DK176384B1 - Fremgangsmåde til frembringelse af en monokrystal ved zonesmeltning - Google Patents

Description

DK 176384 B1

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde til fremstilling af en monokrystal ved zonesmeltning, ved hvilken en med en induktionsspole frembragt smelte udsættes for mindst ét roterende magnetfelt og bringes til størkning, og den ved smeltens størkning fremkomne monokrystal bliver drejet.

5

Anvendelsen af et roterende magnetfelt ved zonesmeltning er eksempelvis beskrevet i DD-263 310 A1. Ganske vist sigter den i dette skrift foreslåede fremgangsmåde på standardiseringen af diffusionsgrænselagstykkelsen, mens den foreliggende opfindelse løser opgaven at opnå en så vidt muligt homogen fordeling af doteringsstoffer i 10 smelten og at opnå en monokrystal.

Hidtil er det blevet forsøgt at opnå homogeniseringen af doteringsstoffordelingen ved variation af krystaldrejningen, gennem forskydning af induktionsspolen relativt til krystalaksen og gennem ændring af induktionsspolens form. En ulempe ved denne 15 foranstaltning er, at den ofte fører til forhøjelse af forskydningshastigheden og til forringelse af processtabiliteten.

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde til fremstilling af en monokrystal ved zonesmeltning, ved hvilken en med en induktionsspole frembragt smelte udsættes for 20 mindst ét roterende magnetfelt og bringes til størkning, og den ved smeltens størkning fremkomne monokrystal bliver drejet, kendetegnet ved, at monokrystallen og magnetfeltet bliver drejet i modsat omdrejningsretning.

Beskrivelsen af opfindelsen omfatter også figurer. Fig. 1 viser en anordning, der er 25 egnet til gennemførelsen af fremgangsmåden. Fig. 2 til 5 gengiver de i simulationsberegningerne beregnede strømningsforhold i smelten, hvor der i hvert enkelt tilfælde kun er vist den ene af to symmetriske halvdele af et snit gennem smelten. Fig. 6 til 8 tydeliggør virkningen af de af opfindelsen omfattede fremgangsmåder på den radiale modstandsfordeling og dermed også på fordelingen af doteringsstoffer.

30

Den i fig. 1 illustrerede anordning omfatter en monokrystal 4, der over en smelte 3 er forbundet med en polykrystallinsk forrådsstang 1. Smelten bliver frembragt af en induktionsspole 2. Ved sænkning af monokrystallen størkner en del af smelten, hvorved volumenet af monokrystallen tiltager. Samtidig bevirker induktionsspolen, at 35 materialet fra forrådsstangen bliver smeltet og på denne måde forøges smeltens volumen. Omfattet af opfindelsen ses mindst en flerpolet magnet 5, eksempelvis en 2 DK 176384 B1 vekselstrømselektromotor med flerpolet stator, der frembringer et magnetfelt der roterer modsat monokrystallens omdrejningsretning. I figuren er magnetfeltets feltlinier 6 fremstillet som pile.

5 Doteringsstoffordelingen i monokrystallen bliver påvirket af strømningsforholdene i smelten og af grænselagsdiffusion. Strømningen i smelten, der bliver frembragt af de termiske, Marangoni- og elektromagnetiske kræfter, har specielt for monokrystaller med store diametre en typisk tohvirvelstruktur, der er illustreret i fig. 2. I den centrale hvirvel 10, der har kontakt med en polykrystallinsk forrådsstang, er doterings-10 stofkoncentrationen mindre end i en ydre hvirvel 20. Så længe disse koncentrationsforskelle i begge hvirvler eksisterer, forbliver en formindskelse af forskellen af diffusionsgrænselagstykkelsen, hvad angår en radial doteringsstofhomogenisering, virkningsløs.

15 Opfinderen fandt ud af, at det med de af kravene omfattede fremgangsmåder lykkedes at forandre den typiske tohvirvelstruktur af smelten med en i centrum af smelten nedadrettet strømning, og at den radiale homogenitet af doteringsstoffordelingen derigennem tydeligt lod sig forbedre.

