Описание изобретения

Группа изобретений относится к производству кремния, например, с целью промышленного производства кремния для фотоэлектронной промышленности, в том числе для изготовления солнечных батарей. Задачей этого производства является получение кремния солнечного качества из различных, преимущественно дешевых, источников сырья, в том числе вторичного, требующего дополнительной очистки.

Известный уровень техники

В соответствии с авторским свидетельством Nr. 159293, опубл. 07.12.1963 [1], известно устройство, в котором для бестигельного расплавления кремния в печах вытягивания по методу Чохральского для получения равномерного теплового поля создают строго кольцевую зону нагрева несколькими (6-8) электронно-лучевыми пушками (ЭЛЛ) с фокусирующими (отклоняющими) пластинами в форме дуги и линейными проволочными катодами. При увеличении диаметров выращиваемых кристаллов такое решение приводит к неоправданно высокой цене оборудования, оснащенного большим количеством источников питания ЭЛП, кроме того, получение исходного кремния для выращивания диаметром более требуемого (более 40 мм) диаметра кристалла практически не возможно, как это показано в статье T.F. Ciszek„GROWTH OF 40 mm DIAMETER SILICON CRYSTALS BY A PEDESTAL TECHNIQUE USING ELECTRON BEAM HEATING", опубл. в журнале «Journal of crystal growth» Nr. 12 (1972) стр. 281- 287 [2].

В соответствии с патентом Nr. RU 2 403 299, опубл. 10.11.2010 [3], известен способ вакуумной очистки кремния, включающий загрузку очищаемого кремния в кварцевый тигель, помещенный в водоохлаждаемое устройство, содержащем теплоизолятор. Кремний расплавляют с использованием электронно-лучевого нагрева, и расплав выдерживают для испарения примесей и их соединений, нагревая электронным лучом локальный участок поверхности расплава при интенсивном отводе тепла от верхней части загрузки на уровне поверхности расплава. В процессе выдержки периодически снижают температуру расплава, его перемешивают и нагревают до требуемой температуры. После выдержки осуществляют направленную кристаллизацию очищенного кремния. Способ предполагается реализовать в аппарате, содержащем вакуумную камеру, кварцевое средство для перемешивания расплава, кварцевый тигель с очищаемым кремнием и электронно-лучевую пушку, установленную над тиглем с возможностью направления электронного луча на локальный участок поверхности расплава кремния. Кварцевый тигель размещен соосно с холодильником и охлаждаемым устройством, от которого отделен теплоизолятором, с температурой плавления не ниже температуры плавления кварцевого тигля. Недостатками указанного способа и устройства являются отсутствие возможности выращивания кристалла или другого способа удаления очищенного расплава для полунепрерывного ведения процесса очистки.

