СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ
METHOD OF SILICON CRYSTALS GROWTH

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для выращивания кристаллов кремния из кварцевых тиглей по методу Чохральского.
Известен способ выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского, включающий плавление и выращивание кристаллов, затвердевание остатков кремния в тигле при охлаждении (Сахаров Б.А и др. Металлургия и технология полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1972. - 544 с.).
Однако известный способ не позволяет использовать кварцевый тигель после охлаждения дважды, что ведет к удорожанию процесса выращивания кристаллов кремния.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ выращивания кристаллов, в том числе кремния, включающий плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля (JP 45014892 В, 26.05.1970).
Однако использование данного способа не позволяет предотвратить разрушение кварцевого тигля. Кварцевый тигель хорошо смачивается расплавленным кремнием и после охлаждения затвердевшие остатки кремния и тигель механически прочно скреплены друг с другом, а так как коэффициенты термического расширения кварца и кремния существенно различаются, то при охлаждении они разламывают друг друга. Следовательно, кварцевый тигель можно использовать для выращивания одного или нескольких кристаллов только в полунепрерывном процессе, а в периодическом - только один раз, что значительно увеличивает затраты на выращивание кристаллов кремния.
Основная задача изобретения заключается в сокращении затрат на выращивание кристаллов кремния за счет исключения разрушения кварцевых тиглей и увеличения кратности их использования, а также возможности вторичного использования остатков кремния при последующем периодическом процессе выращивания кристаллов.
Для решения поставленной задачи в способе выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского, включающем плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля, удаление остатков расплава осуществляют путем создания перепада давления между камерами печи и резервуара-хранилища с одновременным перекачиванием остатков расплава кремния по трубке, один конец которой помещают в остаток расплава в тигле, а другой конец - в водоохлаждаемый резервуар-хранилище, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм.
Способ выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского включает расплавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи, с последующим охлаждением, причем сразу после выращивания кристалла осуществляют удаление остатка расплава кремния из тигля путем создания перепада давления между камерами печи и резервуаром-хранилищем с одновременным перекачиванием остатка расплава кремния по кварцевой трубке, один конец которой помещают в расплав остатка кремния в тигле, а другой - в водоохлаждаемый резервуар-хранилище.
По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки: после выращивания кристалла удаляют остаток расплава кремния из тигля путем создания перепада давления между камерами печи и резервуаром-хранилищем с одновременным перекачиванием остатка расплава кремния с помощью кварцевой трубки, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм.
Перекачивание остатков расплава кремния из кварцевого тигля путем создания перепада давления в камерах печи и резервуаре-хранилище позволяет исключить разрушение кварцевого тигля и увеличить кратность его использования за счет того, что в очищенном от остатков кремния тигле не возникают термические напряжения между твердым кварцем и кремнием.
На чертеже представлено устройство для осуществления способа.
В кварцевый тигель 1, помещенный в камеру печи 2, загружают порцию кремния, расплавляют, после чего осуществляют выращивание кристалла кремния.
Затем в остаток расплава кремния в тигле помещают один конец кварцевой трубки 3 с помощью манипулятора, а другой конец в резервуар-хранилище 4, установленный в камере 5, соединенной с камерой печи 2 в единую систему через перегородку 6 по газовой среде. Создают перепад давления, вакуумируя камеру резервуар-хранилище или повышая давление в камере печи и одновременно перекачивают оставшийся расплав кремния из кварцевого тигля в резервуар-хранилище. Размер капли кремния, оставленный в кварцевом тигле не должен превышать 10 мм. Если размер капли будет более 10 мм, то образуются термические напряжения между твердым кварцем и кремнием, что ведет к растрескиванию тигля при охлаждении. После охлаждения из резервуара-хранилища, имеющего форму, близкую к форме кварцевого тигля, но меньших размеров, извлекают кремний в виде слитка, который после наружной протравки переносится в кварцевый тигель для последующего использования при выращивании кристаллов кремния.
Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить кратность использования кварцевого тигля для выращивания кристаллов кремния в периодическом процесс в 10 раз за счет исключения растрескивания тигля, а также сократить расход кремния за счет вторичного использования остатков кремния при последующем процессе выращивания кристаллов кремния и, как следствие, снизить затраты на производство кристаллов кремния.
Затраты при выращивании кристаллов кремния только на приобретение кварцевых тиглей в прототипе составляет более $ 80000 на одну установку в год (например, при загрузке 60 кг кремния используется кварцевый тигель диаметром 500 мм стоимостью $ 550, процесс выращивания идет около двух суток).
При десятикратном использовании тигля по предлагаемому способу годовая экономия составит более $ 7200 на одну установку.