УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВТОРНОЙ ЗАГРУЗКИ МАТЕРИАЛА В ТИГЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК C30B15/02 B01J4/00 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов кремния по методу Чохральского, в частности к устройствам для повторной загрузки материала в тигель, и может быть использовано на установках выращивания монокристаллов кремния, оборудованных шлюзовым приспособлением для обеспечения полунепрерывного выращивания монокристаллов.

При выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского слиток кремния вытягивают из расплава кремния на затравку необходимой ориентации. Для предотвращения окисления расплава и выгорания графитовых деталей теплового узла в рабочей камере, в которой проводят плавление кремния и вытягивание слитка из расплава, создают инертную атмосферу. Полунепрерывный способ выращивания монокристаллов кремния предусматривает выгрузку из рабочей камеры установки выращенного слитка кремния и проведение повторной загрузки тигля с остатком расплава новой порцией материала. Для обеспечения повторной загрузки тигля без нарушения при этом герметичности рабочей камеры и без охлаждения тигля используют устройства для повторной загрузки материала в тигель, с помощью которых осуществляют повторную загрузку тигля непосредственно в рабочей камере.

Известно устройство для повторной загрузки материала в тигель, которое выполнено в виде стержня из загружаемого материала, имеющего узел крепления к механизму перемещения (А.Я. Нашельский. Технология специальных материалов электронной техники. 1993, с. 165). Стержень представляет собой поликристаллический кремний определенного размера.

Устройство работает таким образом. Слиток монокристалла кремния, вытянутый на затравку из тигля, отделяют от расплава, перемещают из рабочей камеры и, после проведения шлюзования, выгружают из верхней камеры. В верхней камере материал для повторной загрузки тигля - поликристаллический кремний - с помощью узла крепления соединяют с механизмом перемещения, в качестве которого может использоваться механизм перемещения затравки. После проведения шлюзования поликристаллический стержень кремния перемещают в рабочую камеру, устанавливают над тиглем и опускают к поверхности расплава, находящегося в тигле. Стержень начинает плавиться, заполняя таким образом тигель.

Однако с помощью такого устройства невозможно осуществлять повторную загрузку тигля из материала в виде измельченных кусков поликремния или забракованных выращенных ранее слитков, а также невозможно при повторной загрузке производить подлегирование расплава.

Наиболее близким является устройство дли повторной загрузки материала в тигель, включающий резервуар, поддерживающие элементы, размещенные в нижнем торце резервуара, и узел крепления резервуара к механизму перемещения (US, патент 4394352, 1987, М.кл. С 30 В 15/02). Поддерживающие элементы выполнены из тантала и способны выдерживать при комнатной температуре вес загрузки. При повышении температуры поддерживающие элементы деформируются.

Известное устройство работает таким образом. Слиток монокристалла кремния, вытянутый на затравку из тигля, отрывают от расплава, перемещают из рабочей камеры в камеру шлюзования и, после проведения шлюзования, выгружают из верхней камеры. В верхнюю камеру вводят резервуар с повторной загрузкой: в виде кусков поликремния цилиндрической формы, между которыми при необходимости дополнительно закладывают легирующий материал; с помощью узла крепления соединяют резервуар с механизмом перемещения, в качестве которого может использоваться механизм перемещения затравки. После проведения шлюзования резервуар перемещают в рабочую камеру, размещают над тиглем и опускают на определенное расстояние к тиглю таким образом, чтобы торец резервуара находился в непосредственной близости от расплава. При повышенной температуре поддерживающие элементы начинают деформироваться, позволяя повторной загрузке попасть в тигель с расплавом.

Несмотря на то, что это устройство не имеет недостатков, указанных выше, однако характеризуется слабой управляемостью при повторной загрузке материала. Указанная загрузка зависит от свойств материала поддерживающих элементов, от температуры в рабочей камере и при наличии остаточного деформирования танталовых элементов становится неуправляемым. В некоторых случаях это может привести к аварийной ситуации. Например, при деформировании поддерживающих элементов на высоте больше необходимой загрузочный материал при попадании в тигель приводит к разбрызгиванию расплава.

Задачей изобретения является усовершенствование устройства для повторной загрузки тигля путем дополнительного снабжения резервуара днищем и фиксирующим кольцом, а также соединения поддерживающих элементов с гибкими тягами, связанными с механизмом перемещения, что обеспечивает регулируемую загрузку тигля.