В соответствии с патентом Nr. Nr. 4350560 (US), опубл. 21.09.1982 [4] известно устройство и способ его применения, состоящие из плавильной камеры с кварцевым тиглем, верхней камеры, принимающей выращенный кристалл и отделенной от плавильной камеры вакуумным вентилем. Верхняя камера снабжена приводом вытягивания затравки и перемещения выращенного кристалла в верхнюю камеру. После вытягивания кристалл полностью перемещают в верхнюю камеру, закрепляют, камеры разделяют вакуумным вентилем и верхнюю перемещают в заданное положение, затем выращенный кристалл извлекают, после чего состояние аппарата восстанавливают и он готов к повторному выращиванию кристалла из расплава. Очевидно, что указанный аппарат может быть использован для подачи новой порции исходного материала в плавильную камеру, а также, если верхняя камера снабжена дверью, то эвакуация кристалла и подача материала для обработки может происходить через нее. При возможности реализации по указанному патенту полунепрерывного процесса обработки исходного материала, который можно нагревать различными способами, включая электронно-лучевой, в нем отсутствует описание методов управления электронными лучами, отсутствует охлаждаемое устройство, средство для перемешивания расплава при очистке и т.д.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является известный из патента Nr. 3494804 (US) опубл. 10.02.1970 [4] способ выращивания монокристалла из расплава, в котором, направляют не менее трех фокусируемых дугообразных электронных пучков на заданную зону поверхности расплава, преимущественно кольцевой формы диаметром в 3-4 раза больше диаметра вытягиваемого кристалла. Затем соединяют затравочный кристалл (затравку) с расплавом и выращивают кристалл. При этом способ предусматривает регулирование мощности пучков и радиуса кольцевой зоны и скорости вытягивания для управления процессом, подачи за пределами кольцевой зоны нагрева в расплав дополнительного материала или легирующих присадок. Способ предусматривает использование в качестве исходного материала как стержня диаметра большего, чем диаметр растущего кристалла, так и водоохлаждаемого медного устройства, в котором и формируется расплав. Недостатками данного способа являются: а) не реализуемость в варианте использования исходного кристалла большего диаметра при выращивании кристаллов современных размеров (150-300 мм), так как максимальный диаметр стержней поликристаллического кремния применяемых для такого процесса, в настоящее время не превышает 175 мм. б) при выращивании таких кристаллов из охлаждаемого тигля с гарнисажем, центральная часть гарнисажа неконтролируемо приближается к растущему кристаллу и смыкается с ним, как показано в источнике [2] .

Кроме того, способ не предусматривает возможностей эффективной вакуумной очистки или обработки расплава реакционными газами, так как кремний находится в расплавленном состоянии незначительное время и сразу вытягивается.

Цель и сущность изобретения

Предлагаемыми изобретениями решается задача получения кремния повышенной чистоты, улучшения производительности очистки, снижения энергетических и материальных затрат и выращивания исходных стержней, в том числе в дальнейшем применимых в процессе бестигельной зонной плавки.

Технический результат заключается в том, что повышается скорость очистки кремния вакуумным испарением от примесей с упругостью паров выше, чем у кремния, исключается загрязнение очищаемого кремния примесями из аппаратуры при температурах, близких к температуре плавления кремния, и очищенный расплав вытягивают, формируя заданный стержень, одновременно проводя финишную кристаллизационную очистку расплава.

Технический результат достигается за счет того, что способ выращивания кристалла из расплава включает расплавление шихты, не менее чем двумя электронными лучами, в охлаждаемом устройстве, снабженном теплоизолятором, обеспечивающим различную теплопередачу от расплава к охлаждаемому устройству в разных его частях, формирование кольцевой зоны воздействия лучей на поверхность полученного расплава сканированием электронных лучей и вытягивание кристалла заданного диаметра на затравку. Очистку перед вытягиванием обеспечивают, подавая шихту порционно и выдерживая расплав при пониженном давлении, при этом процессом управляют путем изменения скорости вытягивания, величины подводимой энергии, а также положения и ширины кольцевой зоны нагрева, интенсифицируя процесс очистки многократным периодическим перемешиванием расплава. Весь цикл повторяют, удалив вытянутый кристалл из устройства.

