Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки
Приведены экспериментальные и расчетные данные о рафинировании монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки (ЭЛБЗП). Показано, что с помощью ЭЛБЗП удается снизить концентрацию кислорода на два порядка, фосфора – на полтора, по сравнению с исходным...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96264 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки / Е.А. Аснис, А.Б. Лесной, Н.В. Пискун // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 17-20. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-96264 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-962642016-03-14T03:02:04Z Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки Аснис, Е.А. Лесной, А.Б. Пискун, Н.В. Электронно-лучевые процессы Приведены экспериментальные и расчетные данные о рафинировании монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки (ЭЛБЗП). Показано, что с помощью ЭЛБЗП удается снизить концентрацию кислорода на два порядка, фосфора – на полтора, по сравнению с исходным материалом, полученным по методу Чохральского. С помощью вычислительного эксперимента исследованы закономерности формирования концентрационного состояния получаемого монокристалла. Показано, что основными факторами, определяющими показатели рафинирования, являются процессы испарения и дегазации в вакуум. Experimental and design data about refining of silicon single crystals in their growing by the method of electron beam crucibleless zonal melting are presented. It is shown that with use of this method it is possible to reduce the oxygen concentration by two orders, phosphorus - by one and a half orders as compared with that of an initial material, produced by the Czochralski method. Using the computational experiment the regularities of formation of concentrated state of single crystal being produced were investigated. It is shown that the main factors determining the refining characteristics are the processes of evaporation and degassing in vacuum. 2011 Article Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки / Е.А. Аснис, А.Б. Лесной, Н.В. Пискун // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 17-20. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96264 669.187.826 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы |
| spellingShingle |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Аснис, Е.А. Лесной, А.Б. Пискун, Н.В. Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки Современная электрометаллургия |
| description |
Приведены экспериментальные и расчетные данные о рафинировании монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки (ЭЛБЗП). Показано, что с помощью ЭЛБЗП удается снизить концентрацию кислорода на два порядка, фосфора – на полтора, по сравнению с исходным материалом, полученным по методу Чохральского. С помощью вычислительного эксперимента исследованы закономерности формирования концентрационного состояния получаемого монокристалла. Показано, что основными факторами, определяющими показатели рафинирования, являются процессы испарения и дегазации в вакуум. |
| format |
Article |
| author |
Аснис, Е.А. Лесной, А.Б. Пискун, Н.В. |
| author_facet |
Аснис, Е.А. Лесной, А.Б. Пискун, Н.В. |
| author_sort |
Аснис, Е.А. |
| title |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| title_short |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| title_full |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| title_fullStr |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| title_full_unstemmed |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| title_sort |
рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Электронно-лучевые процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96264 |
| citation_txt |
Рафинирование монокристаллов кремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки / Е.А. Аснис, А.Б. Лесной, Н.В. Пискун // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 3 (104). — С. 17-20. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT asnisea rafinirovaniemonokristallovkremniâprivyraŝivaniiihsposobomélektronnolučevojbestigelʹnojzonnojplavki AT lesnojab rafinirovaniemonokristallovkremniâprivyraŝivaniiihsposobomélektronnolučevojbestigelʹnojzonnojplavki AT piskunnv rafinirovaniemonokristallovkremniâprivyraŝivaniiihsposobomélektronnolučevojbestigelʹnojzonnojplavki |
| first_indexed |
2025-07-07T03:27:45Z |
| last_indexed |
2025-07-07T03:27:45Z |
| _version_ |
1836957162313613312 |
| fulltext |
УДК 669.187.826
РАФИНИРОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ
ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ИХ
СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ
Е. А. Аснис, А. Б. Лесной, Н. В. Пискун
Приведены экспериментальные и расчетные данные о рафинировании монокристаллов кремния при выращивании
их способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки (ЭЛБЗП). Показано, что с помощью ЭЛБЗП удается
снизить концентрацию кислорода на два порядка, фосфора – на полтора, по сравнению с исходным материалом,
полученным по методу Чохральского. С помощью вычислительного эксперимента исследованы закономерности
формирования концентрационного состояния получаемого монокристалла. Показано, что основными факторами,
определяющими показатели рафинирования, являются процессы испарения и дегазации в вакуум.
Experimental and design data about refining of silicon single crystals in their growing by the method of electron beam
crucibleless zonal melting are presented. It is shown that with use of this method it is possible to reduce the oxygen
concentration by two orders, phosphorus - by one and a half orders as compared with that of an initial material, produced
by the Czochralski method. Using the computational experiment the regularities of formation of concentrated state of
single crystal being produced were investigated. It is shown that the main factors determining the refining characteristics
are the processes of evaporation and degassing in vacuum.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая бестигельная
зонная плавка; монокристалл кремния; рафинирование; ма-
тематическая модель; вычислительный эксперимент; рас-
плавленная зона; кислород; фосфор
Электронно-лучевая бестигельная зонная плавка
(ЭЛБЗП) является одним из перспективных спосо-
бов получения монокристаллов кремния с низким
содержанием примесей и высоким уровнем одно-
родности физических свойств.