20 Tohvirvelstrukturen blev ændret ved hjælp af en tvungen konvektion. Bedst egnet er en volumenkraft, der virker i det samlede smeltevolumen. Yderligere tilstræbes det, at strømningen i centrum af smelten er rettet opad (mod forrådsstangen), fordi smelten ellers bliver bragt direkte fra forrådsstangen og nedad (til monokrystallen). Som omfattet af opfindelsen lykkedes dette ved anvendelse af mindst ét roterende 25 magnetfelt, der til forskel for fremgangsmåden, der er beskrevet i DD-263 310 A1, skal rotere modsat omdrejningsretningen af monokrystallen. Såfremt monokrystallen underkastes en vekslende rotation (periodisk skift af omdrejningsretningen), hvilket også ifølge det af opfindelsen omfattede er muligt, er den over tid gennemsnitlige krystalrotation bestemmende for definitionen af omdrejningsretningen for krystallen.

30 Uden den modsatrettede drejning af magnet og monokrystal løber strømningsretningen nedad i centrum af smelten. Den doteringsstoffattige smelte bliver ført direkte til centrum af monokrystallen og dermed forringes homogeniteten af den radiale inkorporering af doteringsstoffer tydeligt. Yderligere bliver den i forvejen bestående forskydningsfare, på grund af ikke-smeltede partikler, der kommer direkte 35 fra forrådsstangen til monokrystallen, yderligere forhøjet.

3 DK 176384 B1

Det modsat omdrejningsretningen for monokrystallen roterende magnetfelt bevirker en volumenkraft i azimutal retning i smelten. Ifølge en særlig foretrukken udførelsesform af fremgangsmåderne bliver denne volumenkraft benyttet til at frembringe en enkelt hvirvel ved tvungen konvektion i smelten med en strømning, der forløber opad i 5 centrum af smelten. Denne mod forrådsstangen rettede strømning i centrum af smelten bevirker, at de fra forrådsstangen kommende ikke-smeltede partikler og doteringsstoffattige smelteområder ikke transporteres direkte til monokrystallen, men først bliver godt blandet i smelten. Partiklerne får derigennem tilstrækkelig tid til at smelte fuldstændig. For at opnå den foretrukne ændring fra tohvirvelstruktur til 10 enhvirvelstruktur, må feltstyrken af magnetfeltet tilpasses de forhåndenværende procesvilkår. Den optimale feltstyrke er afhængig af andre procesparametre såsom magnetfeltets frekvens, diameteren og omdrejningshastigheden af monokrystallen, trækkehastigheden og formen af den anvendte induktionsspole. Den kan derfor fastsættes gennem testforsøg. Opfinderens forsøg har vist, at fremgangsmåderne 15 fortrinsvis kan benyttes til frembringelse af monokrystaller af silicium, der har en diameter på mindst 3" (76,2 mm), hvor monokrystallen fortrinsvis bliver frembragt med feltstyrker fra 0,1 til 20 mT, særligt foretrukket fra 1 til 5 mT. Frekvensen af det roterende magnetfelt ligger fortrinsvis ved 10 til 1000 Hz, særligt foretrukket ved 50 til 500 Hz.

20

Ved en samtidig anvendelse af to roterende magnetfelter med forskellige frekvenser og over tid variable amplituder kan man yderligere forbedre blandingen af smelten og den radiale homogenisering af doteringsstoffer, og nærmere bestemt være uafhængig af forekomsten af en enhvirvelstruktur eller en tohvirvelstruktur i smelten. Felter med 25 forskellige frekvenser har forskellige Indtrængningsdybder i smelten og virker som følge deraf på forskellige områder af smelten.

Når der kun eksisterer en hvirvel i smelten, der er blevet frembragt ved anvendelse af et roterende magnetfelt ifølge den for opfindelsen foretrukne udførelsesform, kan 30 yderligere indvirkning på strømningsforholdene i hvirvelstrukturen opnås ved tilpasning af feltstyrken og/eller frekvensen af det ene af de to magnetfelter og doteringsstoffordelingen kan indstilles endnu mere præcist.