Сущность способа заключается в том, что очищаемый кремний подают порционно в охлаждаемое устройство, содержащее теплоизолятор, расплавляют электронным лучом, выдерживают каждую порцию расплава для испарения примесей в вакууме, добавляют новую порцию к очищенной, а затем вытягивают на затравку стержень цилиндрической формы. При значительной высоте загрузки сложно обеспечить очистку всего объема расплава через поверхность, особенно учитывая нагрев сверху и короткое время очистки при вытягивании расплава непосредственно после расплавления. Поэтому перед выращиванием производят выдержку расплава при пониженном давлении, нагрев при этом концентрируют в фокальном пятне, расположенном в центре поверхности расплава. Порции очищаемого расплава по глубине не превышают 90% глубины проплавления электронным лучом, характерной для созданной тепловой системы и выбранной величины суммарной подаваемой мощности. Процесс очистки интенсифицируют, периодическим перемешиванием расплава. Для удаления вредных примесей цикл «выдержка-перемешивание» повторяют многократно, не менее 3 раз. При вытягивании нагрев осуществляют не менее чем двумя электронно-лучевыми нагревателями, создающими сфокусированными лучами фокальные пятна нагрева, движущиеся по дугам заданного радиуса, большего, чем диаметр (2 радиуса) растущего стержня. Ширина кольцевой зоны нагрева определяется диаметром фокального пятна. Тепловые условия для последовательной реализации процессов очистки и выращивания обеспечивают, оптимизируя теплопередачу от расплава к охлаждаемому устройству за счет свойств и геометрических размеров теплоизолятора. После проведения первого (или очередного) цикла очистки стержень цилиндрической формы извлекают из аппарата, и процесс повторяют. Вытягиваемый стержень, кроме последнего, должен иметь массу не более 85% исходной загрузки, чтобы обеспечить безопасно достаточный уровень расплава для подачи новых порций очищаемого кремния.

Для выращивания используют не менее чем двухкамерный аппарат с раздельными средствами вакуумирования, в котором над плавильной вакуумной камерой, содержащей охлаждаемое устройство с теплоизолятором и расплавом, расположена загрузочно-разгрузочная камера, отделенная от плавильной вакуумным клапаном, устройство для подъема и вращения затравки, и не менее двух электронно- лучевых пушек (ЭЛП). Аппарат включает съемные устройства: для перемешивания расплава, с использованием тугоплавкого соединения очищаемого материала в качестве рабочего инструмента, и приспособление для дозагрузки.

ЭЛП имеют водоохлаждаемый катод и две кольцевых электромагнитных линзы, разнесенных в осевом направлении вдоль пути электронного луча. Кроме того, ЭЛП оснащены средствами контроля и управления для воспроизведения траекторий движения лучей и ширины создаваемой ими кольцевой зоны нагрева, в частности положения центров и радиусов окружностей, дуги которых формируют кольцевую зону нагрева. Охлаждаемое устройство снабжено теплоизолятором, имеющим температуру плавления, не менее чем на 15% выше температуры плавления обрабатываемого кремния.

Краткое описание чертежей

Рис 1. Загрузка первой порции очищаемого кремния:

Рис 2. Загрузка второй порции очищаемого кремния:

Рис 3. Аппарат для очистки и приспособления, применяемые в ходе процесса;

Рис 4. Вид теплового узла сверху на различных этапах процесса;

Рис 5. Схема проведения процесса выращивания.

Подробное описание изобретения

Способ осуществляют следующим образом.