Данный металлургический процесс характеризует-
ся рядом преимуществ: переплав проводится в вакууме,
что исключает загрязнение образца материалом тигля;
наличие хорошо развитой свободной поверхности рас-
плавленной зоны способствует протеканию процессов
испарения и дегазации; применение кольцевого элект-
ронно-лучевого источника нагрева позволяет за счет
сканирования поверхности лучом гибко управлять
распределением теплового потока для образования
плоского фронта кристаллизации, обеспечивающего
формирование в объеме монокристалла высокой од-
нородности физических свойств [1].
Наиболее характерными примесями для кремния
являются кислород и фосфор [2]. Присутствие кисло-
рода в образце оказывает негативное влияние на элек-
трофизические характеристики кремния [3]. Фос-
фор считается одним из основных легирующих ком-
понентов, содержание которого должно соответст-
вовать необходимому уровню концентрации [4].
Возможности уменьшения массовой доли кислоро-
да и обеспечение регламентированного содержания
фосфора являются основными факторами, опреде-
ляющими эффективность применения процесса зон-
ной перекристаллизации для получения мо-
нокристаллов кремния.
В ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ проводятся
эксперименты по рафинированию монокристаллов
кремния способом ЭЛБЗП. Анализ свойств переплав-
ленных образцов показал, что при проведении зонной
плавки в вакууме 2,66⋅10—3 Па (примерно 2⋅10—5 торр)
обеспечивается снижение массовой доли кислорода
на два порядка – от 3⋅1017 до 5⋅1015 ат/см3 (изме-
рения проводились методом ИК-спектроскопии),
фосфора на полтора порядка – от 5,1⋅1014 до 3,4⋅1013
ат/см3 (метод электронного парамагнитного резо-
нанса). Увеличение удельного электросопротивле-
ния примерно в 14 раз (метод четырехзондового
измерения удельного электросопротивления), явля-
ется комплексным показателем уровня очистки мо-
нокристалла кремния, которого удается достичь с
использованием ЭЛБЗП.
Приведенные экспериментальные данные дают
количественные оценки показателей, которых уда-
ется достичь способом ЭЛБЗП. Наряду с этим пред-
ставляет непосредственный интерес исследование
© Е. А. АСНИС, А. Б. ЛЕСНОЙ, Н. В. ПИСКУН, 2011
17
механизмов и закономерностей, определяющих
показатели рафинирования. Наличие этой инфор-
мации позволяет оценить возможности
рафинирования кремния и рациональный диапазон
технологических параметров ЭЛБЗП.
Возможности получения необходимых данных
ограничены необходимостью проведения дорого-
стоящих и трудоемких натурных экспериментов,
дающих весьма ограниченную информацию о зако-
номерностях формирования концентрационного сос-
тояния переплавляемого материала.
Для получения необходимых данных рациональ-
нее совместно использовать имеющиеся результаты
экспериментов и математическое моделирование физи-
ческих процессов, протекающих при ЭЛБЗП.
Использование такого подхода позволяет сущес-
твенно сократить количество натурных исследо-
ваний, а также обнаружить скрытые закономер-
ности протекающих процессов, что недоступно при
других методах исследования. Таким образом,
основной задачей данной работы являлась разра-
ботка математической модели процессов массообме-
на и исследование с ее помощью возможностей
рафинирования монокристаллов кремния способом
ЭЛБЗП.
При формулировании математической модели пред-
полагалось, что в цилиндрическом образце радиу-
сом R и длиной L (рис. 1) поддерживается посто-
янная высота расплавленной зоны Lv, перемещае-
мой вдоль образца с постоянной скоростью v таким
образом, что скорость продвижения фронта затвер-
девания ξ(t) постоянна и равна скорости плавления
исходного образца с начальной концентрацией C0.
В расплаве вблизи фронта затвердевания фор-
мируется диффузионный слой протяженностью δ,
который обогащается ликвирующей примесью за
счет продвижения фронта кристаллизации (в пре-
делах диффузионного слоя перенос массы опреде-
ляется диффузионным механизмом переноса). За
пределами диффузионного слоя по всей высоте раc-
плавленной зоны Lv полагали конвективное пере-
мешивание достаточно интенсивным для полной го-
могенизации расплава.
Исходя из принятых допущений концентра-
ционное состояние переплавляемого образца при
ЭЛБЗП определяется кинетикой баланса массы в
расплавленной зоне следующим соотношением:
V
dCz
dt
= (qd + qm)SR + qαSL
v
;
qd = D
dC
dl
|l = ξ(t) + δ;
qm = v (C0 — Cz);
qα = α(Cout — Cz),
(1)
где V – объем расплавленной зоны; C – концен-
трация примеси в диффузионном слое; Сz – кон-
центрация примеси вблизи границы диффузионно-
го слоя расплавленной зоны; t – время; qd – поток
массы, поступающей в расплавленную зону из диф-
фузионного слоя; D – коэффициент диффузии;
qm – поток массы, поступающей в ядро жидкой
зоны за счет плавления исходного образца с кон-
центрацией C0; qα – поток массы со свободной
поверхности расплавленной зоны; α – коэффи-
циент поверхностного массообмена, учитывающий
дегазацию (испарение) растворенного компонента
в вакуум; Cout – остаточная концентрация примеси
в вакууме; SR, SL
v
– площади соответственно попе-
речного сечения и боковой поверхности расплавлен-
ной зоны.
На границе затвердевания учитывали следу-
ющие условия перераспределения массы:
⎧
⎨
⎩
⎪
⎪
D
dC
dl
|l = ξ(t) = v(1 — k)C |l = ξ(t);
CS |l = ξ(t) = kC |l = ξ(t)
,
где k – коэффициент перераспределения раство-
ренного компонента при переходе материала из
жидкого в затвердевшее состояние; CS – концент-
рация примеси в затвердевшем материале, приле-
гающем к фронту кристаллизации.
Перенос массы от границы затвердевания к рас-
плавленной зоне в приграничном диффузионном
слое заданной протяженности описывается урав-
нением диффузии
∂C
∂t
= D
∂2C
∂l2
, ξ(t) < l < ξ(t) + δ.
(2)
Полагали, что диффузионный массоперенос в
затвердевшем материале можно не учитывать. В на-
чальный момент времени образец по всей длине
имел однородный химический состав с заданной
концентрацией C(l,0) = C0.
На основе приведенной математической модели
разработали программное обеспечение для модели-
рования кинетики массообменных процессов и прог-
нозирования формирования химической неодно-
родности по длине образца в зависимости от
физических характеристик материала и техно-
логических параметров ЭЛБЗП.
Рис. 1. Схема расчетной области
18
Для расчетов приняты следующие параметры
модели: длина образца 10 см; высота расплавленной
зоны 1 см; коэффициент диффузии компонента в рас-
плаве 5⋅10—5 см2/с; протяженность диффузионного
приграничного слоя 0,2 см; коэффициент распре-
деления 0,5 для кислорода, 0,035 для фосфора; зна-
чения коэффициента α оценивали по эксперимен-
тальным данным при определении содержания при-
меси в образце до и после переплава. Результаты
расчетов представлены в виде относительной кон-
центрации C = C
—
⁄ C0, где C
—
, C0 – соответственно
истинная и исходная концентрации.
Рафинирование образца при ЭЛБЗП обес-
печивается двумя процессами – перераспреде-
лением растворенного компонента на фронте за-
твердевания в результате различной растворимости
примеси при переходе материала из жидкого в за-
твердевшее состояние и испарением (дегазацией) в
вакуум со свободной поверхности расплава. Для выяв-
ления доминирующего механизма рафинирования
проведены расчеты, в которых учитывались как отдель-
ное, так и совместное влияние этих двух факторов.
На рис. 2 показано распределение концентрации
кислорода и фосфора по длине затвердевшего учас-
тка образца в зависимости от скорости переплава
(δ = 0,2 см, Lv = 1 см) без учета процесса испарения
(дегазации) в вакуум.
Результаты, представленные на рис. 2, показывают,
что при варьировании скорости перекристаллизации
очистка кремния за счет различной растворимости
примесей в жидком и затвердевшем материале не
позволяет снизить за один проход концентрацию
кислорода менее чем на 0,5 порядка (0,5 C0) при су-
щественной неравномерности распределения
примесей по длине образца (0,5 … 0,9 C0), фосфора –
на 0,8 порядка (0,2 C0).
