Аналіз впливу теплових умов на структурну досконалість монокристалів кремнію і розробка теплового вузла для вирощування бездефектних зливків у промислових умовах
Визначення впливу теплових умов на розподіл щільності мікродефектів і нерівномірність розподілу кисню по довжині монокристалів кремнію. Аналіз конструкції теплового вузла, що забезпечує формування теплових умов для вирощування монокристалів кремнію.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 29.01.2016 |
| Размер файла | 53,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ, ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І УПРАВЛІННЯ
УДК 669.162.238+661.68
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Аналіз впливу теплових умов на структурну досконалість монокристалів кремнію і розробка теплового вузла для вирощування бездефектних зливків у промислових умовах
Спеціальність 05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки
Вашерук Олександр Васильович
Кременчук - 2006
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Оксанич Анатолій Петрович, Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, завідувач кафедри комп'ютеризованих систем автоматики.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Стороженко Володимир Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізики;
кандидат технічних наук, доцент Орел Володимир Іванович, Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, завідувач кафедри електронного матеріалознавства, електротехнічних та комп'ютеризованих систем.
Провідна установа - науково-виробниче підприємство “Карат”, м. Львів.
Захист відбудеться “26” травня 2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К45.124.01 при Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37, аудит. 1301.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37.
Автореферат розісланий “21” квітня 2006р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Е. Притчин.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Розв'язання проблеми підвищення якості монокристалів кремнію вважається однією з першочергових задач розвитку технології напівпровідникової електроніки. За рахунок підвищення структурної досконалості монокристалів кремнію можуть бути задоволені потреби сучасного напівпровідникового приладобудування: збільшення ступеня інтеграції, зменшення допусків на параметри мікросхем, підвищення виходу якісних напівпровідникових приладів.
Значна частина монокристалів кремнію для напівпровідникового виробництва вирощується методом Чохральського. Використання методу Чохральського зумовлене можливістю реалізації підвищених вимог до структурної досконалості і збільшення розмірів вирощуваних монокристалів. Збільшення діаметру вирощуваних монокристалів кремнію при незмінному тепловому вузлі викликає порушення теплового балансу на границі поділу розплав - кристал в ростовій системі, що призводить до порушення структурної досконалості вирощуваного монокристалу. На структурну досконалість монокристалів кремнію впливає температурне поле в монокристалі, яке пов'язане з температурним полем в розплаві і з характером тепловідводу від монокристалу.
Аналізуючи механізми формування структурної досконалості у вирощуваних монокристалах кремнію, можна зробити висновок, що вони зумовлені, головним чином, наступними чинниками: недосконалістю конструкції теплового вузла промислового ростового устаткування; нестабільністю швидкості кристалізації через коливання температури в розплаві; інтенсивністю конвективних потоків в розплаві. В основному формування структурних неоднорідностей у вирощуваному монокристалі кремнію викликане тепловими умовами, несиметричністю теплового поля і коливаннями швидкості переміщення монокристалу відносно теплового вузла. Тому проблема формування теплових умов в зоні росту протягом всього часу існування технології вирощування монокристалів була і залишається вельми актуальною.
Розподіл теплового потоку в ростовій установці і вирощуваному монокристалі суттєво залежить від маси завантаженої шихти, форми і розмірів тигля, способу нагріву, системи екранування.
Визначальну роль у формуванні структурно досконалих монокристалів кремнію відіграють процеси тепломасопереносу. Дослідження цих процесів до останнього часу провадилося в основному експериментальними методами. Проте сучасні вимоги до властивостей і якості вирощуваних монокристалів кремнію призводять до ускладнення експериментальних досліджень, їх зростаючої вартості і трудомісткості.
В цих умовах перспективним є визначення параметрів процесу вирощування монокристалів кремнію, що дозволяють отримати структурно досконалі монокристали за допомогою математичного моделювання процесів теплообміну, утворення мікродефектів і розподілу кисню.
Задача визначення теплових умов, які дозволять вирощувати промислово повторювані монокристали кремнію діаметром 200 мм з розподілом щільністі мікродефектів, що не перевищує 5 деф.см-2 і нерівномірністю розподілу кисню по довжині зливка не більше є актуальною як з наукової, так і з практичної точок зору.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася автором на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління (КУЕІТУ) відповідно до міжвідомчої науково-технічної програми “Нанофізика і наноелектроніка”, науково-технічної програми “Електроніка - 2005” і пов'язана з реалізацією наступних науково-дослідних робіт:
госпдоговірною НДОКР “Автоматизована система управління процесом вирощування монокристалів кремнію методом Чохральського АСУ “Кремінь”, госпдоговір 4/20 ВП від 30.08.2002 р., замовник - ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”;
госпдоговірною НДР “Розробка стійки управління процесом вирощування монокристалів кремнію по методу Чохральского”, госпдоговір 2/02 ВП від 12.12.2002 р., замовник - ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”;
НДР “Розробка способів і методів експрес-контролю структурної недосконалості в зливках монокристалічного кремнію і арсеніду галію”, державний реєстраційний номер 0106V000055;
НДР “Дослідження впливу процесів тепломасопереносу на електрофізичні і структурні властивості монокристалічного кремнію і арсеніду галію в процесі їх вирощування”, державний реєстраційний номер 0106V000056.
Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - визначення теплових умов ростової системи, що дозволяють вирощувати бездефектні монокристали кремнію діаметром 200 мм, і їх реалізація шляхом розробки теплового вузла з науково обґрунтованою геометрією.
Досягнення поставленої мети забезпечується розв'язанням наступних задач:
1. Дослідження механізму формування теплових умов в ростовій установці Редмет-30М при вирощуванні монокристалів кремнію діаметром 200 мм.
2. Визначення впливу теплових умов на розподіл щільності мікродефектів і нерівномірність розподілу кисню по довжині монокристалів кремнію.
3. Аналіз впливу геометрії теплового вузла, його конструкційних матеріалів і їх властивостей на формування теплових умов в ростовій системі.
4. Розробка моделі формування теплових умов, що забезпечує можливість визначення технологічних параметрів процесу вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм з розподілом щільності мікродефектів, що не перевищує Nd=5 деф.см-2, і нерівномірністю розподілу кисню по довжині монокристала, що не перевищує .
5. Розробка конструкції теплового вузла, що забезпечує формування теплових умов для вирощування монокристалів кремнію з вказаними вище параметрами.
Об'єкт дослідження - ростова система вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм.
Предмет дослідження - механізм формування теплових умов вирощування монокристалів кремнію, що забезпечує їх структурну досконалість.
Методи досліджень. Виконані дослідження базувалися на фундаментальних положеннях теорії росту кристалів напівпровідників з розплаву, теорії тепломасопереносу, математичного моделювання, комп'ютерних технологій, аналізу даних експериментальних результатів відомих фахівців в даній області.
В дослідженнях використовувалися методи:
- оптичний метод (ІЧ - спектроскопія) для дослідження вмісту кисню;
- метод селективного травлення і світлової мікроскопії для контролю розподілу щільності мікродефектів;
- обчислювальні методи розв'язання систем диференціальних рівнянь;
- методи математичної статистики для обробки експериментальних даних.
Дослідження проводилися з використанням телевізійної і комп'ютерної техніки. Роботи проводилися на базі вимірювальної лабораторії ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”.
Наукова новизна отриманих результатів. В процесі розв'язання поставлених задач автором отримані наступні наукові результати:
Вперше запропонована, розроблена і реалізована модель, що пов'язує теплові умови з формуванням мікродефектів і захватом кисню кремнієм. На основі цієї моделі проведені параметричні дослідження і отримані нові результати, що визначають закономірності впливу теплових екранів і властивостей конструкційних матеріалів на нерівномірність розподілу кисню і розподілу щільності мікродефектів в монокристалі кремнію.
Визначена система теплових екранів і кутові коефіцієнти випромінювання поверхонь в зоні теплового вузла.
Уточнено значення усередненого осьового градієнта =524 К/см і температури фронту кристалізації TL=16852 К при швидкості вирощуванні 1,1 мм/хв, які дозволяють вирощувати відповідно технічним умовам бездефектні монокристали кремнію діаметром 200 мм методом Чохральського в ростовій установці Редмет 30М.
Розвинута теорія захвату кисню при вирощуванні монокристалів кремнію великого діаметру з урахуванням впливу властивостей конструкційних матеріалів і геометрії ростової установки.
Уточнено значення критерійного параметра о = , де Vs - швидкість вирощування, GL -осьовий градієнт температури в розплаві, який визначає розподіл щільності мікродефектів, що не перевищує 5 деф·см-2, і нерівномірність розподілу кисню по довжині монокристала, що не перевищує .
Практичне значення отриманих результатів. Встановлені значення осьового градієнта, кутових коефіцієнтів і критерійного параметру ростової установки “Редмет-30М” дозволили розробити тепловий вузол, який забезпечує можливість вирощування структурно досконалих монокристалів кремнію діаметром 200 мм при споживаній потужності ростової установки 65 кВт. Розроблений тепловий вузол забезпечує більш рівномірний розподіл температур в зоні росту монокристалу. Даний вузол впроваджений в промислову експлуатацію на установках “Редмет-30М” ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали” (акт про впровадження від 15.12. 2005 р.). Економічний ефект від впровадження склав 65 тис. грн. на рік.
Розроблено, метрологічно атестовано і впроваджено автоматизований пристрій “Мікродефект” визначення щільності мікродефектів, що дозволяє визначати щільність мікродефектів по всій площі пластини монокристалу кремнію (акт про впровадження від 20.04. 2006 р.).
Окремі результати, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі при вивченні дисципліни “Математичне моделювання процесів і систем” і “Комп'ютерні методи досліджень та аналізу даних” на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління (акт про впровадження від 22.09. 2005 р.).
Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики КУЕІТУ. Основні результати, які отримані в роботі, належать особисто автору і повністю опубліковані в літературі [1..11].
В роботах, виконаних у співавторстві, особисто Вашеруку О. В. належать наступні наукові результати:
В роботі [2] - особисто автору належить аналіз впливу теплових умов на вирощування бездефектних зливків кремнію великого діаметру.