В охлаждаемое устройство помещают теплоизолятор, затем, внутрь укладывают первую порцию кремния, содержащего примеси. Охлаждаемое устройство устанавливают в плавильную камеру аппарата, создают вакуум, и расплавляют, используя электронно-лучевой нагрев. После расплавления электронный луч концентрируют на минимальной площади поверхности расплава в локальном участке и выдерживают в течение времени, обеспечивающего удаление из расплава примесей с упругостью паров выше, чем у кремния. Процесс очистки интенсифицируют периодическим перемешиванием расплава. Удаление вредных примесей обеспечивают многократным циклическим повторением описанных выше действий. Затем, используя приспособление для дозагрузки, в охлаждаемое устройство подают новую порцию исходного материала и повторяют процесс очистки как описано выше. По окончании вакуумной очистки требуемого объема исходного материала, устройство перемешивания поднимают в загрузочно-разгрузочную камеру и заменяют затравочным кристаллом. Лучи разводят до заданного диаметра и начинают сканировать, формируя кольцевую зону нагрева. Опускают затравочный кристалл, соединяют его с расплавом и выращивают стержень требуемого диаметра, управляя процессом выращивания посредством изменения скорости вытягивания, диаметра кольцевой зоны и интенсивности нагрева, при этом поддерживают диаметр кольцевой зоны нагрева, более чем в 2 раза большим, диаметра растущего стержня. Траектории сканирования совместно образуют форму, близкую к кольцу требуемого диаметра и формируют тепловое поле достаточной тепловой симметрии для получения стержня цилиндрической формы. Тепловые условия для последовательной реализации процессов очистки и выращивания обеспечивают, оптимизируя теплопередачу от расплава к охлаждаемому устройству за счет свойств и геометрических размеров теплоизолятора. В конкретной конфигурации тепловой зоны возникают три направления теплоотвода: ко дну и боковой поверхности охлаждаемого устройства и излучение с поверхности расплава. Основной задачей для обеспечения процесса выращивания является установление правильного соотношения между этими тремя величинами. При значительном теплоотводе к донной части охлаждаемого устройства и большом диаметре растущего кристалла происходит эффект, описанный в источнике [2], а именно центральная часть обрабатываемого кремния образует выступ в расплав и касается растущего кристалла, в результате кристалл присоединяется к исходному кремнию и процесс заканчивается аварийно. Использование теплоизолятора не менее чем вдвое, снижающего теплоотвод к донной части охлаждаемого устройства, позволяет решить указанную задачу. В частности, путем увеличения не менее чем в 2 раза слоя однородного теплоизолятора. После проведения первого цикла очистки стержень цилиндрической формы извлекают из аппарата, и процесс повторяют. Выращенный стержень, массой не более 85% исходной загрузки, полностью поднимают в загрузочно-разгрузочную камеру, и после охлаждения извлекают. Вместо него устанавливают приспособление для дозагрузки, в которое подают новую порцию очищаемого кремния в количестве не превышающем, расчетный объем расплава глубиной 90% глубины проплавления электронным лучом, характерного для созданной тепловой системы и повторяют процесс очистки как описано выше.

1. Пример реализации способа

В донную часть охлаждаемого устройства (1) (рис 1), укладывают слой теплоизолятора (2.1). На него устанавливают формообразователь (3) в виде металлической обечайки. Между формообразователем и емкостью помещают такой же теплоизолятор (2.2), при этом, в донной части слой теплоизолятора не менее чем в 2 раза толще, чем по образующей. Внутрь формообразователя укладывают кремний (4), затем формообразователь удаляют. Подготовленное таким образом охлаждаемое устройство (рис 3) помещают в нижнюю камеру (5) двухкамерного аппарата. В верхнюю камеру (6) помещают устройство для перемешивания (7) в виде изогнутого кварцевого стержня. Аппарат вакуумируют. После достижения требуемого остаточного давления включают обе ЭЛЛ (8) и расплавляют кремний. После расплавления (рис 4) электронные лучи суммарной мощностью 1,2— 2,0 кВт на 1 кг загруженного кремния концентрируют на минимальной площади поверхности расплава в локальном участке (9). Расстояние между фокальными пятнами (10) на поверхности, в которых сконцентрирована мощность передаваемая электронами расплаву (11), составляет приблизительно одну десятую диаметра формообразователя (3) (рис.1). Расплав выдерживают в течении 30-60 минут, обеспечивая удаление примесей с упругостью паров выше, чем у кремния. Процесс очистки интенсифицируют периодическим, например, один раз в час, перемешиванием расплава. Для этого фокальные пятна отводят от места погружения кварцевого стержня, уменьшают подводимую мощность на 20-40%, перемешивают расплав в течение 3-7 минут и вновь нагревают. Удаление вредных примесей обеспечивают многократным, например 5 кратным, повторением цикла. Затем устройство для перемешивания (7) (рис. 3) поднимают в верхнюю камеру (6), закрывают вакуумный клапан (12) между камерами, в верхней камере создают атмосферное давление. После остывания заменяют устройство для перемешивания (7) устройством для дозагрузки (13), содержащим нужное количество кремния. Вакуумируют верхнюю камеру (6), открывают вакуумный клапан (12), снижают мощность ЭЛП на 50-60% и выгружают кремний из загрузочного устройства (13). Количество кремния (рис 2) при этом подбирают так, чтобы в расплавленном состоянии толщина слоя расплава (14.2), образованная добавленным кремнием составляла не более 90% глубины проплавления электронным лучом, характерного для созданной тепловой системы и повторяют процесс очистки как описано выше. Таким образом, обеспечивают соединение ранее очищенной (14.1) и новой порций кремния. По окончании вакуумной очистки требуемого объема исходного материала, устройство перемешивания поднимают в загрузочно-разгрузочную камеру (6), закрывают вакуумный клапан (12) и заменяют затравочным кристаллом (15).