Når der forekommer en tohvirvelstruktur I smelten, kan de to roterende felter med 35 forskellige frekvenser og/eller forskellige amplituder anvendes på smelten, således at den indre del af smelten roterer i modsat retning i forhold til den ydre del af smelten.

4 DK 176384 B1

Ved tidsafhængig variation af amplituderne og/eller frekvenserne lod omvendingspunktet for hastighedsfelterne sig forandre over tid, og dermed styredes blandingen af smelten radialt. Derigennem blev forskelle i doteringsstofkoncentrationerne mellem de to hvirvler udlignet.

5

Eksempel

For at demonstrere indflydelsen af de roterende magnetfelter på strømningen og doteringsstoffordelingen i smelten blev simulationsberegninger gennemført. Først blev 10 smeltezonens form beregnet. Derefter blev strømningen i smelten og doteringsstoffordelingen ved størkningsfronten beregnet afhængigt af tid. Ved simulationen blev Finite-Elemente-metoden anvendt. Beregningerne blev foretaget på grundlag af flg. forudsætninger: en krystaldiameter på 4" (101,6 mm), en krystalrotation på 5 omdr./min. og en frekvens af det roterende magnetfelt på 50 Hz. Omdrejnings-15 retningen af magnetfeltet var modsatrettet i forhold til krystalomdrejningsretningen. Resultater af beregningerne er vist i fig. 2 til 8. I fig. 2 til 5 er vist strømfunktionen af strømningen i en meridional (r, z) flade. Strømfunktionens linier er parallelle med strømningsretningen, og mellem to linier flyder den tilsvarende massestrøm gennem.

Pilene angiver strømningens retning. I fig. 2 er strømningen uden roterende magnetfelt 20 vist. Man ser en tohvirvelstruktur med en central hvirvel 10 og en ydre hvirvel 20. I fig.

3 udgør induktionen af magnetfeltet 1 mT, og indvirkningen på strømningen er ubetydelig. I fig. 4 udgør induktionen 2 mT og den ydre, imod centrum af smelten rettede hvirvel, er blevet større. I fig. 5 udgør induktionen 3,5 mT og en enhvirvel-struktur er opstået.

25

Fig. 6 til 8 viser dimensionsløse (normaliserede) modstandsfordelinger på størkningsfronten på forskellige tidspunkter. Modstanden er omvendt proportional med doteringsstofkoncentrationen. I fig. 6 udgør induktionen af magnetfeltet 0 mT, i fig. 7 er værdien af induktionen 1 mT og i fig. 8 er den 3 mT. Fig. 6 til 8 viser at, den radiale 30 modstandsfordeling bliver mere homogen med forøget feltstyrke af det roterende magnetfelt.

Claims (7)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en monokrystal ved zonesmeltning, hvorved den med en induktionsspole frembragte smelte udsættes for mindst ét roterende 5 magnetfelt og bringes til størkning, og den ved størkning af smelten opståede monokrystal bliver drejet, kendetegnet ved, at monokrystallen og magnetfeltet bliver drejet med modsatrettede omdrejningsretninger, 10 og at frekvensen af magnetfeltet ligger i området fra 10 til 1000 Hz.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at monokrystallen bliver frembragt med en diameter på mindst 3" (76,2 mm).

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller krav 2, kendetegnet ved, at feltstyrken af magnetfeltet ligger i området fra 0,1 til 20 mT,

4. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at smelten udsættes for yderligere et roterende magnetfelt. 20

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at magnetfelterne påføres smelten således, at et indre område af smelten roterer modsatrettet i forhold til et ydre område af smelten, hvorved der opstår en blandingszone mellem det ydre område og det indre område. 25

5 DK 176384 B1

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at blandingszonen ved variation af amplituderne og/eller frekvenserne af magnetfelterne forskydes radialt.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at blandingszonens radiale 30 position varieres over tid.