СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИН Российский патент 1994 года по МПК B22D25/04 B22D27/04 B22D23/06 

Назначение изобретения - получение пластин из расплавов материалов, преимущественно полупроводников, например, из кремния, сплавов кремния и германия и т. п.

Область применения изобретения - изготовление элементов для солнечных батарей, подложек для интегральных схем, применяемых в энергетике, электронике.

Известен способ изготовления пластин из кремния путем стягивания ленты из полупроводникового материала с поверхности расплавленного металла, например, свинца. В способе сочетаются черты процесса вытягивания кристаллов из расплава и литья. Для осуществления этого способа используют аппарат в виде установки для горизонтальной плавки (см. источник).

Для этого в кварцевой трубе круглого или прямоугольного сечения размещают графитовый тигель или лодочку (ванну), наполненную расплавом свинца, при этом мениск расплава должен быть выше бортов лодочки (ванны). Лодочку нагревают с помощью нагревателя, выполненного с возможностью перемещения вдоль трубы.

С одного конца трубы на поверхность расплавленного металла (свинца) подают исходный материал (кремний) в виде поликристаллических прутков или порошка. Прутки плавят в средней части лодочки. На другом конце лодочки на поверхности жидкой подложки (расплаве свинца) плавает тонкая кремниевая лента-затравка, зажатая вне печи в приспособлении для вытягивания. В результате плавления заготовок на подложке образуется жидкая пленка кремния, которая кристаллизуется от затравки и стягивается с зеркала расплава в виде ленты. При этом максимальную температуру, соответствующую точке плавления кремния (1420^оС) создают в середине лодочки, а ближе к ее концам температура не намного превышает точку плавления свинца (327^оС).

Основными недостатками описанного прототипа являются значительные трудности при его реализации, связанные с нерегулированием тепловых полей в рабочей зоне установки, и низкая производительность процесса.

Целью изобретения является упрощение способа при высокой производительности процесса литья пластин.

Высокая производительность при получении изделия в виде пластины предложенным способом достигается благодаря скоростной кристаллизации переохлажденного расплава пленки.

На фиг. 1, 2 и 3 представлена схема устройства; на фиг. 4 - 7 - стадии технологического процесса.

Устройство реализации предлагаемого способа должно иметь в качестве основных конструктивных элементов ванну 1 для размещения в ней жидкой подложки, нагреватель 2, размещенный под ванной, нагреватель 3 для подогрева боковых стенок ванны и экран 4, выполненный с возможностью вертикального перемещения (фиг. 1, 2 и 3). Ванна 1 может иметь в зависимости от заданной формы получаемой пластины, прямоугольную (фиг. 2), круглую (фиг. 3) или иную форму. На виде сверху экран 4 повторяет форму внутренней полости ванны 1, но имеет меньшие габаритные размеры, чем эта полость. Экран 4, изготовленный, например, из графита выполнен сборным из двух частей с возможностью закрепления между ними затравки. В комплект оборудования должно входить также дозирующее устройство 5, предназначенное для подачи порции исходного материала через загрузочное отверстие 6 в экране 4 (фиг. 4).

В качестве примера осуществления предлагаемого способа может быть предложен процесс получения пластины из кремния.

На подготовительной стадии технологического процесса в ванну 1, изготовленную из графита, помещают заготовку из свинца с заданным объемом, исходя из того, чтобы расплав свинца расположился в ванне ниже ее бортов на 2 - 3 мм. Между двумя частями экрана 4 закрепляют затравку из кремния в виде стержня диаметром 1 - 5 мм с монокристаллической структурой. Затем нагревательную камеру заполняют инертным газом и включают нагреватели 2 и 3.

После того, как рабочая температура свинца в ванне достигнет 1470^оС (т. е. на 50^оС выше плавления кремния), на его поверхность подают из дозирующего устройства 5 порцию кремния в виде порошка, гранул или расплава. Для получения, например, пластины с размерами 100х100х0,5 мм потребуется около 11 г кремния.

После того, как кремний образует жидкую пленку на подложке из свинца (фиг. 4) начинают понижать температуру нагревателя 2 и опускают экран 4 вниз так, чтобы затравка не доходила до поверхности пленки на 2 - 3 мм (фиг. 5). При этом температуру боковых стенок ванны 1 поддерживают с помощью нагревателя 3 выше темепратуры плавления кремния на 30 - 50^о. При понижении температуры свинца в ванне до 1370 - 1320^оС, экран 4 перемещают вниз так, чтобы затравка погрузилась в расплав кремния (фиг. 6), в результате чего произойдет спонтанная кристаллизация пленки с образованием пластины.

Отделение пластины от жидкой подложки осуществляют посредством затравки. Для этого экран 4, в котором закреплена затравка, перемещают вверх так, как это показано на фиг. 7.

В дальнейшем затравку отделяют от пластины и осуществляют охлаждение пластины в заданном режиме.

Описанный способ позволяет получить пластину заданного размера, с ориентированной структурой материала и гладкой поверхностью, не нуждающейся в механической обработке. (56) Патент США N 3031275, кл. 156 - 617, 1962.

Использование: получение пластин из расплавов материалов, преимущественно полупроводников, применяемых для элементов солнечных батарей, подложек для интегральных схем. Сущность: способ литья пластин, например, из кремния, включает последовательность технологических операций: формирование жидкой пленки из исходного материала на жидкой подложке в ванне; одновременное охлаждение подложки снизу и пленки - сверху ниже температуры кристаллизации материала при условии подогрева боковых стенок ванны выше температуры его кристаллизации, приведение затравки в контакт с расплавом пленки в ее центральной зоне с последующим отделением пластины вверх с помощью затравки. 7 ил.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИН, например, из кремния, включающий подачу порции исходного материала на жидкую подложку, помещенную в ванну, формирование пленки, охлаждение, кристаллизацию этой пленки от затравки с получением пластины и отделение последней от подложки, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения его производительности, способ осуществляют с использованием экрана в виде крышки, в которой закреплена затравка, выполненная в виде стержня, после формирования на каждой подложке жидкой пленки их охлаждают снизу ниже температуры кристаллизации материала пленки, при этом температуру боковых стенок ванны поддерживают выше температуры кристаллизации материала пленки, затем затравку торцем приводят в контакт с поверхностью жидкой пленки в центральной ее зоне, а отделение пластины от подложки осуществляют перемещением вверх затравки совместно с экраном.