Нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластинах кремния Российский патент 2025 года по МПК H05B3/00 H01L21/324 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и предназначено для создания однородного поля градиента температуры в пластинах кремния и других полупроводниковых материалах при их легировании методом термомиграции.

Известно нагревательное устройства [Лозовский В.Н., Лунин Л.С, Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1987, 233 с.], в котором плоский нагревательный элемент резистивного типа, выполненный из металлической тугоплавкой проволоки, передает лучистый тепловой поток на расположенную параллельно этому элементу пластину кремния. Недостатком устройства является малый срок службы проволочного нагревательного элемента ввиду его работы в агрессивной атмосфере паров кремния и металла-растворителя зоны.

Известно нагревательное устройство [Patent USA 4075038], в котором используется массивный молибденовый блок, нагреваемый с одной своей стороны электронным лучом. На противоположной стороне блока параллельно ему устанавливается нагреваемая пластина кремния. При этом площадь молибденового блока значительно превышает площадь пластины кремния.

Недостатком этого устройства является сложность управления электронно-лучевым нагревом, высокое энергопотребление, а также ухудшение однородности поля градиента температуры на пластинах кремния диаметром более 50 мм.

Известно нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластине кремния [Патент RLJ 2805459], выбранное в качестве прототипа, содержащее плоский зигзагообразный резистивный нагревательный элемент из графита, с обеих сторон которого симметрично и параллельно нагревательному элементу устанавливаются пластины кремния в кассетах в вертикальном положении.

Недостатками прототипа являются периодические неоднородности поля градиента температуры на пластине кремния, вызванные дискретной поверхностью нагревательного элемента, низкая энергетическая эффективность, связанная с тем, что площадь нагревательного элемента значительно превышает площадь нагреваемой пластины кремния, наличие искажений температурного поля на пластинах кремния вблизи массивных токоподводов, а также подверженность нагревательного элемента воздействию паров кремния и металла-растворителя, снижающий срок его службы.

Задачей изобретения является создание нагревательного устройства для термомиграции, обладающего высокими эксплуатационными свойствами и обеспечивающего в пластинах кремния однородное поле градиента температуры.

Технический результат изобретения заключается в повышении однородности поля градиента температуры в пластинах кремния, а также в повышении надежности и энергетической эффективности нагревательного устройства.

Технический результат изобретения достигается использованием нагревательного устройства для термомиграции жидких зон в пластинах кремния, содержащего графитовый цилиндр, установленный на двух пронизывающих его опорных стержнях, на боковой поверхности которого в средней части с отступом 20-30 мм от торцов намотана нагревательная спираль из тугоплавкой проволоки, при этом графитовый цилиндр охвачен тремя тепловыми цилиндрическими экранами, два из которых покрывают боковую поверхность графитового цилиндра, свободную от нагревательной спирали, а третий экран выполнен многослойным и покрывает всю боковую поверхность графитового цилиндра, пластины кремния расположены вертикально внутри съемных кассет параллельно плоским излучающим торцевым поверхностям графитового цилиндра на расстоянии 1-2 мм от них, причем диаметр графитового цилиндра равен внешнему диаметру кассет и на 10-20 мм больше диаметра пластин кремния, а длина графитового цилиндра составляет 1,5 и более диаметра пластин кремния.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа наличием графитового цилиндра со сплошными торцевыми поверхностями, а также тем, что электронагревательный элемент выполнен из тугоплавкой металлической проволоки и расположен на боковой поверхности графитового цилиндра.

На фиг.1 показан графитовый цилиндр, являющийся основой нагревательного устройства.

На фиг.2 приведен общий вид нагревательного устройства без многослойного экрана.

На фиг.3 показан многослойный тепловой экран.

