СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ КВАРЦЕВОГО ТИГЛЯ Российский патент 2014 года по МПК C30B15/10 C30B29/06 

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского.

Для предотвращения разрушения кварцевого тигля на его внутренние стенки наносят защитное покрытие, которое позволяет повысить термическую стабильность тигля и снижает количество выделяемых в расплав примесей.

Известен способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля, предусматривающий нанесение слоя, включающего зерна синтетического кристаллического кварца, образованного аморфным слоем (PR 2461028, 30.01.1981). В данном способе создание слоя аморфного кварца на внутренней поверхности тигля происходит поверх слоя синтетического кварца, который, в свою очередь, находится на внешнем слое из природного кварца.

Недостатком данного способа является необходимость использования синтетического кварца, а также необходимость использования специального оборудования для создания слоя аморфного кварца на внутренней поверхности тигля, что делает данный способ сложным и дорогим.

Наиболее близким по сущности и достигаемым результатам является способ формирования защитного покрытия на внутренней поверхности кварцевого тигля (патент РФ №2328562, 10.07.2008), включающий обработку внутренней поверхности тигля рабочим раствором, содержащим соль бария с последующей термообработкой, рабочий раствор содержит: в качестве соли бария ацетат бария, концентрированную уксусную кислоту и диэтиловый эфир при массовом соотношении компонентов, соответственно, 1:11:18. Рабочий раствор получают, предварительно приготовив промежуточный раствор ацетата бария в уксусной кислоте, который затем смешивают с диэтиловым эфиром. Термообработку осуществляют в два этапа, на первом из которых тигель нагревают до температуры 430-470°C и выдерживают в течение 1 ч при данной температуре, а на втором этапе нагревают до температуры 630-670°C и выдерживают при данной температуре в течение 1 ч.

Недостаток данного способа состоит в сложности осуществления процесса и использования дополнительных компонентов.

Задачей изобретения является упрощение процесса получения покрытия.

Решение поставленной задачи достигается тем, что покрытие образуется в результате взаимодействия газов H₂, CO и H₂O при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18 со стенками тигля при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа. После чего тигель проходит термообработку при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия.

При получении защитного покрытия из аморфного диоксида кремния по предлагаемому способу водород и монооксид углерода восстанавливают диоксид кремния тигля при температуре выше 1150°C до газообразного монооксида кремния:

$$2Si{O}_2+H_2+CO=2Si{O}_{\left(г\right)}+H_{2}O+C{O}_2\left(1\right)$$

Наличие водорода в реакции (1) снижает температуру начала реакции (1) по сравнению с тем, если бы в качестве восстановителя использовался монооксид углерода.

Полученный газообразный монооксид кремния, взаимодействуя с кислородом паров воды, образует диоксид кремния, который осаждается на поверхность тигля в виде аморфного диоксида кремния:

$$Si{O}_{\left(г\right)}+H_{2}O=Si{O}_2+H_2.\left(2\right)$$

Следует отметить, что при отгонке SiO_2(T) в SiO_(г) происходит очистка от примесей и в полученном продукте суммарная доля примесей не превышает 8*10^-4 мас.%.

Однако, повышая температуру практически одновременно протекающих реакций 1 и 2 свыше 1200°С увеличивается вероятность появления в продуктах реакции SiO.

Полученный диоксид кремния образуется при температурах (не более 1200°С) значительно ниже температуры плавления SiO₂, что предотвращает коагуляцию получаемых частиц SiO₂ и способствует получению мелкодисперсных частиц, а практически полное отсутствие интервала перехода SiO_(г)→SiO_2(T) делает возможным получение аморфных частиц. Время обработки смесью газов 1 час позволяет получить необходимую толщину покрытия (около 200 мкм).

При термообработке тигля при температуре ниже 1150°C диоксид кремния может подвергаться обратному гидролизу. Термообработка тигля при температурах выше 1200°C приводит к образованию кристаллов кристобалита. При времени термообработки больше 1 часа начинает образовываться кристаллическая фаза. Наличие атмосферы воздуха при термообработке исключает наличие углеродистых соединений.

Для получения покрытия из аморфного диоксида кремния по заявляемому способу использовали установку (см. чертеж). Печь 1 с установленным в ней кварцевым тиглем 2, закрытым кварцевой крышкой 3, нагревали до требуемой температуры и предварительно продували инертным газом для удаления воздуха через алундовую трубку 4. После чего смесь газов H₂, CO и H₂O (вода в парообразном состоянии) при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18 подают через алундовую трубку 4 в кварцевый тигель, где проходят реакции (1) и (2). Печь 1 снабжена термопарой 5 и тиристорным регулятором температуры 6. По истечении времени 1 час продувку тигля газом прекращали, кышку тигля снимали и проводили его термообработку.

Пример 1. Предварительно очищенный известными способами кварцевый тигель 2 устанавливали в печь 1 (см. чертеж), закрывали крышкой 3 с вставленной в нее алундовой трубкой 4, после чего нагревали до 1150°C и предварительно продували аргоном. После чего смесь газов H₂, COи H₂O при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18 подавалась через алундовую трубку 4 в кварцевый тигель, которые взаимодействовали с внутренними стенками тигля при температуре 1150°C в течение 1 часа. По истечении указанного времени с тигля снимали крышку 3 и тигель проходил термообработку при температуре 1150°C в течение 1 часа в атмосфере воздуха. Толщина наносимого таким способом покрытия составляет 150-200 мкм. Получаемая пленка имеет однородную поверхность без дефектов роста.

Пример 2. Аналогичным способом, как в примере 1, осуществляется процесс нанесения покрытия диоксида кремния на внутреннюю поверхность кварцевого тигля, в который подают газы H₂, CO, H₂O при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18, при температуре 1200°C. Термообработку проводят, как и в примере 1 при 1200°C в течение 1 часа. Получают пленку диоксида кремния на внутренней поверхности кварцевого тигля толщиной 200 нм без дефектов роста.

Приведенные примеры не ограничивают возможность осуществления нового способа при других температурах осаждения, но в заявляемом интервале 1150-1200°C он наиболее эффективен.

Новый способ позволяет получать покрытие диоксида кремния толщиной 150-200 мкм, имеющее однородную поверхность без дефектов роста на внутренней поверхности кварцевых тиглей. Кроме того, новый способ технологичен, прост в аппаратурном оформлении, не требует значительных затрат энергии.

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского. Защитное покрытие на внутреннюю поверхность кварцевого тигля наносят путем обработки внутренней поверхности тигля смесью газов H₂, CO и H₂O при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18 при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа, после чего тигель подвергают термообработке при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия. Изобретение позволяет получать покрытие диоксида кремния толщиной 150-200 мкм, имеющее однородную поверхность без дефектов роста на внутренней поверхности кварцевых тиглей. Кроме того, способ технологичен, прост в аппаратурном оформлении и не требует значительных затрат энергии. 1 ил., 2 пр.

Способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля путем обработки его внутренней поверхности с последующей термообработкой, отличающийся тем, что обрабатывают внутреннюю поверхность тигля смесью газов H₂, CO и H₂O при массовом соотношении компонентов, соответственно, 2:28:18 при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа, после чего тигель подвергают термообработке при температуре 1150-1200°C в течение 1 часа в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия.