6. Оборудование, используемое при выращивании монокристаллического кремния методом Чохральского.

Установки для выращивания монокристаллического кремния методом Чохральского состоят из многих механизмов и приборов, объединенных в три основных блока: блок питания (силовой блок), пульт управления и печной агрегат. Помимо этого в комплект установки входят устройства вакуумно-газовой системы и системы охлаждения.

Блок питания содержит понижающий трансформатор и блок управляемых вентилей – тиристоров, включенных в цепь обмотки силового понижающего трансформатора. Пульт управления, состоящий из одного или нескольких шкафов, содержит прибо­ры, регулирующие, стабилизирующие или программирующие температуру нагревателей, скорости перемещения и вращения штоков подъема затравки и тигля. Ручки управ­ления этими приборами выведены на переднюю панель шкафов. Система охлаждения обеспечивает подачу охлаждающей воды к различным частям установки: печному агре­гату и блоку тиристоров. Вакуумно-газовая система создает в рабочей камере печного агрегата требуемые вакуум или давление инертного газа, что обеспечивает удаление из нее отработанных газов.

В настоящее время созданы и успешно эксплуатируются отечественные установ­ки, печные агрегаты которых позволяют выращивать монокристаллы кремния массой до 120 кг, диаметром до 250 и длиной до 2000 мм (рис.8). Схема направленной кристаллизации по методу Чохральсого по­казана на рис.9.

Нижняя камера такой установки (рис.8) имеет цилиндрическую форму и состоит из под­дона 16 с прикрепленной к нему неподвижной частью камеры (корпуса нижней каме­ры) 11, к которой зажимами 10 крепится съемный колпак 9. Он имеет снабженное свето­фильтром окно 8 для наблюдения за ростом монокристалла. Рядом расположено окно для визирования датчика системы стабилизации диаметра растущего моно­кристалла.

Рис.8. Основные узлы печного агрегата установки выращивания слитков моно­кристаллического кремния методом Чохральского: 1 – механизм вращения слитка;2 – механизм подъема слитка; 3 – гибкая подвеска (трос); 4 – шток;

5 – затравкодержатель; 6 – верхняя камера; 7 – шибер; 8 – смотровое окно;

9 – верхняя часть нижней камеры (колпак); 10 – зажим; 11 – корпус нижней камеры; 12 – графитовая подставка, тигель; 13 – нагреватель; 14 – экраны теплового узла; 15 – токовводы; 16 – поддон; 17 – опорная рама; 18 – привод вращения и подъема тигля.

Рис 9. Схема направленной кристаллизации расплава по методу Чохральского. 1 – резистивный нагреватель; 2 – контейнер (кварцевый тигель); 3 – расплав; 4 – кристалл.

Выше колпака располагается верхняя камера 6, отделенная от него шибером 7. Она позволяет извлекать из камеры выращенный монокристалл и производить догрузку в тигель новых порций исходного материала без нарушения герметичности камеры и охлаждения тигля 12 с остатком расплава. Это сохраняет тигель от разрушения и дает возможность проводить в нем несколько процессов выращивания монокристалла. Одновременно возрастает и производительность установки.

Подъем затравкодержателя 5, соединенного с коротким штоком 4, осуществля­ется тросом 3, наматываемым на барабан механизма подъема кристалла 2. При враще­нии этого механизма другим осуществляется вращение затравкодержателя и выращиваемого монокристалла.

Крепление затравкодержателя на гибкой подвеске взамен жесткого вала исклю­чает возможность передачи вибрации от приводов и других источников к монокрис­таллу. Это предохраняет затравку, держащую монокристалл массой в несколько десятков килограммов, от поломки. Одновременно улучшается самоцентровка растущего мо­нокристалла относительно центра теплового поля расплава.

С помощью гидравлического подъемника верхняя подвижная часть рабочей каме­ры 9 вместе с шибером 7, шлюзовой камерой 6 и приводами подъема 2 и вращения 1 монокристалла могут быть подняты. После этого их отводят в сторону, и отсоединяя колпак рабочей камеры, поворачивают его в горизонтальной плоскости на 90°. В таком положении установки удобно очищать стенки рабочей камеры от налета окси­дов и других загрязнений; а также имеется свободный доступ к тепловому узлу.

Ниже приведено более подробное описание узлов печного агрегата

Камера нижняя состоит из:

- поддона, в котором укреплены два токоввода в стаканах с уплотнениями и узел уплотнения нижнего штока;

- корпуса камеры, который герметично соединен с поддоном и имеет патрубок для откачки печи;

- колпака со смотровыми окнами.