В роботі [3] - особисто автору належить отримана залежність розподілу температури в області фронту кристалізації від положення теплових екранів.
В роботі [4] - особисто автору належить аналітична залежність між тепловим потоком, зумовленим випромінюванням, і геометричними параметрами системи теплового вузла.
В роботі [5] - особисто автору належить метод визначення осьового градієнта в розплаві і усередненого градієнта температури в монокристалах кремнію в процесі вирощування.
В роботі [6] - особисто автору належить вдосконалений спосіб визначення концентрації домішок кисню в монокристалах кремнію.
В роботі [7] - особисто автором визначена математична модель, що пов'язує геометричні розміри вирощуваного зливка і технологічні параметри процесу вирощування з концентрацією кисню вздовж осі монокристала кремнію.
В роботі [8] - особисто автором визначено вплив теплових екранів на формування теплових умов в ростовій установці.
В роботі [9] - особисто автору належить розробка математичної моделі, що пов'язує варіації діаметру монокристалу кремнію, швидкості вирощування і температури розплаву з розподілом мікродефектів.
В роботі [10] - особисто автору належить аналітична залежність, що пов'язує теплові умови процесу вирощування зливків кремнію діаметром 200 мм і результати експериментального визначення розподілу температури вздовж осі зливка при різних системах екранування.
В роботі [11] - особисто автору належить метод визначення щільності мікродефектів і розроблена ним автоматизована система “Мікродефект”.
Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на:
- Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми математичного моделювання сучасних технологій (ПММ-2002)” (м. Хмельницький, Україна, 2002 р.);
- Міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої і системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, Україна, 2003 р.);
- Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні засоби автоматизації і комп'ютерно-інтегровані технології” (м. Луганськ, Україна, 2003 р.);
- 1-й науково-технічній конференції з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки і сучасні інформаційні технології” (МЕТІТ - 1) (м. Кременчук, Україна, 2004 р.);
- II Українській науковій конференції “Фізика напівпровідників” (з участю зарубіжних вчених) (Чернівці - Вінниця, Україна, 2004 р.);
- 10-й Ювілейній міжнародній науковій конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації” (Харків - Туапсе, 2004 р.);
- Міжвузівській науково-технічній конференції молодих вчених і студентів “Інформаційні технології в економічних і технічних системах” (ІТЕТС -2005) (м. Кременчук, Україна, 2005 р.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 11 друкованих працях у виданнях, затверджених ВАК України.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить 134 стор. основного тексту, 59 рисунків, 11 таблиць, перелік використаних джерел з 77 найменувань, додатки наведені на 3 сторінках.
Основний зміст роботи
У вступі показана актуальність роботи і сформульовані основні задачі дослідження. Визначена її наукова новизна, практична цінність і наведені результати апробації.
В першому розділі представлені результати літературного огляду за темою дисертації. Аналізуються процеси тепломасопереносу при вирощуванні структурно досконалих зливків кремнію, виконаний огляд робіт по моделюванню процесів вирощування монокристалів кремнію методом Чохральського. Розглянуто ряд робіт, які описують експериментальні дослідження процесів тепломасопереносу в ростових установках. Показана актуальність проведення дослідження з врахуванням параметрів технологічного процесу вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм. Відзначені труднощі у визначенні умов теплообміну залежно від геометрії ростової системи. Як випливає з огляду, визначальним чинником, що впливає на формування теплового поля в тепловому вузлі, є параметри ростової установки: швидкість кристалізації, потужність нагрівача, діаметр тигля, швидкість обертання тигля і зливка, які формують температурні градієнти. Конструкція екранування теплового вузла при вирощуванні монокристалів кремнію визначається необхідними осьовими і радіальними градієнтами температури, температурою розплаву і швидкістю вирощування.
Вивчення ростових мікродефектів дає дуже цінну інформацію про природу і поведінку структурних дефектів в кремнії при високих температурах. тепловий мікродефект монокристал кремній
Присутність кисню у вузлах кремнієвих кристалічних ґраток призводить до появи донорних центрів, а міжвузельний кисень збільшує границю плинності кремнію. Крім того, наявність кисню викликає утворення дефектів за рахунок преципітації (з'являється фаза SiO2). Відзначені труднощі у визначенні щільності структурних дефектів і розподілу кисню в процесі вирощування монокристалів кремнію.
Другий розділ присвячено розв'язанню задачі розробки моделі теплообміну в зоні росту монокристалу кремнію і розробці методики і пристрою визначення щільності розподілу мікродефектів. При формуванні моделі розглядався теплообмін теплопровідністю, конвективний теплообмін і теплообмін випромінюванням в зоні теплового вузла. Особлива увага приділялася теплообміну випромінюванням і розробці системи визначення щільності мікродефектів по площі пластини монокристалу.
Експериментально визначено і теоретично підтверджено, що зміна теплового поля зливку і градієнта температури виявляються залежними від системи екранування.
Для системи теплових екранів теплового вузла, що складається з восьми випромінюючих зон, визначені кутові коефіцієнти випромінювання.
