КОНСТРУКЦІЇ ТЕПЛОВИХ ВУЗЛІВ УСТАНОВОК ДЛЯ ВИРОЩУВАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ НАПІВПРОВІДНИКІВ - Студопедія
Конструкція теплового вузла визначає розподіл температур (теплові поля) в розплаві і монокристалі, що росте. Тепловий вузол складається з підставки, тигля, нагрівача та системи екранів.
Для вирощування однорідних за властивостями монокристалів методом Чохральського необхідно виконання наступних умов: найхолодніша точка повинна бути розташована в місці торкання затравки з розплавом; теплове поле має бути симетрично щодо осі; розплав поза межі розділу фаз має бути перегрітий з метою виключення спонтанної кристалізації.
Теплові умови процесу визначають осьові та радіальні градієнти температури в кристалі та розплаві, від яких залежать форма фронту кристалізації та термічні напруги в монокристалі, а також розміри переохолодженої області розплаву поблизу фронту кристалізації
Схема теплових потоків та ізотерм у системі розплав — кристал показано на малюнку нижче.
Потік теплаQHщо надходить до тиглю від нагрівача, дорівнює сумі потоків тепла, що відводяться випромінюванням від розплаву Qір теплопровідністю Qтк і випромінюванням Qік від кристала. Співвідношення цих потоків визначає характер градієнтів температури, а отже, і ізотерм у монокристалі, що вирощується. Радіальний градієнт температуриGrвизначається різницею температур у перерізі кристала на його поверхніTГі в центрі Тц:
Схема теплових потоків та ізотерм у системі розплав - кристал при вирощуванні монокристалу методом Чохральського:
1-кристал;2- стовпчик розплаву;3- переохолоджена область розплаву;4- тигель; δ - стріла прогину фронту кристалізації;h0—висота стовпчика розплаву, Тфк – температура на фронті кристалізації, Тр – температура ізотерми, що обмежує переохолоджену область розплаву.
де r - радіус кристала, а осьовий градієнт температури в кристаліGx- різницею температур за його довжиною:
дех- відстань по довжині кристала.
Для отримання досконалих кристалів потрібно протягом усього процесу вирощування зберігати плоскою межу розділу кристал - розплав. Для цього необхідно, щоб ізотерми були практично перпендикулярними до напрямку зростання, а також забезпечувався ретельний контроль теплових потоків як в осьовому, так і в радіальному напрямках.
Теплота кристалізації надходить у зростаючий кристал знизу через фронт кристалізації в напрямку від розплаву до кристала і розсіюється за рахунок теплопередачі теплопровідністю через кристал до підйомного механізму та випромінювання. Створивши в установці для вирощування за допомогою екранів або додаткових нагрівачів для підігріву кристала, що росте, теплові умови, при яких радіальний тепловий градієнт незначний, можна отримати ізотерми в розплаві, перпендикулярні напрямку зростання.
Осьовий градієнт визначається такими факторами:
1. Розташуванням нагрівачів. При індукційному нагріванні - формою індуктора та розташуванням у ньому тигля, матеріалом та розмірами тигля та приймача індукційних струмів; при використанні нагрівачів опору - геометрією нагрівача та положенням тигля щодо нагрівачів.
2. Тепловідведення в навколишній простір. Тепловідведення визначається близькістю тигля до краю індуктора або краю печі; температурою приміщення; розмірами та теплопровідністю кристала; температурою Тримача кристала; випромінювальною здатністю поверхні розплавуі відбивною здатністю стін печі.
3. Глибиною розплаву в тиглі.
4. Швидкістю витягування та прихованою теплотою плавлення. Для зменшення радіальної асиметрії теплового поля та перемішування розплаву кристал і тигель з розплавом обертають у протилежних напрямках. При збільшенні швидкості кристалізації виділяється підвищена кількість тепла (за рахунок прихованої теплоти плавлення) на фронті кристалізації та осьовий градієнт зменшується.
Тепловий вузол є засобом керування тепловими умовами процесу вирощування монокристалу напівпровідника. Від його конструкції залежать стійкість росту, стабільність діаметра і структура монокристалу, що вирощується. Стабільність діаметра вимагає підтримки незмінних під час процесу градієнтів температури в розплаві, а умовою отримання досконалої структури монокристала є створення та підтримка протягом усього процесу плоского фронту кристалізації. Схеми найпоширеніших теплових вузлів, які застосовуються в установках для вирощування монокристалів напівпровідників методом Чохральського, наведено на малюнку нижче.