Данные экспериментальных исследований сви-
детельствуют о довольно равномерном распреде-
лении примесей и снижении массовой доли кисло-
рода на два порядка, фосфора – на полтора. В
связи с этим выполнены расчеты для оценки про-
цесса испарения (дегазации) в вакуум, который
может протекать с различной интенсивностью в
зависимости от давления остаточных газов в ваку-
умной камере, высоты расплавленной зоны, пере-
Рис. 2. Влияние скорости v перекристаллизации на перераспределение примеси: а – кислород; б – фосфор; 1—5 – соответственно
значения 1⋅10
5
, 1⋅10
—4
, 5⋅10
—4
, 1⋅10
—3
, 1⋅10
—2
м/с)
Рис. 3. Концентрационное состояние жидкой зоны (а) и затвердевшего образца (б) при различных значениях коэффициента
дегазации кислорода в вакуум: 1—5 – соответственно 0, 0,1⋅10
—4
, 1⋅10
—3
, 1⋅10
—2
, 1⋅10
—1
ат/см
2
⋅с)
19
грева свободной поверхности над температурой
ликвидус и других факторов.
На рис. 3 приведена серия расчетов, демонстри-
рующих снижение концентрации кислорода в рас-
плавленной зоне и в затвердевшем участке образца
в зависимости от различных значений коэффи-
циента α.
Расчеты показали, что уменьшение массовой доли
кислорода на два порядка достигается при α =
= 0,1 ат/см2с. В этом случае обеспечивается равно-
мерное распределение примесей по длине затвер-
девшей части образца (рис. 3, б), за исключением
начального участка незначительной протяженно-
сти. Аналогичные расчеты для фосфора показали,
что снижению начальной концентрации на полтора
порядка соответствует 0,5 ат/см2с.
Выводы
1. Разработана математическая модель зонной пе-
рекристаллизации, позволяющая исследовать фор-
мирование концентрационного состояния образца
за счет различия растворимости примесей в жидком
и затвердевшем материале, а также процессов испа-
рения в вакуум.
2. Установлено, что с помощью способа ЭЛБЗП
удается понизить концентрацию кислорода на два
порядка от 3⋅1017 до 5⋅1015 ат/см3, фосфора – на
полтора порядка (от 5,1⋅1014 до 3,4⋅1013 ат/см3).
3. Расчетным методом показано, что за счет раз-
личия растворимости примеси в твердом и жидком
материале удается снизить за один проход концен-
трацию кислорода не более чем на 0,5 порядка
(0,5 C0) и на 0,8 порядка (0,2 C0) для фосфора.
4. Показано что доминирующим фактором, обес-
печивающим уменьшение массовой доли кислорода
на два порядка, фосфора – на полтора при
ЭЛБЗП, являются процессы дегазации и испарения
в вакуум при наличии хорошо развитой свободной
поверхности расплавленной зоны.
5. Определены коэффициенты поверхностного мас-
сообмена, учитывающие дегазацию (испарение) раст-
воренного компонента при ЭЛБЗП в технологический
вакуум 2,66⋅10—3 Па (примерно 2⋅10—5 торр) – для
кислорода 0,1 ат/см2⋅с, фосфора 0,5 ат/см2⋅с.
1. Компьютерное моделирование гидродинамики и теплооб-
мена при выращивании монокристалла кремния методом элек-
тронно-лучевой бестигельной зонной плавки / А. Е. Аснис, В.
Ф. Демченко, О. Б. Лесной, С. П. Заболотин //
Космічна наука і технологія. – 2002. – 8, № 5/6. –
С. 112—116.
2. Курс физической химии. Т. I / Под ред. Я. И. Гера-
симова. – М.: Химия, 1969. – 592 с.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. V.
Статистическая физика. – М.: Наука, 1976. – Ч. 1. – 584 с.
4. Проблемы дегазации металлов (феноменологическая
теория) / Л. Л. Кунин, А. М. Головин, Ю. Н. Суровой,
В. М. Хохрин. – М.: Наука, 1972. – 327 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 11.04.2011
www.vsmpo.ru
21.06.2011
На авиасалоне Ле Бурже, 21 июня
21 июня, Париж, Ле Бурже – ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и Liebherr-Aerospace
Lindenberg GmbH, г. Линденберг (Германия) подписали долгосрочный контракт на поставку тита-
новых штамповок для носового шасси семейства самолетов A350 XWB.
В настоящее время Корпорация ВСМПО-АВИСМА на 100 % удовлетворяет потребности Liebherr-
Aerospace в титане для программы A350 XWB. Для обеих компаний подписание долгосрочного
контракта является важным этапом в отношениях, которые начались в 2009 году, когда фирма
Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH выбрала ВСМПО-АВИСМА в качестве поставщика титановых
штамповок носового шасси для программы A350 XWB.
Конструкция носового шасси самолета A350 XWB является самой большой в серии шасси, когда-
либо разрабатываемых и изготовляемых компанией Liebherr-Aerospace Lindenberg. Основанием для
решения об использовании титана в данной программе стало преимущество по массе, которое обес-
печивает титан.
20
|