Кутові коефіцієнти в ростовій системі дозволяють отримати інформацію про теплообмін монокристалу з оточуючими його екранами і розплавом. Для визначення теплових потоків від кожної поверхні, що бере участь в теплообміні, необхідно визначити її температуру і теплофізичні параметри.
Кутові коефіцієнти випромінювання ki визначали, використовуючи закон Ламберта. Результати розрахунку наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 Кутові коефіцієнти для теплового вузла
|
i |
k |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,18 |
0,15 |
0,25 |
0,45 |
|
|
2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,33 |
|
|
3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,35 |
0,25 |
0,2 |
0,24 |
|
|
4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,46 |
0,25 |
0,18 |
0,2 |
|
|
5 |
0,08 |
0,01 |
0,015 |
0,012 |
0 |
0,3 |
0,19 |
0,5 |
|
|
6 |
0,01 |
0,012 |
0,015 |
0,015 |
0,42 |
0 |
0,12 |
0,3 |
|
|
7 |
0,012 |
0,015 |
0,12 |
0,01 |
0,3 |
0,11 |
0 |
0,4 |
|
|
8 |
0,0125 |
0,0155 |
0,01 |
0,008 |
0,5 |
0,2 |
0,3 |
0 |
Тепловий потік і температура поверхонь екранів дають змогу визначити коефіцієнти тепловіддачі.
За визначеним ефективним випромінюванням поверхні теплових екранів результуючий тепловий потік визначений як
,(1)
;(2)
Qci - власне випромінювання поверхні i, ri=1-i i - випромінювальна здатність i-ої поверхні; ki--кутовий коефіцієнт поверхні i відносно поверхні k.
Встановлено, що кутовий коефіцієнт випромінювання елементарної поверхні залежить від геометричних параметрів ростової системи.
Розроблена математична модель, умовно названа “Свірл”, для визначення концентрації мікродефектів і нерівномірності розподілу кисню в монокристалах кремнію в процесі росту монокристалів з урахуванням властивостей конструкційних матеріалів і геометричних параметрів ростової системи. Основні рівняння виникнення мікродефектів в зливку кремнію представлені у вигляді рівноважних концентрацій міжвузельних атомів і концентрацій вакансій
(3)
(4)
де - ентальпія утворення міжвузельних атомів і вакансій відповідно; - концентрація дефектів міжвузельних атомів і вакансій; z - відстань від фронту кристалізації;
- стала Больцмана; Тпл - температура кристалізації; Lk - питома теплота кристалізації;
s - густина кремнію в твердому стані; S - коефіцієнт теплопровідності кремнію в твердому стані; G - поверхневий натяг; qг - гравітаційна стала; - кут між вертикаллю і дотичною до профілю меніска; - глибина занурення термопари; L - теплопровідність кремнію в рідкому стані,
Rs - радіус монокристалу кремнію, Vs -швидкість вирощування монокристалу кремнію.
Для визначення розподілу домішок кисню по зливку використовували отриманий вираз:
,(5)
де А1==; А2==; А3==; А4= ;
L - довжина вирощеного монокристалу; k - коефіцієнт розподілу; k0 - рівноважний коефіцієнт розподілу; R- радіус тигля; vp - швидкість переходу кисню в розплав з 1 см2 поверхні контакту тигля з розплавом; Vp - об'єм розплаву; V0 - початковий об'єм розплаву; g - частка закристалізованого розплаву; С0 - початкова концентрація кисню в розплаві; L - густина розплаву кремнію.
Для визначення щільності мікродефектів по площі пластини монокристалу була розроблена методика, що дозволяє автоматизувати процес визначення щільності мікродефектів. Суть запропонованої методики полягає в скануванні поверхні пластини, розташованої на платформі мікроскопа, введення отриманого зображення в ЕОМ і підрахунку щільності мікродефектів. Щільність визначається як сума мікродефектів, поділена на загальну площу сканування
, (6)
де N - мікродефекти; Ssc - площа сканування пластини.
Для визначення основних метрологічних характеристик обчислювалися наступні величини:
середнє значення щільності мікродефектів
,(7)
де Ni - щільність мікродефектів, розрахована при i- ому проході; n - кількість вимірювань;
систематична складова абсолютної похибки
,(8)
де Nіст - істинне значення щільності мікродефектів, визначене лаборантом по методу ASTM F1810-95. Отримана систематична складова відносної похибки склала 0,2%.
В третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень процесу вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм. З урахуванням реального процесу вирощування зливків кремнію в ростовій установці Редмет-30М проведений аналіз розподілу кисню по довжині зливку кремнію. Досліджено вплив теплових екранів на розподіл мікродефектів в вирощуваному зливку.
Проведені експериментальні дослідження впливу теплових умов на нерівномірність розподілу кисню по довжині монокристалів кремнію в процесі вирощування підтвердили теоретичні результати і дозволили встановити, що теплові умови в ростовій установці, які істотно впливають на взаємодію між розплавленим кремнієм і кварцовим тиглем, є основним фактором, що впливає на появу кисню в монокристалі кремнію діаметром 200 мм.
Для визначення залежності розподілу щільності мікродефектів від теплових умов проводили зміну позиції теплових екранів.
Збільшення товщини бічного екрану в 2 рази показало, що теплове поле в кристалі залишається без змін.