Посадка колпака на корпус камеры осуществляется при помощи направляющих штифтов и уплотняется прижимными скобами.

Камера верхняя снабжена по всей высоте дверью, уплотняемой с помощью прижимных скоб, в верхней части имеется крышка, в которой закреплен и уплотнен узел уплотнения верхнего штока. Камера имеет кронштейны для крепления к гидроподъемнику.

Шиберное устройство поворотного типа расположено между нижней и верхней камерами и предназначено для ведения полунепрерывного способа выращивания кристаллов. Камеры и шиберное устройство соединяются между собой фланцами кольцевыми рези­новыми уплотнениями.

Механизм вращения затравки включает в себя привод, состоящий из редуктора и двига­теля с тахогенератором. От редуктора к штоку вращение передается с помощью клиноременной и открытой зубчатой передачи. Верхний шток укреплен в подшипниках, между которыми размещено контактное устройство. В верхней части штока закреплен фланец, на который устанавливается механизм перемещения затравки.

Механизм перемещения затравки состоит из лебедки и редуктора. Лебедка представля­ет собой герметичную камеру, в которой по горизонтали расположен барабан. Барабан имеет на поверхности винтовую нарезку, в которой располагается трос, конец которого закреплен на барабане прижимной планкой. Лебедка имеет механизм осевого смещения барабана.

Конец вала барабана герме­тично уплотнен и через шестерни взаимодействует с приводом вращения барабана. Вра­щение барабана осуществляется от двигателей и передается через дифференциальный ре­дуктор, обеспечивающий скорость вытягивания и ускоренное движение. В нижней части трос заделан в наконечник, соединенный со штангой, на которой закреплен груз.

Механизм вращения и перемещения тигля включает привод вращения и привод пере­мещения. Перемещение осуществляется с помощью электродвигателей, редукторов и шариковинтовой пары, переключение скоростей рабочей и ускоренной достигается с помощью электромагнита и зубчатой муфты. На приводе име­ется механизм ручного перемещения тигля. Вращение штока осуществляется от двигателя через редуктор и телескопическую штангу.

Гидроподъемник служит для механизированного подъема верхней камеры и состоит из колонны, плунжера и гидравлического привода. В верхней части плунжера находится по­воротный кронштейн, на котором закреплены верхняя камера и площадка привода враще­ния верхнего штока.

Для подачи аргона в нижнюю камеру при закрытом шибере, а также для откачки верхней камеры от линии предварительного вакуума служит газовая гребенка вентилей. Гребенка закреплена на фланце верхней камеры и имеет разъем для подсоединения к ли­нии предварительного вакуума.

Система водоохлаждения выполнена в виде двух вертикальных труб. Подающая труба снаб­жена вентилями и штуцерами, а также манометром. Сливная снабжена датчиками темпе­ратуры воды.

Вакуумная система состоит из вакуумного агрегата, трубопровода с сильфонным ком­пенсатором, грузового клапана, фильтра и вентиля вакуумного запорного.

Вакуумирование печи необходимо:

1. для проверки герметичности вакуумной полости печи перед началом процесса вы­ращивания;

2. для поддержания заданного остаточного давления в плавильной камере во время процесса выращивания кристалла.

Вакуумный агрегат соединен с печью через трубопровод с сильфонными элемен­тами, который оснащен запорной арматурой и фильтром.

Вакуум создаётся с помощью двухступенчатой системы откачки с помощью форвакуумного насоса и насоса Рутса. Насос Рутса является механическим бустерным. В процессе синхронного вращения посредством пары синхронизирующих шестерен двух роторов, постоянно направленных по касательной друг к другу благодаря леминискатным профилям, газ захватывается в пространстве между каждым ротором и камерой и транспортируется от впускного отверстия насоса к выпускному.

Насос Рутса неспособен самостоятельно обеспечить выхлоп при рабочих давлениях, поэтому обязательно применение форвакуумного насоса, который должен понизить давление до определённого уровня. Типичным отношением входного давления к выходному для данного типа насосов является 5/1. Таким образом, он способствует понижению давления от атмосферного до типичного давления 0,67 ГПа, при котором эффективно протекают процессы дегазации и существенно повышает быстроту действия и производительность вакуумной насосной установки.

Электропечь установлена на раме, которая имеет регулируемые опоры и снабжена ан­керными болтами.

Электропитание нагревателя подводится на токовводы, максимальное напряжение пи­тания сети 60 В.