Схеми теплових вузлів з різними видами екранувань:
а, в-пасивні (напівприкрита і закрита); б-активна; г-відкрита (рухлива);
1 - верхній бічний екран;2- нагрівач кристала;3- кристал;4 -графітова підставка з кварцовим тиглем, що містить розплав;5 -нагрівач тигля; 6-бокові екрани; 7-стельовий екран;в- бічний екран, що обертається;9 -донні екрани
Тигель. Форма дна тигля (плоска або сферична) впливає на розподіл температури у розплаві. У тиглях з плоским дном внаслідок наявності «кутів» конвекція у розплаві по всьому об'ємуне забезпечує рівномірного перемішування розплаву по всьому об'єму. У цьому відношенні найкращі результати виходять при використанні тиглів зі сферичним дном. Сферична форма тигля, забезпечуючи постійне відношення поверхні розплаву до його висоті та рівномірне перемішування розплаву по всьому об'єму конвективними потоками, дозволяє отримувати менші лінійні градієнти осьові температури по розплаву, ніж у разі плоскої форми дна тигля.
Оптимальне співвідношення внутрішнього діаметра тигляDта висоти розплавуНзнаходиться в межах 0,5-1,0.
Оптимальне співвідношення діаметра тигляDі діаметра монокристалу кремнію і германію, що вирощується з нього,dстановить 2,5-3,5.
Матеріал контейнера повинен відповідати таким вимогам:
- бути інертним по відношенню до розплавленого металу або напівпровідника, що міститься в ньому, а також до атмосфери, в якій проводиться вирощування;
- не змочуватися розплавом;
- мати теплопровідність нижчу за завантаження, що необхідно у зв'язку з проблемами оптимального теплоперецоса в процесі зростання кристала;
- не забруднювати розплав домішками при зіткненні з стінками контейнера.
Одним із основних контейнерних матеріалів для вирощування монокристалів германію та кремнію є високочистий синтетичний кварц. Кварц має дуже низький коефіцієнт теплового розширення (5,8Х10-7) і тому здатний витримувати без руйнування великі температурні градієнти та термічні удари. Температура розм'якшення кварцу вище 1300°С. З кварцу в отримуваний кристал переходить в основному кисень.
Перспективними матеріалами для контейнерів є скловуглець, нітриди кремнію, алюмінію та бору.
Підставка тигля. Вонає порожнистою всередині графітову трубку. Конструкція підставки впливає на градієнти температури в розплаві та монокристалі. Так, наприклад, якщо дно підставки набагато товщі за бічні стінки, то відведення тепла від розплаву в осьовому напрямку, а отже, і градієнт температури в даному напрямку зменшуються. Збільшення товщини стінок підставки тягне за собою підвищення температури нагрівача і у разі, якщо тепловий вузол аналогічний показаному на малюнку вище, а в навколишнє монокристал простір над тиглем надходить більша кількість тепла, що тягне за собою зміну осьових і радіальних градієнтів температури в монокристалі, що зростає.
Система екранування. Існуючі системи екранування тигля з розплавом можна розділити на закриті (рисунок вище, в) та відкриті (рисунок вище, г). Закриті системи екранування забезпечують малі осьові та радіальні градієнти температури по розплаву в тиглі. В область над тиглем, обмежену стельовим екраном, надходить додаткова кількість тепла, внаслідок чого градієнти температури в монокристалі, що вирощується, зменшуються. У разі використання відкритої системи екранування внаслідок підвищених втрат тепла з відкритої поверхні розплаву осьові градієнти розплаву значно більше.
Система екранування дозволяє керувати осьовими і радіальними градієнтами температури в розплаві і в монокристалі, що вирощується.
Чим менше градієнт температури в кристалі, що росте, тим досконаліше його структура, але зменшення осьового градієнта знижує швидкість витягування останнього. Екранування монокристала, що вирощується, може бути пасивним (екрани) або активним (нагрівач, опори, малюнок вище, б).
Перевагою активного екранування є створеннянеобхідного градієнта температури в монокристалі та можливість керувати температурним полем у кристалі після закінчення процесу вирощування з метою поліпшення структури монокристала та зменшення в ньому напруги.
Показаний на малюнку вище г варіант теплового вузла з екрануванням, що обертається завдяки суворій співвісності її з тиглем, забезпечує високу симетрію теплового поля в розплаві, зводячи до мінімуму знакозмінні напруги в кристалі.
Вибір матеріалу екранів залежить від характеру атмосфери, де працює тепловий вузол. У вакуумі, де теплопередача відбувається в основному випромінюванням, екрани доцільно виготовляти з полірованих листів жароміцного металу, наприклад, молібдену.
У газовому середовищі збільшується внесок у перенос тепла від елементів теплового вузла стінкам камери установки за рахунок конвекції газу. Втрати тепла конвекцією зростають із збільшенням тиску газу та його теплоємності.
При роботі в газовому середовищі, особливо під високим тиском, застосовують екрани з графіту або непрозорого (спеченого) кварцу. Можливе виготовлення одних екранів із графіту, а інших із молібдену.
Необхідні за технологією теплові умови процесу вирощування монокристалів створюють шляхом підбору відповідних конструкцій підставки, нагрівача та екранування. Вплив окремих елементів теплового вузла на градієнти температури в розплаві та монокристалі носить комплексний характер. Зміна одного елемента, як правило, потребує відповідної зміни інших з метою збереження початкових теплових умов.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: