CS270396B1

CS270396B1 - Device for preparation of silicon monocrystals by the method of flying zonal melting in vertical arrangement

Info

Publication number: CS270396B1
Application number: CS888006A
Authority: CS
Inventors: Vilem Rndr Smejkal; Frantisek Ing Zatopek
Original assignee: Smejkal Vilem; Zatopek Frantisek
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1990-06-13
Also published as: CS800688A1

Abstract

Účelem řešení je dosažení požadované odchylky nebo koincidence krystalografického směru od osy rotace křemíkového monokrysta— llckého zárodku při přípravé křemíkových monokrystalů metodou letmé zonální tavby ve vertikálním uspořádání. Podstata řešení spočívá v tom, žs mezi kulovou podložkou (2) připevněnou k dolní hřídeli (l) zařízení a přítlačným menlskera (4) je v nastavitelné poloze upevněn kulový nosič (3) s držákem (é) monokrystalického zárodku. Kulové plochy vymezující kulovou podložku (2), kulový nosič (3) a přítlačný meniskus (4) mají společný střed vs vzdálenosti maximálně 2o mm od vrcholu křemíkového monokrystalického zárodku (7). Jejich spojeni £ je přitom provedeno 3 až 6 šrouby (s) přee otvory v kulovém nosiči (3), Jejichž průměr je alespoň o o,o5 násobek poloměru kulové plochy vymezující kulovou podložku (2) větší než průměr šroubů (δ).The purpose of the solution is to achieve the required deviation or coincidence of the crystallographic direction from the axis of rotation of the silicon single crystal seed when preparing silicon single crystals by the method of flying zone melting in a vertical arrangement. The essence of the solution lies in the fact that a spherical carrier (3) with a holder (é) of the single crystal seed is fixed in an adjustable position between the spherical washer (2) attached to the lower shaft (1) of the device and the pressure meniscus (4). The spherical surfaces defining the spherical washer (2), the spherical carrier (3) and the pressure meniscus (4) have a common center at a distance of maximum 20 mm from the top of the silicon single crystal seed (7). Their connection £ is made by 3 to 6 screws (s) through holes in the spherical carrier (3), whose diameter is at least o.o5 times the radius of the spherical surface defining the spherical washer (2) greater than the diameter of the screws (δ).

Description

Vynález se týká zařízení pro přípravu křemíkových monokrystalů metodou letmé zonální tavby ve vertikálním uspořádání s nastavitelnou odchylkou krystalografického smíru od osy rotace.The invention relates to a device for preparing silicon single crystals by the method of flash zonal melting in a vertical arrangement with an adjustable deviation of the crystallographic direction from the axis of rotation.

Dosavadní zařízení pro přípravu křemíkových monokrystalů metodou letmé zonální tavby ve vertikálním uspořádání se skládají z «vakuované nebo Inertním plynem napuštěné komory, opatřené dvěma vertikálně uloženými hřídeli, které mají možnost nezávislého pohybu a rotace, Na horní hřídeli je zavěšen ingot polykryetalického křemíku a na dolní hřídeli je upevněn křemíkový monokrystalický zárodek, který má tvar Stihlého hranolu nebo válce, jehož geometrická osa splývá s požadovaným krystalografickým směrem. Uprostřed komory je uložen induktor připojený ke zdroji vf proudu, který pomocí indukovaných proudů v Ingotu polykryetalického křemíku vytváří taveninu, Zatuhávání tavenlny na křemíkovém monokrystalickém zárodku, které Je řízen· výkonem dodávaným do tavenlny a pohybem obou hřídel^ vede k narůstání křemíkového monokrystalu na křemíkovém monokrystalickém zárodku. Křemíkový monokrystal má přitom tvar válce, jehož osa splývá s osou rotace dolní hřídele zařízení a od krystalografického směru křemíkového monokrystalického zárodku se odchyluje o úhel, který svírá krystalografický směr křemíkového monokrystalického zárodku s osou rotace dolní hřídele zařízení, Součástí těchto zařízení bývají přípravky, které ve spojení s kelimátory umožňují nastavení koincldence obou těchto směrů, čímž vylučují nepřesnosti způsobené při výrobě křemíkových monekrystallckých zárodků a při jejich upevňování na dolní hřídel zařízení. V principu lze rozlišit konstrukce těchto přípravků založené na plasticky deformovatelném trnu nebo na třech Justovacích šroubech vymezujících rovinu kolmou ke krystalografickému směru. Tyto přípravky však nepředpokládají možnost nastavování odchylky krystalografického směru křemíkového monokrystalického zárodku od osy rotace dolní hřídele zařízení a požadovanou velikostí l orientací.Existing devices for the preparation of silicon single crystals by the method of flying zonal melting in a vertical arrangement consist of a chamber evacuated or filled with inert gas, equipped with two vertically mounted shafts, which have the possibility of independent movement and rotation. An ingot of polycrystalline silicon is suspended on the upper shaft and a silicon single crystal seed is fixed on the lower shaft, which has the shape of a neat prism or cylinder, the geometric axis of which coincides with the desired crystallographic direction. In the middle of the chamber is an inductor connected to a source of high-frequency current, which creates a melt using induced currents in the polycrystalline silicon ingot. Solidification of the melt on the silicon single crystal seed, which is controlled by the power supplied to the melt and the movement of both shafts, leads to the growth of a silicon single crystal on the silicon single crystal seed. The silicon monocrystal has the shape of a cylinder, the axis of which coincides with the axis of rotation of the lower shaft of the device and deviates from the crystallographic direction of the silicon monocrystal seed by an angle formed by the crystallographic direction of the silicon monocrystal seed with the axis of rotation of the lower shaft of the device. These devices often include devices that, in conjunction with kelimators, allow the coincidence of both of these directions to be adjusted, thereby eliminating inaccuracies caused during the production of silicon monocrystal seeds and their fastening to the lower shaft of the device. In principle, it is possible to distinguish between the designs of these devices based on a plastically deformable mandrel or on three adjusting screws defining a plane perpendicular to the crystallographic direction. However, these devices do not provide for the possibility of adjusting the deviation of the crystallographic direction of the silicon monocrystal seed from the axis of rotation of the lower shaft of the device and the required size of the orientation.

Uvedený nedostatek odstraňuje zařízení podle vynálezu, Jehož podstata spočívá v tom, že mezi kulovou podložkou připevněnou k dolní hřídeli zařízení a přítlačným maniakem Je v nastavitelné poloze upevněn kulový nosič s držákem křemíkového monokrystalického zárodku, přičemž kulové plochy vymezující kulovou podložku, kulový nosič a přítlačný moniokus mají společný střed vo vzdálenosti maximálně 2o mm od vrcholu křemíkového monokrystalického zárodku a jejich spojení jo provedeno 3 až 6 šrouby přes otvory v kulovém nosiči, jejichž průměr Je alespoň o o,o6náaobek poloměru kulové plochy vymezující kulovou podložku větší než průměr šroubů.The above-mentioned deficiency is eliminated by the device according to the invention, the essence of which lies in the fact that between the spherical washer attached to the lower shaft of the device and the pressure maniac, a spherical carrier with a holder of a silicon monocrystalline seed is fixed in an adjustable position, while the spherical surfaces defining the spherical washer, the spherical carrier and the pressure maniac have a common center at a distance of maximum 20 mm from the top of the silicon monocrystalline seed and their connection is made by 3 to 6 screws through holes in the spherical carrier, the diameter of which is at least 0.06 times the radius of the spherical surface defining the spherical washer larger than the diameter of the screws.

Uvolnění šroubů spojujících kulovou podložku, kulový nosič · přítlačný meniskus umožňuje pohyb kulového nosiče v míře dané velikostí otvorů v kulové podložce ve všech směrech, přičemž osa rotace dolní hřídele zařízení protíná horní plochu křemíkového monokrystalického zárodku při libovolném nastavení odchylky Jeho krystalografického směru od osy rotace dolní hřídele zařízeni, což umožňuje plynulé provedení spojení tavenlny a křemíkovým monokrystallckým zárodkem v každé zvolené poloze kulového nosiče.Loosening the screws connecting the ball pad, ball carrier and pressure meniscus allows the ball carrier to move to the extent given by the size of the holes in the ball pad in all directions, with the axis of rotation of the lower shaft of the device intersecting the upper surface of the silicon monocrystalline seed at any setting of the deviation of its crystallographic direction from the axis of rotation of the lower shaft of the device, which allows for a smooth connection of the melt and the silicon monocrystalline seed in each selected position of the ball carrier.

Na výkresu je znázorněn příklad zařízení podle vynálezu. Na dolní hřídeli χ zařízení Je připevněna kulová podložka 2, jejíž kulová plocha má poloměr loo mm a jejíž průměr Je 8o mm. K ni je pomocí přítlačného maniaku 4, Jehož dolní kulová plocha má poloměr 97 mm, přitlačován kulový nosič 3, Jehož dolní kulová plocha má poloměr loo mm a horní , kulová plocha má poloměr 97 mm. Na kulový noaič 3 Jo přišroubován držák 6, ke kterému Je molybdenovým drátem připevněn monokrystallcký zárodek £ čtvercového průřezu 4x4 mm opírající se dolní plochou o držák 6 ve vzdálenosti 4o mm od kulové plochy kulové podložky 4. Délka křemíkového monokrystalického zárodku 7 Je 6o - 2o mm, takže Jeho vrchol Je vzdálen maximálně 2o mm od středu kulových ploch, které vymezují kulovou podložku 2, kulový nosič £ a přítlačný meniskus 4,. Nastavení kulového nosiče 3 vůči kulové podložce 2 Je provedeno pomocí 3 šroubů £ symetricky uložených na roztečné kružnici o průměru 7o mm. Otvory v kulovém nosiči 3, kterými procházejí šrouby 5 os průměrem 6 mm, mají průměr 11 mm, což umožňuje vychýlení křemíkového monokrystalického zárodku 7 vůči ose rotace dolní hřídele χ až o 1,5° v libovolném aměru. Pokud Je splněna podmínka na vzdálenost vrcholu křemíkového monokrystalického zárodku 7 od středu kulových ploch vymezujících kulovou podložku 2, kulový nosič 3 a přítlačný meniskus 4,The drawing shows an example of a device according to the invention. On the lower shaft χ of the device is attached a spherical washer 2, the spherical surface of which has a radius of loo mm and a diameter of 8o mm. A spherical carrier 3, the lower spherical surface of which has a radius of loo mm and an upper spherical surface of which has a radius of 97 mm, is pressed against it by means of a pressure maniac 4, the lower spherical surface of which has a radius of 97 mm. A holder 6 is screwed onto the spherical holder 3, to which a monocrystalline seed £ of a square cross-section of 4x4 mm is attached by a molybdenum wire, the lower surface of which rests on the holder 6 at a distance of 40 mm from the spherical surface of the spherical support 4. The length of the silicon monocrystalline seed 7 is 60 - 20 mm, so that its top is at most 20 mm from the center of the spherical surfaces that define the spherical support 2, the spherical carrier £ and the pressure meniscus 4. The adjustment of the spherical carrier 3 relative to the spherical support 2 is carried out using 3 screws £ symmetrically placed on a pitch circle with a diameter of 70 mm. The holes in the spherical carrier 3, through which the screws 5 of the axis with a diameter of 6 mm pass, have a diameter of 11 mm, which allows the silicon monocrystalline seed 7 to be deflected relative to the axis of rotation of the lower shaft χ by up to 1.5° in any direction. If the condition for the distance of the top of the silicon monocrystalline seed 7 from the center of the spherical surfaces defining the spherical washer 2, the spherical carrier 3 and the pressure meniscus 4 is met,

CS 27o396 Bl tzn. pokud je jeho dálka 4o až 80 mm, opisuje vrchol křemíkového monokrystalického zárodku 7 při rotaci dolní hřídele 2 kružnicí o poloměru maximálně o 0,5 mm větším, než Je poloměr kružnic· jemu opsané, co* při Jsho průřezu 4x4 mm Js zanedbatelná výchylka nebránící plynulému provedení spojení lavenlny s křemíkovým monokryetallckým zárodkem v libovolná poloze kulového nosič· 3 a zahájení růstu křemíkového monokrystalu řízeným zatuháváním tavenlny. Geometrická osa křemíkového monokrystalu Js pak vychýlena od krystalografického směru o stojnou hodnotu jako Js výchylka krystalografického směru křemíkového monokrystalického zárodku χ ^odosy Jeho rotace, .CS 27o396 Bl i.e. if its distance is 4o to 80 mm, the top of the silicon monocrystalline nucleus 7 describes a circle with a radius of at most 0.5 mm greater than the radius of the circle circumscribed by it during rotation of the lower shaft 2, which* with a cross-section of 4x4 mm is a negligible deflection that does not prevent the smooth connection of the melt with the silicon monocrystalline nucleus in any position of the spherical carrier 3 and the start of the growth of the silicon monocrystal controlled by the solidification of the melt. The geometric axis of the silicon monocrystal is then deflected from the crystallographic direction by a constant value as the deflection of the crystallographic direction of the silicon monocrystalline nucleus χ ^from the axis of its rotation, .

