¡Quién sabe cómo operar un horno de extracción de cristales! !
Palabras clave: método de Czochralski; monocristal de gran diámetro; estabilidad al vacío; control del flujo de aire
1 Introducción
El rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores ha impulsado el monocristal de silicio. La tecnología de crecimiento se está desarrollando hacia diámetros mayores. En la actualidad, la producción a gran escala de monocristales Czochralski de gran diámetro acaba de comenzar en mi país y muchas tecnologías aún se encuentran en la etapa de exploración. El crecimiento de monocristales de gran diámetro y libres de dislocaciones requiere un entorno de crecimiento altamente estable. Esto hace que algunos factores que destruyen la estabilidad del crecimiento del monocristal tengan poco impacto en el crecimiento original de los monocristales de pequeño diámetro, pero tienen efectos cada vez más negativos sobre el crecimiento de los monocristales de gran diámetro.
Durante el proceso de crecimiento del monocristal de Czochralski, el flujo de aire en el horno pasa a través del área de crecimiento del monocristal de arriba a abajo, eliminando el óxido de silicio y las impurezas volátiles generadas a alta temperatura de manera oportuna. Por lo tanto, mantener la estabilidad del valor de vacío en el horno monocristalino sin verse afectado por factores externos, al mismo tiempo que se permite que el gas protector tenga una dirección de flujo razonable y elimine rápidamente las impurezas, se ha convertido en un método importante para mejorar el equipo y mejorar la cristalización en el campo de la fabricación de materiales semiconductores es una cuestión importante de eficiencia.
2 Control de estabilidad del grado de vacío
Se inyecta gas argón de alta pureza desde la parte superior del horno monocristalino y el gas se extrae desde la parte inferior mediante una bomba de vacío. El valor del vacío en el horno mantiene el equilibrio dinámico (generalmente alrededor de 20 Torr). Sin embargo, debido a diversos factores externos, este equilibrio a menudo se destruye, provocando que el valor del vacío cambie dentro de un amplio rango, especialmente en el crecimiento de monocristales de gran diámetro.
2.1 Factores que afectan la inestabilidad del vacío
En primer lugar, en los equipos generales, el flujo de entrada de gas argón se controla mediante un rotámetro. Los rotámetros controlan el flujo de gas cambiando el tamaño de los orificios de ventilación. Su desventaja es que el caudal de aire cambia necesariamente con los cambios en la presión de entrada. En la producción real, la presión de la fuente de gas inevitablemente se verá afectada por la temperatura ambiente y la cantidad de gas argón en el tanque de almacenamiento.
En segundo lugar, la bomba de vacío es un equipo eléctrico para aspirar. Durante el proceso de extracción de cristales, las impurezas y el óxido de silicio volatilizados debido a la alta temperatura en el horno serán absorbidos por el aceite de la bomba de vacío y mezclados con el aceite de la bomba. A medida que aumenta el tiempo de trabajo, la viscosidad del aceite de la bomba de vacío seguirá aumentando, lo que dará como resultado una disminución en la eficiencia de la bomba de vacío. Hasta cierto punto, el aceite de la bomba de vacío debe sustituirse periódicamente. Además, la temperatura del aceite de la bomba de vacío también es un factor que afecta la eficiencia de la bomba de vacío.
2.2 Plan de mejora
Para abordar los dos problemas mencionados anteriormente, comenzamos con el sistema de admisión de aire de argón. Para garantizar una velocidad de entrada constante, utilizamos un controlador de flujo másico (MFC) en lugar de un rotámetro. Los controladores de flujo másico pueden medir y controlar con precisión el flujo de gas y su tecnología de medición se basa en una patente estadounidense (patentes estadounidenses números 4.464.932 y 4.679.585). El controlador de flujo másico detecta el "flujo másico" del gas, que sólo se ve afectado por las tres características del propio gas (capacidad calorífica, densidad y estructura molecular). Para un determinado gas, se determinan los tres parámetros anteriores. Por lo tanto, la precisión de la medición del MFC no se ve afectada por factores externos como la temperatura y la presión del gas. La precisión del control puede ser superior a 65438±0,0 en el rango de 20~20~200SLPM y el tiempo de respuesta es inferior a 2 s.
