вертикальные, внутренние и наружные экраны вокруг формообразователя выполнены извысокоплотного графита марки МПГв виде восьмигранных колец. Согласно приведенной формуле были рассчитаны размеры экранов. При значениях параметров для кремния:у= 0,2; В =47 мм; й = 0,3 мм,расчет по формуле дает значение 1= 3 мм. Следовательно, общая высота экранов составляет 27 мм, а размеры по диагонали 80 и 110 мм для внутреннего и наружного экранов соответственно. Толщина экранов составляла 3 мм.На внутреннем экране расположен горизонтальный экран в виде восьмигранных пластин толщиной 3 мм.Для дальнейшего повышения производительности в устройстве могут быть использованы два или три указанных горизонтальных экрана.В тигель насыпается загрузка поликристаллического кремния весом 0,5 кг, а в затравкодержатель устанавливаются затравочные пластины (8 штук размером 37 х 40) мм, толщиной 0,5 мм). Устройство устанавливалось в кристаллизационную камеру установки "РедметМ", снабженную нижним штоком с возможностью его вращения и перемещения) и механизмом перемещения затравкодержателя. Камера откачивалась до давления 10 тор, и весь дальнейший процесс проводился в вакууме при этом давлении, Затем на нагреватель подавали напряжение 35 В. После расплав25 в виде восьмигранной трубы длиной 1 м, с толщиной стенки 0,3 мм и поперечным максимальным размером 96 мм. Была проведена экспериментальная проверка эффективности работы устройства. Д)я этого 30 было проведено измерение распределения температуры в профиле вдоль оси вытягивания Л при выращивании в предлагаемом устройстве и в прототипе. Из сравнения приведенных кривых а и Ь на фиг,2 и их 35 математической обработки видно, что распределение температуры для прототипа описывается экспоненциальной зависимостью (Т = 262 е+ 1150 - 3,842), а для предлагаемого устройства параболической 40(Т = 1311 = 23,5 Е + 0,712 - 0,0082 з),45 50 55 ления загрузки в тигле тигель поднимали с помощью нижнего штока до положения, при котором уровень расплава находился на 5 мм ниже верхней кромки формообразователя. При этом расплав по капиллярам поднимался до верхней кромки формообразователя. Затем включали вращение нижнего штока с закрепленным на нем тигле с расплавом. Температуру нагревателя снижали на10 К(подбирается экспериментально) и после некоторой выдержки производили затравливание. Для этого затравку опускали до соприкосновения с верхней кромкой формообразователя, после ее оплавления образовывался жидкий столб расплава, соединенный с помощью капилляров с расплавом в тигле. После установления четко визуально наблюдаемой границы раздела кристалл - расплав снижали температуру нагревателя на 5 К и через 2 мин включали движение затравки вверх с помощью механизма перемещения. Вытягивание проводили со скоростью до 30 мммин.Таким образом было выращено изделие Из сравнения кривых видно с и б на фиг.3 видно, что уровень термоупругих напряжений в кристаллах, выращиваемых в предлагаемом устройстве, в 3-4 раза ниже по сравнению с кристаллами, выращиваемыми в устройстве-прототипе. После выращивания изделия производились его лазерная резка на пластины 35 х 70 мм и изучение микроструктуры боковой поверхности образцов с помощью метода избирательного химического травления. Установлено, что структура кристаллов, выращенных в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом характеризуется увеличенными размерами блоков (площадь крупных блоков увеличилась с 12 до 50), а максимальный размер блоков в поперечном сечении увеличился до 20 мм. Изучение дислокационной структуры показало, что если в кри 10 15 20 сталлах, выращенных в устройстве-прототипе, содержалось около 400 блоков с плотностью дислокаций от 5 10 до 10 см и практически не было блоков с малой плотностью дислокаций ( 5 10 см ), то в кристаллах, выращенных в предлагаемом устройстве, появилось100 блоков с малой плотностью дислокаций ( 10 см ) и в 24 -2 раза уменьшилось число блоков с плотностью 5, 104 106 см 2,Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом позволяет за счет линеаризации распределения температуры и снижения термоупругих напряжений получать кристаллы более высокого структурного качества, При этом производительность процесса остается на уровне устройства-прототипа. Дополнительным преимуществом данного устройства является то, что за счет экранирования зеркала расплава и снижения испарения моноокиси кремния поверхность кристалла не покрыта черным налетом, что упрощает дальнейшую технологию изготовления фотопреобразователей на основе выращенных кристаллов.Формула изобретения Устройство для получения трубчатых кристаллов методом Степанова, включающее тигель для расплава с размещенным в нем кольцевым формообразователем, нагреватель и систему тепловых экранов, состоящую из вертикального экрана, установленного с внешней стороны нагревателя, размещенного на нем горизонтального экрана и наклонного экрана, расположенного между формообразователем и горизонтальным экраном, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью улучшения структуры кристаллов за счет снижения термических напряжений, устройство снабжено дополнительными вертикальными экранами, коаксиально расположенными снаружи и внутри формообразователя, и дополнительным горизонтальным экраном, установленным на верхнем торце внутреннего экрана, расстояние между формообразователем и дополнительными вертикальными экранами меньше или равно 21, а расстояние от рабочих кромок формообразователя до верхнего торца дополнительных вертикальныхэкранов равно 41, 1 определяется по формуле/5 Производствен нат "Патент", г. Ужго ательскии агарина, 101 Заказ 513ВНИИПИ Тиражрственного комитета по 113035, Москва, ЖПодзобретениям иРаушская наб