Графитовый цилиндр 1 содержит два сквозных отверстия 2, в которые вставлены опорные стержни 3 из молибдена. На боковой поверхности графитового цилиндра 1 в двенадцати продольных пазах 4 (на фигуре обозначен один из них) размещены двенадцать диэлектрических стержней 5 из алундовой керамики, имеющих пазы (на фигуре не обозначены). На диэлектрические стержни 5 в средней части графитового цилиндра 1 намотана нагревательная спираль 6 длиной / из тугоплавкой проволоки, витки которой уложены в пазы диэлектрических стержней 5. На концевых участках боковой поверхности графитового цилиндра 1 расположены внутренние тепловые экраны 7 из молибдена (на фигуре показан только один из них). На торцевых поверхностях графитового цилиндра 1 имеются по три отверстия 8 для установки съемных кассет 9 с помощью алундовых шпилек 10. Между съемными кассетами 9 и торцевой поверхностью графитового цилиндра 1 на шпильки 10 установлены прокладки 11 из алунда. Съемные кассеты 9 выполнены в форме плоского кольца, внешний диаметр которого равен диаметру графитового цилиндра 1, а внутренний диаметр - соответствует диаметру используемых пластин кремния 12. Для фиксации пластин кремния 12 внутри съемных кассет 9, последние снабжены двумя неподвижными держателями 13 и одним подвижным держателем 14. Вокруг всей боковой поверхности графитового цилиндра 1, поверх нагревательной спирали 6 и внутренних тепловых экранов 7 установлен многослойный тепловой экран 15 в форме цилиндра из листового молибдена, выполненный в виде двух половин, скрепленных болтовым соединением. В нижней части многослойного теплового экрана 15 имеются два отверстия (на фигуре не показаны) под выводы 16 нагревательной спирали 6.

Рассмотрим работу предложенного нагревательного устройства.

Нагревательное устройство размещается в вакуумной водоохлаждаемой камере с помощью опорных стержней 3, которые закрепляются в стойках на массивной платформе (на фигуре не обозначена) так, как показано на фиг.1. Пластины кремния 12 устанавливаются в отверстия съемных кассет 9 и фиксируются с помощью неподвижных держателей 13 и подвижного держателя 14. Причем внутренний диаметр съемных кассет 9 превышает диаметр пластин кремния 12 на необходимый для установки зазор приблизительно в 1,0 мм. Далее съемные кассеты 9 с пластинами кремния 12 с помощью шпилек 10 и прокладок 11 устанавливают на торцевые поверхности графитового цилиндра 1. Величина зазора между пластиной кремния 12 и торцевой поверхностью графитового цилиндра 1 задается толщиной прокладок 11 и составляет 12 мм. При меньшей величине зазора возникает опасность механического контакта между пластиной кремния 12 и графитовым цилиндром 1 в процессе работы устройства. При большей - происходит ухудшение однородности поля градиента температуры в пластинах кремния 12. После установки съемных кассет 9 с пластинами кремния 12 и вакуумирования рабочей камеры, включают нагрев нагревательной спирали 6. Диэлектрические стержни 5 и пазы, выполненные в них, обеспечивают электрическую изоляцию между нагревательной спиралью 6 и графитовым цилиндром 1 и предотвращают межвитковое замыкание в нагревательной спирали 6.

Диаметр графитового цилиндра 1 превышает диаметр пластин кремния 12 на 10-20 мм. Нижняя граница этого интервала определяется недостаточной механической прочностью кассеты 6 в форме кольца шириной менее 5 мм. Превышение верхней границы приводит к нарушению однородности поля градиента температуры в пластине кремния. Длина графитового цилиндра 1 должна быть не менее полутора диаметров пластин кремния 12. В противном случае длина намотки / нагревательной спирали 6 становится недостаточной для нагрева пластины кремния 12 до рабочей температуры 1300-1600 К, используемой при термомиграции. Увеличивать длину графитового цилиндра 1 до значений, превышающих 1,5 диаметра пластин кремния 12 нецелесообразно по экономическим причинам. Нагревательная спираль 6 намотана только в средней части графитового цилиндра 1 с отступом h=20-30 мм от его торцов. Если осуществить намотку нагревательной спирали 6 ближе, чем 20 мм, к торцам графитового цилиндра 1, то это приведет к перегреву периферии пластины кремния 12 по сравнению с ее центром. При увеличении h до 30 мм и более возникает перегрев центра пластины кремния 12 относительно ее периферии. На концевых участках боковой поверхности графитового цилиндра 1, свободных от намотки нагревательной спирали 6, устанавливаются тепловые экраны 7. Они предотвращают утечки тепла с указанных участков поверхности графитного цилиндра 1 и тем самым способствуют созданию однородного поля градиента температуры в пластинах кремния 12. Энергетическая эффективность нагревательного устройства оказывается высокой за счет того, что большая часть теплового потока с торцевых поверхностей графитового цилиндра 1 поступает на пластины кремния 12. Паразитный же тепловой поток с боковой поверхности предложенного нагревательного устройства эффективно подавляется многослойным тепловым экраном 15. Повышение однородности поля градиента температуры в пластинах кремния, достигается за счет того, что торцевая поверхность графитового цилиндра 1, с которой лучистый тепловой поток передается на пластину кремния 12 является сплошной, а геометрическая форма этой торцевой поверхности излучения совпадает с дисковой формой нагреваемой пластины. Кроме того к повышению однородности поля градиента температуры приводит использование малых расстояний (1-2 мм) между пластинами кремния 12 и излучающими торцевыми поверхностями графитового цилиндра 1. Еще одной причиной, повышающей однородность поля градиента температуры в пластинах кремния 12, является удаленность от них токоподводов (на фигуре не показаны) к нагревательному устройству, расположенных в месте их соединения с выводами 16 нагревательной спирали 6, что исключает искажение температурного поля, вносимого этими токоподводами. Повышение надежности нагревательного устройства достигается благодаря скрытому расположению нагревательной спирали 6, которая в предложенной конструкции нагревательного устройства защищена от воздействия агрессивной среды из паров кремния и металла-растворителя, входящего в состав жидких зон.