Поставленная задача решается предложенным устройством для повторной загрузки материала в тигель, включающим резервуар, поддерживающие элементы, размещенные в нижнем торце резервуара, и узел крепления резервуара к механизму перемещения, которое дополнительно снабжено фиксирующим кольцом, размещенным снаружи резервуара и жестко связанным с ним, при этом резервуар снабжен открывающимся днищем, а узел крепления резервуара выполнен в виде последовательно соединенных гибких тяг, проходящих по боковой поверхности вдоль прямолинейной образующей резервуара с двух противоположных его сторон с образованием подвески над верхним основанием резервуара, а нижний конец каждой крайней тяги соединен с возможностью движения с соответствующим поддерживающим элементом. При этом днище выполнено из двух частей, преимущественно из двух равных симметричных частей. Резервуар может быть выполнен в виде цилиндра, лучше, со сплошными стенками.

Для удобства, что позволяет осуществить повторную загрузку, не снимая затравку с механизма перемещения, подвеска гибкой тяги заведена в хомут, соединенный с механизмом перемещения.

При этом узел крепления включает, по крайней мере, три последовательно соединенные гибкие тяги.

В предложенном изобретении регулируемое раскрытие нижней части резервуара осуществляется под воздействием собственного веса материала загрузки при подвижном соединении поддерживающих элементов с гибкими тягами, связанными с механизмом перемещения. Устройство для повторной загрузки перемещают в установке выращивания кристаллов при закрытом днище, которое удерживается в закрытом состоянии с помощью поддерживающих элементов. Если гибкие тяги натянуты, то поддерживающие элементы прижаты к днищу и надежно удерживают днище в закрытом состоянии. Когда устройство для повторной загрузки с помощью механизма перемещения доставлено непосредственно к тиглю, механизм перемещения продолжает опускаться с регулируемой скоростью. При соприкосновении фиксирующего кольца с упором установки выращивания кристаллов происходит остановка движения резервуара, и вследствие того, что механизм перемещения продолжает опускаться, ослабляется натяжение гибких тяг. Это приводит к ослаблению подвижно связанных поддерживающих элементов. В результате днище под воздействием веса загрузки открывается, что позволяет загрузке освободиться.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на Фиг. 1 - загруженное устройство для повторной загрузки тигля вне установки для выращивания монокристаллических слитков;
на Фиг.2 - днище резервуара;
на Фиг. 3 - загруженное устройство для повторной загрузки тигля в установке для выращивания монокристаллических слитков;
на Фиг.4 - устройство для повторной загрузки тигля в установке для выращивания монокристаллических слитков после загрузки тигля.

Как показано на Фиг. 1-4, устройство для повторной загрузки сырья в тигель включает резервуар 1 для загружаемого материала 2, Резервуар 1 снабжен открывающимся днищем, которое может состоять из одной или нескольких частей. В предпочтительном варианте выполнения изобретения открывающееся днище выполнено из двух равных симметричных частей 3 и 4, каждая из которых соединена с резервуаром 1 с помощью петель 5 и 6 соответственно (Фиг.2). В торце резервуара 1 размещены поддерживающие элементы 7 и 8, подвижно связанные с гибкими тягами соответственно 9 и 10. Указанные тяги 9 и 10 проходят по боковой поверхности вдоль прямолинейной образующей резервуара 1, при этом каждая из них проходит с одной из двух противоположных сторон резервуара. Верхний конец каждой из тяг 9 и 10 соединен с одним из концов гибкой тяги 11 непосредственно или через элемент 12. Резервуар 1 снабжен фиксирующим кольцом 13. размещенным снаружи резервуара 1 и жестко связанным с ним, например, с помощью стоек 14 и 15. Гибкая тяга 11 образует над верхним основанием резервуара 1 подвеску, с помощью которой резервуар 1 крепится к механизму перемещения 16. В качестве механизма перемещения 16 используют штатный механизм перемещения затравки 17 и выращенного слитка. Подвеску соединяют с механизмом перемещения 16 непосредственно или через хомут 18. Резервуар 1 может иметь форму прямой призмы, в преимущественном варианте выполнения изобретения резервуар 1 выполнен в виде цилиндра, который может быть сплошным, из тугоплавкого материала, например молибдена или ниобия. При необходимости гибкие тяги 9 и 10 могут быть составными, то есть состоять из нескольких отрезков. Механизм перемещения 16 размещен в установке выращивания монокристаллов, которая состоит из верхней камеры 19, рабочей камеры 20 и устройства для шлюзования (на Фиг.3 не показано). В рабочей камере 20 размещены тигель 21 с расплавом 22, нагреватель 23 и экран 24. В нижней части верхней камеры 19 размещен выступающий элемент 25. В зависимости от конструкции установки для выращивания монокристаллов выступающий элемент 25 может быть размещен в верхней части рабочей камеры 20.

Устройство работает таким образом.