Збільшення розмірів екрану призводить до зниження осьового градієнта температури в монокристалі до 90,5 К/см, на відміну від базової конфігурації екранів, де осьовий температурний градієнт склав 98 К/см. Подальше підняття екрану разом зі збільшенням його розмірів забезпечує незначне зниження осьового градієнта до 88 К/см.
Екран забезпечує значне зниження осьових градієнтів порівняно з екраном. В нижній позиції екран забезпечує менший осьовий градієнт, ніж в базовій конфігурації. Подальший підйом екрану призводить до деякого зростання осьового температурного градієнта, проте його величина носить помірний характер і складає 60 К/см. Більш високі положення екрану дозволяють створити плавні умови охолодження.
Екран виготовлений з особливо чистого графіту і розташований поблизу розплаву. Підйом екрану в позицію 5 (верхнє положення) знижує осьовий температурний градієнт. У верхній позиції екрану осьовий градієнт температури складає 42,4 К/см.
Осьовий градієнт температури при зміненій позиції екранів 1, 3 - 5 склав 50 К/см.
Результати обробки даних експериментів дозволили адекватно описати розподіли концентрації кисню, щільність мікродефектів і визначити теплові умови. Було встановлено, що нерівномірність розподілу кисню по довжині монокристалу кремнію не більше спостерігається при температурі розплаву TL=1693К1696К і градієнті температури =35 К/см52 К/см.
Швидкість вирощування Vs=1,1 мм/хв і усереднений осьовий температурний градієнт 43 К/см83 К/см забезпечують вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм з розподілом щільності мікродефектів, що не перевищує 5 деф·см-2 і відповідає технічним умовам вирощування бездефектних зливків кремнію.
Четвертий розділ присвячений розробці конструкції теплового вузла ростової установки Редмет-30М і визначенню його конструкційних параметрів. Розроблено тепловий вузол і досліджено його вплив на нерівномірність розподілу кисню по довжині зливку і щільність мікродефектів в процесі вирощування. Здійснений аналіз конструктивних особливостей розробленого і базового теплового вузла. Знайдені конструктивні рішення, що забезпечують потрібний характер осьового розподілу температури.
Встановлено, що бічний теплозахисний екран необхідно виготовляти з графітної обичайки, на яку намотують шар теплоізоляції завтовшки 12 мм (вуглецева повсть, вуглецева тканина). Тонкостінна обичайка збирається з пластин особливо чистого графіту. Нижній і верхній теплозахисні екрани також виготовляються з тонких графітних кілець, на яких закріплюється теплоізоляція з вуглецевої повсті.
Вказані теплозахисні екрани, що призначені для зменшення теплових втрат при вирощуванні монокристалів і формування необхідних градієнтів температур в зоні росту монокристалів з мінімальним осьовим градієнтом 50 К/см.
Конічний колодязь служить для формування потоку аргону і необхідного температурного поля в зоні витягування монокристалу, а також для дозагрузки шихти в кварцовий тигель з розплавом. Екран-колодязь виготовляється з особливо чистого графіту. Він кріпиться осесиметрично по відношенню до витягуваного монокристалу за допомогою циліндрового графітного перехідника, який також суттєво впливає на формування потоку аргону і температурних полів в зоні витягування монокристалу.
В розробленому тепловому вузлі використані композиційні матеріали з піровуглецевою матрицею, стійкі до парів кремнію. Для установок Редмет - 30М нагрівач має внутрішній діаметр 4002 мм, висоту робочої зони 5005 мм. З урахуванням характеристик використовуваних в установках трансформаторів, електричний опір нагрівача при кімнатній температурі дорівнює 0,025- 0,029 Ом.
Підставку і нагрівач необхідно виготовляти з графіту щільних марок МПГ-6, МПГ-8.
Висновки
1. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень процесів теплообміну, розподілу кисню і щільності мікродефектів по довжині зливку кремнію діаметром 200 мм і завдовжки 500 мм, вирощуваних в установках Редмет-30М, встановлені:
- закономірність впливу різних теплових екранів і їх комбінації на формування теплових умов ростової системи, розподілу кисню по довжині монокристалу і щільності мікродефектів в зливках кремнію діаметром 200 мм;
причини, що сприяють утворенню великих температурних градієнтів в тепловому вузлі Редмет-30М, і сформульовані пропозиції по зниженню температурних градієнтів;
принципи розташування теплових екранів, що сприяють зменшенню нерівномірності розподілу кисню по довжині монокристалу і щільності мікродефектів.
2. Досліджено вплив теплових умов ростової системи на розподіл кисню по довжині монокристалів кремнію діаметром 200 мм і щільність мікродефектів в ньому. Результати цих досліджень дозволили розробити математичну модель “Свірл” для визначення концентрації мікродефектів і розподілу кисню по довжині монокристалу кремнію.
3. За допомогою математичного моделювання процесів теплообміну, розподілу концентрації мікродефектів і кисню визначені теплові умови процесу вирощування, що дозволяють отримати структурно досконалі монокристали кремнію.
