Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
В установках с резистивным нагревом используют два основных типа нагревателей различной модификации: с боковым и донно-боковым нагревом. Форма изотерм и потоков тепла в расплаве зависит от конструктивных особенностей нагревателя [4].
Нагреватели с донно-боковым нагревом, как правило, применяются при загрузке в тигель до 4-6 кг; при больших загрузках используются нагреватели с боковым нагревом. Постоянный или переменный электрический ток к нагревателю подают по водоохлаждаемым токоподводам, проходящим через поддон камеры.
Использование трехфазного переменного тока для питания нагревателя приводит к дополнительному сильному перемешиванию расплава, при котором резко увеличивается концентрация кислорода и возрастают разбросы УЭС в поперечных сечениях монокристаллов. Поэтому наибольшее распространение получили источники постоянного тока.
Приведем пример расчета элементов разрезного графитового нагревателя (рис. 124, а), питаемого постоянным током по схеме (рис. 124, б) [5].
1. Исходя из размеров подставки тигля, определяют внутренний диаметр нагревателя Dbh (мм) и высоту его греющей части Яг,ч (м).
2. Определяют длину ветви нагревателя В по дуге внутреннего диаметра Dbh (см. рис. 124, а).
3. Задаются числом греющих элементов л в ветви нагревателя, получающихся при фрезеровке (разрезании) исходной заготовки нагре-
Рве. 124. Основные элементы графитового нагревателя теплового узла установки (а) и его электрическая схема (б):
1 — греющая часть нагревателя; 2 — ножка; 3 — лапа
вателя на четное число элементов. При этом необходимо учитывать, что для обеспечения достаточной прочности (механической) нагревателя толщина стенки его должна составлять >5-6 мм.
4. Зная высоту греющей части нагревателя и число элементов в одной его ветви, определяют их суммарную длину L (м).
5. Зная установленную мощность питающего нагреватель трансформатора W (кВт) и рабочее напряжение U (В) на нагревателе, определяют его электрическое сопротивление: Rs = U2IcJ(Wkl), где kt = 0,85 -коэффициент, учитывающий потери мощности в блоке тиристоров и выпрямителе; к2 - коэффициент, учитывающий изменение напряжения на выходе из блока питания (к2 = 0,85-^0,9 при питании переменным током ик2 = 1,1 - постоянным).
6. В соответствии с законом Кирхгофа для разветвленной цепи, состоящей из двух ветвей с одинаковым электрическим сопротивлением Rb (см. рис. 124, б), сопротивление отдельной ветви связано с сопротивлением цепи нагревателя Rb соотношением: Rb = 2Rh .
7. С учетом УЭС графита P (Ом • м), которое для наиболее распространенных марок может быть принято в пределах 10-15 Ом • м, определяют площадь поперечного сечения греющего элемента, мм2: F = -P L/RB.
8. Зная ширину одного греющего элемента Ъ, определяют его толщину: а= F/Ь Остальные размеры нагревателя [расстояние между центрами токоподводов Ц, высота токоподводящих ножек ft, геометрические размеры частей нагревателя, крепящихся к водоохлаждаемым токо-вводам (лапам), и др.] определяются конструктивными особенностями теплового узла и рабочей камеры установки [5].
265
Рис. 125. Сферическая (в) и цилиндрическая (б) подставки:
1 — боковые сегменты; 2 — фиксирующий элемент; 3 — дно
Конструкция подставки под кварцевый тигель оказывает существенное влияние на формирование температурных градиентов во всем расплаве, в частности в его столбике в подкристальной области.
На характере конвективных потоков в расплаве весьма сказывается геометрия полости подставки, в соответствии с которой приобретает форму тигель, а также толщина стенок и дна подставки. Хорошие результаты получают при использовании подставок со сферическим дном (рис. 125). Они обеспечивают постоянное отношение поверхности расплава к его высоте, равномерное перемешивание расплава по всему объему конвективными потоками и, как следствие, меньшие осевые градиенты температуры в расплаве. Недостатком подставки сферической формы является постоянное уменьшение диаметра расплава по мере выращивания кристалла заданного диаметра, что приводит к необходимости уменьшать скорость выращивания к концу процесса. В ряде случаев она уменьшается в 3,5-4 раза по сравнению с начальной. Уменьшение скорости по мере выращивания кристалла связано с необходимостью предотвращения паразитной кристаллизации от стенок тигля. Кроме того, при сферической форме тигля получение монокристаллов постоянного диаметра даже при использовании системы автоматического поддержания диаметра практически невозможно из-за отсутствия жесткой фиксации уровня расплава.
Наиболее приемлемой оказалась подставка, конструкция которой приведена на рис. 125, б. Она состоит из двух основных элементов: четырех или шести симметрично расположенных боковых сегментов, представляющих в собранном виде цилиндр, и конусообразного дна. Боковые сегменты устанавливаются на специальном выступе донной части подставки, форма выступа в случае замораживания большого количества расплава в Тигле обеспечивает возможность перемещения сегментов в горизонтальной плоскости без разрушения их и донной части подставки. Цилиндрическая форма полости приводит к тому, что практически в течение всего процесса выращивания диаметр зеркала расплава остается постоянным, близким к постоянным остают-