В резервуар 1 устройства для повторной загрузки материала в тигель укладывается загружаемый материал 2 для дозагрузки расплава 22. При необходимости вместе с поликремнием, в качестве которого используют стержни, куски поликремния любой формы, например куски забракованных ранее выращенных слитков, в нижнюю часть резервуара загружают лигатуру. После проведения шлюзования с верхней камеры 19 установки для выращивания монокристаллов выгружают выращенный слиток. В верхней камере установки для выращивания монокристаллов на держатель затравки 17 подвешивают хомут 18, не снимая затравку 17, и в хомут 18 заводят подвеску гибкой тяги 11 резервуара 1 с материалом 2 для дозагрузки тигля 21. Подвеску гибкой тяги 11 можно разместить непосредственно на механизме перемещения 16, но в этом случае держатель затравки и затравку 17 необходимо снять. Гибкая тяга 11 через гибкие тяги 9 и 10 натягивает поддерживающие элементы 7 и 8, которые в таком положении удерживают соответствующие части 3 и 4 днища в закрытом состоянии, В таком состоянии резервуар 1 с загрузкой 2 с помощью механизма перемещения 16 после проведения шлюзования попадает в рабочую камеру 20. Резервуар 1 с загрузкой 2 опускают к тиглю 21, размещенному в средине нагревателя 23 и экрана 24 до тех пор, пока фиксирующее кольцо 13 не придет в соприкосновение с выступающим элементом 25 верхней камеры 19 (Фиг.3). Дальнейшее опускание механизма перемещения 16 приводит к ослаблению натяжения гибкой тяги 11, а также гибких тяг 9 и 10, так как движение резервуара 1 остановлено с помощью фиксирующего кольца 13. Поскольку поддерживающие элементы 7 и 8 подвижно связаны с соответствующей гибкой тягой 9 или 10, при ослаблении натяжения они перестают поддерживать днище в закрытом состоянии. Это приводит к тому, что под действием веса загрузки части днища 3 и 4 открываются. При этом материал 2 попадает в расплав 22 (Фиг.4). Поскольку ослабление тяги 11 контролируется, а также регулируется с помощью механизма перемещения 16, выгрузка материала 2 из резервуара 1 происходит управляемо.

После выгрузки материала резервуар 1 с помощью механизма перемещения 16 поднимают в верхнюю часть рабочей камеры 20 и, после шлюзования, в верхнюю камеру 19 установки для выращивания монокристаллических слитков. В том случае, если после дозагрузки тигля 21 полученного расплава образовалось достаточно для выращивания монокристаллического слитка, хомут 18 вместе с пустым резервуаром 1 выгружают с верхней камеры, проводят ее шлюзование и начинают процесс выращивания монокристалла. В том случае, если после повторной загрузки и плавления загрузки расплава в тигле 21 недостаточно, то повторную загрузку повторяют еще раз.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает регулируемую загрузку материала при повторной загрузке тигля.

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов кремния по методу Чохральского, в частности к устройствам для повторной загрузки материала в тигель, и может быть использовано на установках выращивания монокристаллов кремния, оборудованных шлюзовым устройством для обеспечения полунепрерывного выращивания монокристаллов. Сущность изобретения: устройство включает резервуар, жестко связанный с фиксирующим кольцом, поддерживающие элементы, размещенные в нижнем торце резервуара, и узел крепления резервуара к механизму перемещения, в котором фиксирующее кольцо размещено снаружи резервуара. При этом резервуар снабжен открывающимся днищем, а узел крепления резервуара выполнен в виде последовательно соединенных гибких тяг, проходящих по боковой поверхности вдоль прямолинейной образующей резервуара с двух противоположных его сторон с образованием подвески над верхним основанием резервуара, а нижний конец каждой крайней тяги соединен с возможностью движения с соответствующим поддерживающим элементом. Усовершенствованное устройство для повторной загрузки тигля обеспечивает регулируемую выгрузку материала с резервуара. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для повторной загрузки материала в тигель, включающее резервуар, поддерживающие элементы, размещенные в нижнем торце резервуара, и узел крепления резервуара к механизму перемещения, отличающееся тем, что дополнительно содержит фиксирующее кольцо, размещенное снаружи резервуара и жестко связанное с ним, при этом резервуар снабжен открывающимся днищем, а узел крепления резервуара выполнен в виде последовательно соединенных гибких тяг, проходящих по боковой поверхности вдоль прямолинейной образующей резервуара с двух противоположных его сторон с образованием подвески над верхним основанием резервуара, а нижний конец каждой крайней тяги соединен с возможностью движения с соответствующим поддерживающим элементом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище выполнено из двух частей. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что днище выполнено из двух равных симметричных частей. 4. Устройство по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что резервуар выполнен в виде цилиндра. 5. Устройство по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что резервуар выполнен со сплошными стенками. 6. Устройство по одному из пп. 1-5, отличающееся тем, что подвеска гибкой тяги заведена в хомут, соединенный с механизмом перемещения. 7. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что узел крепления включает, по крайней мере, три последовательно соединенные гибкие тяги.