Možnost naklánět křemíkový m on okry statický zárodek χ ^do věech směrů umožňuj· vyloučit vychýlení Jeho krystalografického směru od osy rotacs, ktoré Je způsobeno nepřesností uložení dolní hřídele 1, nepřesností vznikající přímým spojením držáku 6; s dolní hřídelí 2· nepřesností uložení křemíkového monokrystalického zárodku X v držáku £ a odchylkou geometrická osy monokrystalického zárodku X od krystalografického směru, s tolerancí lepší než lo , což zajišťuj· symetrický růst křemíkového monokrystalu.The possibility of tilting the silicon monocrystalline seed χ ⁱⁿ all directions makes it possible to exclude the deviation of its crystallographic direction from the rotation axis, which is caused by the inaccuracy of the lower shaft 1, the inaccuracy arising from the direct connection of the holder 6; with the lower shaft 2, the inaccuracy of the placement of the silicon monocrystalline seed X in the holder £ and the deviation of the geometric axis of the monocrystalline seed X from the crystallographic direction, with a tolerance better than 10, which ensures the symmetrical growth of the silicon monocrystal.

Možnost naklánět křemíkový monokrystalický zárodek χ do libovolného směru od krystalografického směru při současně eliminaci všech mechanických nepřesností umožňuje provádět výzkum vlivu odchylky krystalografického směru křemíkového monokrystalického zárodku χ od osy Jeho rotace na stabilitu tavby a vlastnosti křemíkových monokrystalů při zvoleném induktoru a podmínkách růetu monokrystalu.The possibility of tilting the silicon single crystal seed χ in any direction from the crystallographic direction while simultaneously eliminating all mechanical inaccuracies allows for research into the effect of the deviation of the crystallographic direction of the silicon single crystal seed χ from the axis of its rotation on the stability of the melt and the properties of silicon single crystals for the selected inductor and single crystal growing conditions.

Vynálezu lze využít při výzkumu a výrobě křemíkových monokrystalů metodou l«tmě zonální tavby vs vertikálním uspořádání, jejichž geometrická osa má definovanou odchylku od krystalografického směru křemíkového monokrystalického zárodku, popř. s krystalografickým směrem splývá.The invention can be used in the research and production of silicon single crystals by the method of zonal melting in a vertical arrangement, whose geometric axis has a defined deviation from the crystallographic direction of the silicon single crystal seed, or coincides with the crystallographic direction.

Claims

1. Device for preparing silicon single crystals by the method of flying zonal melting in a vertical arrangement with an adjustable deviation of the crystallographic direction from the axis of rotation, characterized in that between the spherical washer (2) attached to the lower shaft (1) of the device and the pressure meniscus (4) a spherical carrier (3) with a holder (6) of a silicon single crystal seed (7) is fixed in an adjustable position,

2.

Device for preparing silicon single crystals by the method of flying zonal melting in a vertical arrangement with an adjustable deviation of the crystallographic direction from the axis of rotation under point 1, characterized in that the spherical surfaces defining the spherical pad (2), the spherical carrier (3) and the pressure meniscus (4) have a common center at a distance of maximum 20 mm from the top of the silicon single crystal seed (?).

3.

Device for preparing silicon single crystals by the method of flying zonal melting in a vertical arrangement with an adjustable deviation of the crystallographic direction from the axis of rotation according to points 1 and 2, characterized in that the spherical washer (2), the spherical carrier (3) and the pressure meniscus (4) are connected by 3 to 6 screws (5) through holes in the spherical carrier (3), whose diameter is at least o.o5 times the radius of the spherical surface defining the spherical washer (2) larger than the diameter of the screws (5).