Лабораторная работа 5 зонная плавка

Цель работы – моделирование условий очистки и выращивания кристаллов методом зонной плавки; расчет режимов выращивания однородно легированных кристаллов заданной марки.

5.1. Метод зонной плавки

Метод зонной плавки используется для очистки материалов, а также для получения однородно легированных слитков. Сущность метода зонной плавки состоит в следующем. Очищаемый материал в форме мелких кусков или заранее подготовленного поликристаллического слитка помещают в тигель, заключенный в герметичную камеру, которая наполняется защитным газом. С помощью высокочастотного индуктора создается узкая расплавленная зона шириной 30…50 мм, медленно перемещаемая вдоль слитка (рис. 5.1, а). При бесконтейнерном (бестигельном) варианте зонной плавки очищаемый материал в форме стержня помещают вертикально (рис. 5.1, б). Узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения.

Максимальная длина расплавленной зоны определяется силами поверхностного натяжения, которые удерживают столбик расплава без разрыва жидкой зоны. Длина зоны, при которой она остается стабильной, тем больше, чем больше отношение поверхностного натяжения расплава к его плотности. На стабильность расплавленной зоны влияет и направление ее движения относительно проплавляемой заготовки. Установлено, что наибольшая стабильность расплавленной зоны обеспечивается при ее движении по кристаллу снизу вверх.

Увеличить высоту и, соответственно, диаметр расплавленной зоны можно возбуждением в расплаве поддерживающей электродинамической силы, в частности, путем пропускания тока через образец, расположенный в магнитном поле. Поддерживающие силы возникают также при использовании высокочастотного электромагнитного поля с вихревыми токами в расплаве. Однако для веществ, имеющих относительно высокую плотность, метод вертикальной бестигельной плавки имеет ограниченное применение.

а	б
Рис. 5.1. Схема выращивания и очистки кристаллов методом зонной плавки: а – горизонтальная плавка с использованием тигля; б – вертикальная бестигельная зонная плавка; 1 – кристалл; 2 – расплавленная зона; 3 – исходный материал; 4 – стенки герметичной камеры; 5 – высокочастотный индуктор; 6 – тигель; 7 – держатель кристалла

Существенно повысить диаметр монокристалла, выращиваемого бестигельной зонной плавкой, можно путем использования индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня (рис. 5.2). Особое применение данная методика получила в производстве монокристаллов кремния.

В начале процесса на нижнем конце переплавляемого стержня с помощью высокочастотного индуктора создается капля расплавленного кремния, удерживающаяся силами поверхностного натяжения. К ней подводится затравка, которая смачивается расплавом. После процесса затравливания начинается рост монокристалла, при этом кристалл и загрузочный стержень перемещаются относительно высокочастотного индуктора со скоростями f и f_з соответственно. Верхний и нижний держатели вращаются в противоположных направлениях, что способствует перемешиванию расплава и выращиванию кристалла цилиндрической формы.

а	б	в	г
Рис. 5.2. Выращивание монокристалла кремния методом бестигельной зонной плавки с использованием высокочастотного индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня: а – образование капли расплавленного кремния на торце загрузочного стержня; б – смачивание затравки; в – начальная стадия образования расплавленной зоны; г – выращивание кристалла в установившемся режиме; 1 – монокристаллическая затравка; 2 – высокочастотный индуктор; 3 – разогретая область загрузочного стержня; 4 – загрузочный поликристаллический стержень

При плавке в вакууме наряду с оттеснением примеси в жидкую фазу происходит ее испарение из расплава. Отсутствие кварцевого тигля и графитового нагревателя позволяют получать бестигельной зонной плавкой кристаллы более высокой степени чистоты, чем методом Чохральского. Очистка от кислорода происходит даже после одного прохода расплавленной зоны. Плавка в водороде используется в тех случаях, когда проводится легирование из газовой фазы, газом-носителем служит водород. Применение данного метода в технологии производства монокристаллов кремния позволило увеличить диаметр проплавляемых монокристаллов от 25 мм до 100…125 мм.