Лучи (16) разводят до заданного диаметра и начинают сканировать, формируя кольцевую зону нагрева (17). Опускают затравочный кристалл (15), соединяют его с расплавом и выращивают стержень (18) требуемого диаметра (рис 5). Диаметр кольцевой зоны нагрева поддерживают более чем в 2 раза большим, диаметра растущего стержня. Выращенный стержень (18), массой не более 85% исходной загрузки полностью поднимают в загрузочно-разгрузочную камеру (6), закрывают вакуумный клапан (12) между камерами, охлажденный стержень извлекают, устанавливают приспособление для дозагрузки (13), в которое подают новую порцию очищаемого кремния. Затем в загрузочно-разгрузочной камере (6) создают вакуум, открывают межкамерный клапан (12) и, используя приспособление для дозагрузки (13), в охлаждаемое устройство подают новую порцию исходного материала. Весь процесс повторяют 3-5 раз. Если масса стержня цилиндрической формы превышает 85% исходной загрузки, в конце процесса не оправданно снижается скорость выращивания и растет вероятность разрушения сформированного теплоизолятора (2) при подаче новых порций кремния для очистки. В то же время, существенное снижение массы стержня цилиндрической формы, например, менее 70% исходной загрузки, приводит к неоправданному снижению производительности процесса и перерасходу электроэнергии на поддержание остатка расплава во время охлаждения выращенного стержня. Если масса кремния загружаемого за один раз, кроме первого, больше, чем необходимо для формирования слоя расплава составляющего 90% глубины проплавления электронным лучом, то возможна не равномерная очистка расплава и образование на выращенном стержне зон пониженного удельного электрического сопротивления. В то же время, загрузка менее 80% существенно снижает производительность процесса.

Для реализации способа используют не менее чем двухкамерный аппарат с раздельными средствами вакуумирования (19,20), в котором над плавильной камерой (5) расположена загрузочно-разгрузочная камера (6), отделенная от плавильной вакуумным клапаном (12), и оснащенная приводом для подъема и вращения затравки (21). В плавильной камере аппарата расположено охлаждаемое устройство (1) с теплоизолятором (2) и расплавом (14), а снаружи верхней части камеры установлено не менее двух ЭЛП (22). Аппарат включает съемные устройства: для перемешивания расплава (7), с использованием кварца (23) в качестве рабочего инструмента, и приспособление для дозагрузки (13). Съемные устройства приводятся в действие приводом для подъема и вращения затравки (21). Охлаждение устройства с теплоизолятором и расплавом осуществляется водой.

ЭЛП имеют водоохлаждаемый катод (24) и пару кольцевых электромагнитных линз (25,26), разнесенных в осевом направлении вдоль пути электронного луча. ЭЛП оснащены средствами контроля и управления воспроизведением траекторий лучей и размера создаваемой ими кольцевой зоны нагрева. В частности задаются и контролируются положения центров и радиусов окружностей, дуги которых формируют кольцевую зону нагрева и собственно радиусы этих окружностей. Охлаждаемое устройство снабжено теплоизолятором (2), имеющим температуру плавления, не менее чем на 15% выше температуры плавления обрабатываемого кремния. При этом кремний, размещенный внутри охлаждаемого устройства, отделен от него теплоизолятором, слой которого между дном и кремнием (2.1) вдвое больше, чем между кремнием и боковой стенкой охлаждаемого устройства (2.2).