Нагревательное устройство успешно прошло испытание в лабораторных условиях. Для экспериментов использовался графитовый цилиндр 1 диаметром 120 мм и длиной 150 мм, выполненный из графита марки МПГ-7. Нагревательная спираль изготовлена из вольфрамовой проволоки диаметром 1,5 мм. Длина намотанной части цилиндра l составляла 100 мм при шаге намотки - 2,5 мм. Общая длина вольфрамовой проволоки, затраченной на изготовление нагревательной спирали 6 составила 20 м. На стандартных пластинах кремния марки КЭФ-4,5/01 ориентации (100) диаметром 100 мм был проведен процесс ТМ системы точечных алюминиевых зон. Процесс термомиграции проводили в вакуумной водоохлаждаемой камере с давлением остаточных газов 5⋅10^-2 Па при температуре процесса 1400 К. Нагревательная спираль 6 в этих условиях имела рабочую температуру 1800 К. В рабочем режиме потребляемая мощность нагревательного устройства составила 6 кВт при токе в 35 А.

Металлографический анализ показал, что отклонение движения системы точечных зон, расположенных равномерно на всей поверхности пластины кремния, от нормального направления не превышал 2°. Это свидетельствует об однородности поля градиента температуры в пластинах кремния. Расчеты, выполненные с помощью компьютерного моделирования в системе Ansys, подтвердили высокую эффективность предложенного нагревательного устройства.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и предназначено для создания однородного поля градиента температуры в пластинах кремния и других полупроводниковых материалах при их легировании методом термомиграции. Технический результат - повышение однородности поля градиента температуры в пластинах кремния, надежности и энергетической эффективности нагревательного устройства. Нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластинах кремния содержит графитовый цилиндр, установленный на двух пронизывающих его опорных стержнях. На боковой поверхности цилиндра в средней части с отступом 20-30 мм от торцов намотана нагревательная спираль из тугоплавкой проволоки, при этом графитовый цилиндр охвачен тремя тепловыми цилиндрическими экранами, два из которых покрывают боковую поверхность графитового цилиндра, свободную от нагревательной спирали, а третий экран выполнен многослойным и покрывает всю боковую поверхность графитового цилиндра. Пластины кремния расположены вертикально внутри съемных кассет параллельно плоским излучающим торцевым поверхностям графитового цилиндра. 3 ил.

Нагревательное устройство для термомиграции жидких зон в пластинах кремния, содержащее графитовый цилиндр, установленный на двух пронизывающих его опорных стержнях, на боковой поверхности которого в средней части с отступом 20-30 мм от торцов намотана нагревательная спираль из тугоплавкой проволоки, при этом графитовый цилиндр охвачен тремя тепловыми цилиндрическими экранами, два из которых покрывают боковую поверхность графитового цилиндра, свободную от нагревательной спирали, а третий экран выполнен многослойным и покрывает всю боковую поверхность графитового цилиндра, пластины кремния расположены вертикально внутри съемных кассет параллельно плоским излучающим торцевым поверхностям графитового цилиндра на расстоянии 1-2 мм от них, причем диаметр графитового цилиндра равен внешнему диаметру кассет и на 10-20 мм больше диаметра пластин кремния, а длина графитового цилиндра составляет 1,5 и более диаметра пластин кремния.