4. Визначені кутові коефіцієнти випромінювання ростової системи, пов'язані з геометричними параметрами теплового вузла, що дозволяє визначити результуючий тепловий потік поверхонь.
5. Знайдені основні конструктивні рішення теплового вузла ростової установки Редмет 30М, що забезпечують мінімальний осьовий температурний градієнт (50 К/см) і відношення (1,1-1,4), що дозволяють вирощувати бездефектні монокристали кремнію відповідно до технічних умов вирощування.
6. Розроблена методика і пристрій “Мікродефект” для визначення щільності мікродефектів по всій площі пластини монокристалічного кремнію. Похибка методики відповідно до базової склала 0,2 %. Пристрій метрологічно атестовано і впроваджено в виробництво.
7. Визначені теплофізичні параметри розробленого теплового вузла ростової установки “Редмет-30М”, що забезпечують вирощування бездефектних монокристалів кремнію діаметром 200 мм.
8. Розроблений тепловий вузол для вирощування бездефектних монокристалів кремнію діаметром 200 мм методом Чохральського, який забезпечує нерівномірність розподілу концентрації кисню по довжині монокристалу на рівні 21017.см-3, впроваджений в промислову експлуатацію на установках “Редмет-30М” ДП “Завод чистих металів” ВАТ “Чисті метали”. Загальний річний економічний ефект від упровадження складає 65 тис. грн.
Список опублікованих автором праць за темою дисертації
1. Вашерук А. В. Вариант построения модели теплового узла выращивания монокристаллов методом Чохральского // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ.- 2002. - №1(1). - С. 47-48.
2. Вашерук А. В., Кротюк И. Г. Температурные поля на границе раздела двух фаз в процессе выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского // Вісник технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 2003, - №3, Т.2. - С. 146 - 148.
3. Мурашко А.Г., Міхальчук В.І., Вашерук А.В. Визначення оптимальних теплових умов і температурних градієнтів монокристалів кремнію великого діаметру // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ. - 2003. -№ 2(3). - С. 30-34.
4. Оксанич А.П., Вашерук А.В. Анализ процесса теплообмена при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского с применением математического моделирования // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ.- 2004. -№ 1-2(4-5). - С. 113-116.
5. Вашерук А. В., Роик Н. Н. Анализ условий выращивания бездислокационных слитков кремния диаметром 200 мм методом Чохральского // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ.- 2004. - № 1-2(7-8). - С. 71-75.
6. Притчин С. Э.,Вашерук А. В., Роик В. В. Идентификация параметров математической модели примеси кислорода в расплаве кремния // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ. -2004. - № 3(6). - С. 60-62.
7. A.P.Oksanich, S.E.Pritchin, A.V.Vasheruk. Mathematic Modeling of Oxygen Distribution Mechanism in Si ingots during growing processes // Semiconductor physics quantum electronics & optoelectronics. - 2004. -Vol.7, № 3. - Р. 236-239.
8. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Вашерук А.В. Анализ процессов тепломассопереноса при выращивании слитков кремния с учетом тепловых и конструкционных параметров ростовых установок // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - № 1(30). - С. 40-47.
9. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Кротюк И.Г., Вашерук А.В. Моделирование процесса образования микродефектов при выращивании слитков кремния диаметром 200 мм // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ.- 2005. - № 3(9). - С. 5-11.
10. Оксанич А.П., Вашерук А.В. Информационная модель формирования тепловых условий в установках выращивания слитков кремния диаметром 200 мм // Вісник державного університету інформаційно - комунікаційних технологій. - 2005. - Т.3, № 3-4. - С. 121-124.
11. Оксанич А.П., Притчин С.Э. Вашерук А.В. Влияние тепловых условий выращивания монокристаллов кремния на образование свирлевых дефектов. Разработка метода и средств определения их плотности // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - Випуск 5(40). - Дніпропетровськ, 2005. - С.151-171.
12. Вашерук А. В. Информационно - аналитические системы в построении моделей процесса выращивания кремния методом Чохральского // Сб. тезисов по материалам международной научно - технической конференции “Проблемы математического моделирования современных технологий ПММ - 2002”. - Хмельницкий: ТУП, 2002. - С. 20.
13. Оксанич А.П., Притчин С.Э. Вашерук А.В. Моделирование механизма распределения кислорода в технологии выращивания монокристаллов кремния из расплава // Сб. тезисов по материалам 10-й Юбилейной международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2004. - С. 331-332.
Анотації
Вашерук А. В. Анализ влияния тепловых условий на структурное совершенство монокристаллов кремния и разработка теплового узла для выращивания бездефектных слитков в промышленных условиях. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. - Технология, оборудование и производство электронной техники. - Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления, Кременчуг, 2006.
Диссертационная работа посвящена определению тепловых условий ростовой системы, позволяющих выращивать бездефектные монокристаллы кремния диаметром 200 мм, и их реализации путем разработки теплового узла с научно обоснованной геометрией.
Проанализирован и исследован механизм формирования тепловых условий в ростовых системах выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского. Рассмотрены существующие математические модели процессов теплообмена, образования микродефектов и распределения кислорода в монокристаллах кремния.
Разработана модель, связывающая тепловые условия с формированием микродефектов и внедрением кислорода в монокристаллы кремния. На основе этих моделей проведены параметрические исследования и получены новые результаты, определяющие закономерности влияния тепловых экранов и свойств конструкционных материалов на неравномерность распределения кислорода и плотность микродефектов в монокристаллах кремния диаметром 200 мм.
Разработано и внедрено устройство автоматизированного измерения плотности микродефектов, позволяющее определять плотность микродефектов по всей площади пластины монокристалла кремния.
Предложена система тепловых экранов и угловые коэффициенты , определяющие значения эффективного излучения поверхностей в зоне теплового узла.
Разработана и внедрена конструкция теплового узла, обеспечивающая формирование тепловых условий для выращивания монокристаллов кремния диаметром 200 мм с плотностью распределения микродефектов, не превышающей 5 деф·см-2, и неравномерностью распределения кислорода по длине монокристалла, не превышающей .
Результаты разработок внедрены в промышленную эксплуатацию на установках “Редмет-30М” ДП “Завод чистых металлов” ОАО “Чистые металлы”.
Ключевые слова: монокристалл кремния, тепловое излучение, плотность микродефектов, концентрация кислорода, тепловой узел, математическая модель.
Вашерук О. В. Аналіз впливу теплових умов на структурну досконалість монокристалів кремнію і розробка теплового вузла для вирощування бездефектних злитків у промислових умовах. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06. - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, Кременчук, 2006.
Дисертаційна робота присвячена визначенню теплових умов ростової системи, що дозволяють вирощувати бездефектні монокристали кремнію діаметром 200 мм, та їх реалізація шляхом розробки теплового вузла з відповідною науково - обґрунтованою геометрією.
Зроблено аналіз механізму формування теплових умов у ростовій установці вирощування монокристалів кремнію методом Чохральського. Визначено вплив теплових умов на щільність мікродефектів і нерівномірність розподілу кисню в монокристалах кремнію.
Розроблено модель, що пов'язує теплові умови з мікродефектами і киснем у монокристалі кремнію. На основі цієї моделі проведено параметричні дослідження й отримано нові результати, що визначають закономірності впливу теплових екранів і властивостей конструкційних матеріалів на розподіл кисню і щільність мікродефектів у монокристалі кремнію. Визначено систему теплових екранів і кутові коефіцієнти , що визначають значення ефективного випромінювання з поверхонь у зоні теплового вузла. Розроблено конструкцію теплового вузла, що забезпечує формування теплових умов для вирощування монокристалів кремнію діаметром 200 мм із щільністю мікродефектів, що не перевищує по довжині злитка 5 деф·см-2 і нерівномірністю розподілу кисню, що не перевищує .
Розроблено і впроваджено пристрій, що вимірює щільність мікродефектів на поверхні пластини монокристалу.
Ключові слова: монокристал кремнію, теплове випромінювання, щільність мікродефектів, математична модель
Vasheruk O. V. The analyses of the thermal conditions influence on Si monocrystals structural perfectness and the thermal unit development for defect - free ingots growing in industrial conditions. - Manuscript.
The thesis for conferring a candidate degree of engineering sciences on the speciality 05.27.06 - technology, the equipment and manufacture of electronic engineering. - Kremenchuk University of economics, Information technologies and management, Kremenchuk, 2006.
The thesis deals with growing system thermal conditions determining that provide Si monocrystals defect - free with diameter 200 mm and, as a result, their realization by means of thermal unit mastering with corresponding theoretically grounded geometry.
The author analyzed the thermal conditions formation mechanism in Sz Si monocrystals growth сhamber. It is determined the thermal conditions influence on microdefects density and oxygen irregular distribution in Si monocrystals.
The work presents the model binding thermal conditions, microdefects and oxygen in Si crystals. On the basis of the model author carried out parameter research and received new results that define regularity of thermal screens and construction materials peculiarities influence on the oxygen distribution and microdefects density in Si monocrystals. It is stated the thermal screens system and angle coefficients that determine the definition of effective radiation from the surface in the thermal unit zone. It is developed the thermal unit construction providing thermal conditions formation for 200 mm Si monocrystal ingots with microdefects density, ingot length not exceeding 5 def.sm-2 and oxygen distribution irregularity being no more than . It is developed and applied the unit for microdefects density measurement on the monocrystal wafer surface.
Key words: Si monocrystal, thermal radiation, microdefects density, mathematic model.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Перeваги кремнію – основного матеріалу напівпровідникової техніки. Вирощування монокристалів із розплаву. Методи вирощування Стокбаргера і Бріджмена на основі переміщення тигля в температурному градієнті. Очищення методом зонної плавки, її варіанти.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 09.04.2011Літературний огляд властивостей та технології отримання монокристалів германія. Властивості монокристалів, їх кристалографічна структура, фізико-хімічні, електрофізичні та оптичні властивості. Технологічні умови вирощування германію, його застосування.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 03.05.2015Різання монокристалів кремнію та напівпровідникових злитків на пластини. Приклейка монокристалу до оснащення і установка його на відрізні верстати. Підвищення якості відрізаних пластин через використання алмазного круга з внутрішньої ріжучої крайкою.
практическая работа [38,0 K], добавлен 14.01.2011Кристало-хімічні особливості та фазові перетворення напівпровідникового кремнію. Механізми мартенситного перетворення. Особливості розчинності домішок. Взаємозв'язок між енергією зв'язку і зарядовою щільністю для міжатомної відстані кристалічній решітці.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 25.03.2014Характеристика господарства і аналіз господарських умов, агротехнічні та погодні умови, ґрунти, рельєф і водні ресурси. Аналіз технології рівня виробництва гороху та пошуки резервів його раціоналізації. Розробка відповідного проекту, етапи втілення.
курсовая работа [64,4 K], добавлен 20.12.2015Характеристика конструкції деталі, умов її експлуатації та аналіз технічних вимог, які пред’являються до неї. Розробка ливарних технологічних вказівок на кресленні деталі. Опис процесів формування, виготовлення стрижнів і складання ливарної форми.
курсовая работа [186,3 K], добавлен 05.01.2014Вибір схеми шпиндельного вузла по значенню швидкісного параметру. Визначення опорних реакцій, радіальних жорсткостей опор. Розрахунок жорсткості шпиндельного вузла. Визначення оптимальної міжопорної відстані та демпфіруючих властивостей шпинделя.
контрольная работа [820,8 K], добавлен 08.01.2011Визначення розрахункових теплових навантажень на теплопостачання об'єкту. Попередній розрахунок теплового потоку та економічного ефекту від застосування ІТГО для опалення об'єкта. Підбір і розміщення обігрівачів. Розрахунок складу газоповітряної суміші.
контрольная работа [188,3 K], добавлен 11.03.2014Аналіз умов експлуатації, визначення параметрів проектованого обладнання. Порівняльний критичний аналіз серійних моделей з визначеними параметрами, вибір прототипу. Опис конструкції та будови. Розрахунок на міцність, довговічність, витривалість.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 07.12.2014Методи регулювання теплового стану зварного з'єднання. Визначення деформації при зварюванні таврової балки із легованої сталі без штучного охолодження і з ним. Розрахунок температурних полів та швидкостей охолодження. Розробка зварювального стенду.
магистерская работа [8,6 M], добавлен 18.04.2014Аналіз умов роботи валу рециркуляційного димотягу. Вибір газів для плазмового напилення. Попередня механічна обробка. Розробка конструкції та розрахунок товщини покриття. Технологія відновлення великогабаритних валів рециркуляційних вентиляторів ТЕС.
курсовая работа [955,6 K], добавлен 23.12.2014Аналіз існуючих систем контролю параметрів свердловин, які експлуатуються за допомогою ШГНУ. Розробка конструкції чутливого елемента давача навантаження. Обробка масиву результатів вимірювання давача переміщення. Аналіз інтегральних акселерометрів.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 25.06.2015Розрахунок теплових потоків на опалення й гаряче водопостачання п'яти кварталів. Розрахунок річних графіків теплоспоживання по тривалості теплового навантаження. Побудова для відкритої системи теплопостачання підвищеного графіку якісного регулювання.
контрольная работа [197,6 K], добавлен 23.04.2010Роль захисту деталей і металоконструкцій від корозії та зносу, підвищення довговічності машин та механізмів. Аналіз конструкції та умов роботи виробу, вибір методу, способу і обладнання для напилення, оптимізація технологічних параметрів покриття.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 02.02.2010Аналіз технологічності конструкції деталі Стійка. Вибір заготовки та спосіб її отримання за умов автоматизованого виробництва. Вибір обладнання; розробка маршрутного процесу та управляючих програм для обробки деталі. Розрахунок припусків, режимів різання.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 10.01.2015Аналіз службового призначення машини, вузла, деталі, опис установки. Технічні вимоги і визначення технічних завдань при виготовленні деталі, типи виробництва й форми організації роботи. Розробка варіанта технологічного маршруту механічної обробки деталі.
курсовая работа [82,6 K], добавлен 17.12.2010Аналіз технологічності деталі. Обгрунтування методу виготовлення заготовки. Вибір металорізальних верстатів. Вибір різального інструменту. Розрахунок режимів різання. Розробка конструкції верстатного пристрою. Розробка конструкції контрольного пристрою.
курсовая работа [368,8 K], добавлен 18.11.2003Визначення мети, предмету та методів дослідження. Опис методики обладнання та проведення експериментів. Сплав ZrCrNi як основний об’єкт дослідження. Можливості застосування та вплив водневої обробки на розрядні характеристики і структуру сплаву ZrCrNi.
контрольная работа [48,7 K], добавлен 10.07.2010Завдання кування та гарячого штампування. Загальна характеристика гарячого штампування. Аналіз креслення деталі, технічних умов на її виготовлення та службового призначення. Визначення групи поковки, можливого типу і організаційної форми виробництва.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 27.09.2013Аналіз роботи редуктора, обґрунтування видів і призначення посадок. Призначення посадок з зазором. Розрахунок і вибір нерухомої, перехідної посадки. Проектування калібрів для контролю гладких циліндричних виробів. Визначення виконавчих розмірів калібрів.
курсовая работа [262,0 K], добавлен 17.05.2011