En segundo lugar, considere el control de la velocidad de aspiración. Agregamos una válvula de mariposa paso a paso a la tubería entre el horno monocristalino y la bomba de vacío. El propósito de utilizar una válvula de mariposa escalonada es ajustar la velocidad de aspiración cambiando la apertura del canal de bombeo de aire. Este es un sistema de control de circuito cerrado. La presión de vacío en el horno se detecta en tiempo real a través de un vacuómetro digital y el valor de vacío se compara con el valor de vacío establecido. Cuando el valor de vacío en el horno sea alto, abra gradualmente la válvula de mariposa escalonada, aumente la velocidad de bombeo y reduzca el valor de vacío al valor establecido. Por otro lado, si el valor de vacío en el horno es bajo, cierre la válvula de mariposa escalonada para reducir la velocidad de bombeo. Usando un sistema de circuito cerrado de este tipo, el valor de vacío en el horno monocristal puede ser muy estable y evitar interferencias de factores externos.
3 Control óptimo del flujo de aire
Durante el proceso de crecimiento del monocristal, los objetos en el horno, como los fundidos de silicio y los crisoles, producirán una gran cantidad de óxido de silicio (compuesto principalmente de SiO ) debido a las altas temperaturas. La composición también contiene una pequeña cantidad de SiO_2 (humo amarillo), impurezas volátiles y gases volátiles. Estas partículas de gas y polvo flotan alrededor de la interfaz de crecimiento del monocristal. Cuando se reduce el caudal de gas argón, se puede ver claramente el humo espeso que se eleva sobre el silicio fundido, comúnmente conocido como "humo". El gas argón pasa a través del área de crecimiento del monocristal de arriba a abajo, eliminando las impurezas de gas y polvo. A veces, las partículas de monóxido de silicio pueden ser adsorbidas en la interfaz de crecimiento del monocristal, lo que provoca que se disloque la orientación del cristal atómico del monocristal en crecimiento, lo que provoca que el monocristal no crezca, lo que comúnmente se conoce como "rotura de yemas", y reduce la tasa de cristalización.
Debido al gran diámetro del monocristal, se requiere una mayor cantidad de polisilicio y se utiliza un crisol de mayor diámetro. Naturalmente, cuando crecen monocristales de gran diámetro, se producen más impurezas de gas y polvo, lo que aumenta la probabilidad de dislocaciones. Por lo tanto, los monocristales de gran diámetro requieren una eliminación más rápida de las impurezas de gas y polvo.
3.1 Modificación de la entrada de aire
Para eliminar el polvo de gas volátil lo más rápido posible, el caudal de gas argón debe ser lo suficientemente grande. El caudal de gas argón para monocristales de gran diámetro es generalmente de 60-100 SLPM. Especialmente para monocristales fuertemente dopados que son difíciles de cristalizar, se requiere un gran caudal de gas argón debido a la gran cantidad de dopaje y la abundancia de volátiles. Vale la pena señalar que el flujo atmosférico producirá un flujo de aire de alta velocidad en la entrada de aire superior del horno y formará vórtices de flujo de aire irregulares alrededor del flujo de aire. Durante el proceso de extracción del cristal, el monocristal se suspende del cable de acero en forma de un eje flexible. El flujo de aire de alta velocidad estallará en un torbellino, lo que hará que el cable de acero y el monocristal se balanceen hacia adelante y hacia atrás y se vuelvan inestables. , lo que aumenta en gran medida las posibilidades de dislocación y fractura del monocristal.
Para evitar esto, mejoramos la forma de la entrada de argón. La entrada de aire mejorada se asemeja a un cabezal de ducha en forma de anillo. La entrada de aire original se ha cambiado a múltiples entradas de aire con microorificios y la dirección del flujo de aire diverge hacia afuera. De esta manera, la apertura total de la entrada de aire permanece sin cambios, asegurando un mayor volumen de entrada de aire y haciendo que el flujo de aire sea relativamente suave y disperso.
3.2 Dirección razonable del flujo de aire
Un volumen de aire alto no significa que el efecto de eliminación de partículas de polvo sea bueno. La dirección razonable del flujo de aire es el factor más importante. Cuando el gas argón pasa a través del área de crecimiento del monocristal, dado que el nivel del líquido fundido de silicio es más bajo que el borde superior del crisol y la superficie fundida es cóncava hacia el crisol, la mayor parte del flujo de aire fluirá directamente desde el exterior del crisol. pared a la parte inferior del cuerpo del horno, y solo una pequeña cantidad de flujo de aire ingresará al crisol, la eficiencia de eliminar gas, polvo e impurezas se reduce naturalmente. Esta situación es más grave cuando la masa fundida en el crisol es poco profunda. Para evitar esta situación, al extraer monocristales de gran diámetro y alta calidad, se utiliza la tecnología de campana guía de gas para hacer que el gas fluya razonablemente en el cuerpo del horno y eliminar las impurezas del polvo de gas de manera más efectiva.
El uso de campana de guía de aire es muy importante para el crecimiento de monocristales de gran diámetro. Las campanas de aire pueden orientarse hacia el flujo de aire y venir en diferentes formas y diseños para lograr diferentes funciones. Esta es una cubierta de aire básica. Primero, el gas argón ingresa al área de crecimiento del monocristal hacia abajo y el flujo de aire se introduce directamente en el crisol a través de la cubierta cilíndrica de la guía de aire. El borde inferior de la cubierta de la guía de aire penetra en el crisol y actúa directamente sobre el gas y el polvo. impurezas cerca de la superficie de crecimiento del monocristal. Luego, debido al efecto guía de la pared interior del crisol, el gas se difunde sobre la superficie de la masa fundida, asciende con la pared interior del crisol y finalmente fluye desde el exterior del crisol hacia la parte inferior del horno. cuerpo.
4 Conclusión
Entre las medidas de mejora introducidas anteriormente, el uso y el diseño de la campana de guía de aire son cruciales para el crecimiento de monocristales de gran diámetro, lo que puede mejorar en gran medida la cristalización. tasa de crecimiento del monocristal. Dado que la producción de monocristales de gran diámetro acaba de comenzar en mi país, la investigación sobre cubiertas de guías de gas aún está en sus inicios. En el extranjero, las campanas de conducción de aire se han utilizado ampliamente para el crecimiento de monocristales de gran diámetro. La madurez de un conjunto de cubiertas de guías de aire requiere que las empresas de fabricación de materiales semiconductores dediquen mucho tiempo y dinero a pruebas y mejoras repetidas. Por lo tanto, las principales empresas de semiconductores tienen sus propias tecnologías patentadas para el desarrollo de la tecnología de cubierta de guía de aire, que se mantienen en secreto entre sí y generalmente se niegan a visitarse y comunicarse. Por este motivo, este artículo sólo proporciona un análisis teórico de la tecnología de deflectores de viento.
Hay muchos factores a considerar en el diseño de la campana de guía de aire, como el impacto de la campana de guía de aire en los indicadores de calidad, como el contenido de oxígeno monocristalino y el contenido de carbono, el espacio adecuado entre el aire; campana guía y los objetos en el horno; cómo Reparación e instalación; el impacto en el campo de visión de la ventana de observación principal y el equipo de detección del diámetro de la ventana de observación después de la instalación también se utiliza junto con el anillo de guía de aire instalado encima de la calentador para lograr mejores resultados, etc. Con el avance de la tecnología nacional de crecimiento de monocristales de gran diámetro, es de gran importancia estudiar y explorar estos aspectos.