Способ HSCT тоже может относиться к методам ЛМП (см. 3.2), однако носителем кристаллизующегося кремния здесь является не подложка, а литейная форма с плоской полостью (рис. 8.5).

Верхняя крышка литейной полости 2 является съемной, что позво­ляет легко извлекать пластины. (Конструкция литейной формы на рис. 8.5 во многом аналогична кристаллизатору на рис. 6.6.)

Схема литейной машины, в которой реализуется способ HSCT, изображена на рис. 8.6. [6].

Исходный кремний расплавляется в кварцевых контейнерах в зоне плавления 1. Затем он впрыскивается в устья литников четырех подо­гретых до 1450 °С литейных форм (ЛФ), располагаемых на столе в зоне центрифугирования (см. рис. 8.6, 2). После заполнения литников стол начинает вращаться со скоростью 200-300 об/мин. Под действием цен­тробежных сил расплав кремния из устья литника попадает в плоскую полость ЛФ (см. рис. 8.5). После того как расплав распределяется рав­номерно в этой полости, процесс вращения заканчивается и литейные формы переносятся в зону роста прежде чем кремний начнет затверде­вать (см. рис. 8.6, 7). Пока ЛФ движется в зоне кристаллизации (длиной 4 м) со скоростью 1-1,3 м/мин вдоль зоны 7 с линейно уменьшающейся

V

V

A

7

8

w

Рис. 8.6. Схема размещения топового оборудования для производства кремниевых пластин способом HSCT [6]: вертикальный разрез. 1 — зона расплавления кремния; 2 — зона заливки и центрифугирования; 3 — теплоизоли­рующий материал; 4 — графитовые нагреватели; 5 — литейные формы; б — зона предва­рительного нагрева; 7 — зона кристаллизации; 8 — зоиа охлаждения; 9 — удаление форм иа выгрузку пластин л-Si; 10 — подача новых литейных форм, w — скорость вращения.

температурой (см. также рис. 8.7), кремний затвердевает. Затем литей­ные формы попадают в зону охлаждения (см. рис. 8.6, 8), откуда перено­сятся к выходной камере. Вне литейной машины проводится высвобо — .ждение кремниевых пластин и подготовка форм к следующей заливке.

Схематический вид сверху на процесс показан на рис. 8.8. Сущест­венной особенностью машины является специальная схема подогрева и охлаждения в зоне кристаллизации. Как видно на рис. 8.6, в зоне 7 на­греватели расположены только сверху потока форм, так что теплоотвод происходит сверху вниз, а кремний в форме затвердевает направленно снизу вверх. Кроме того, как показано на рис. 8.7, мощность подогрева­теля в зоне кристаллизации линейно уменьшается вдоль направле­ния продвижения форм. В результате фронт кристаллизации в затвер­девающей пластине движется также от периферии к литнику формы.

Рис. 8.7. Линии изотерм в ростовой зоне с клиновидным нагревателем [6]. 1 — литейные формы; 2 — направление движения форм.

1450 1470 °С

Рис. 8.8. Схема вида сверху на типовое оборудование для производства кремниевых пластин способом HSCT [6]. (Сечение А-А на рис. 8.6). 1 — прямоугольный нагреватель; 2 — угол нагрева; 3 — теплоизоляционный материал; 4 — литейные формы; 5 — направление движения; 6 — клиновидный нагреватель; 7 — направ­ление роста; 8 — зона центрифугирования; 9 — выходная камера.

Фактически происходит как бы рост клином (со скоростью ~20 мм/мин) со всеми особенностями и достоинствами. Такая схема процесса спо­собствует также выводу газа через устья литников, что дополнительно обеспечивает хорошее качество пластин.

Литейные формы (см. рис. 8.5) изготавливаются из высокочистого графита [6]. Они — составные, что обеспечивает возможность нанесения покрытий на стенки полости. Внутренняя поверхность полости по­крывается двойным слоем Si3N4 и Si02 (см. рис. 8.9) [7], что облегчает отделение кремниевой пластины. Первый слой получался осаждением кремниевого порошка с размером частиц 5 мкм (чистота 99,999%) че­рез пульверизатор (форсунку, с использованием высокочистой воды) до толщины 100-150 мкм на поверхности графитовых полуформ. Затем этот слой высушивался в печи в течение 2 ч при 1450 °С в потоке азота. В результате получали слой Si3N4 с содержанием нитрида до 99%. Второй слой (200 мкм) создавался из порошка Si3N4, смешанного с раст­вором силанола (R4.„Si(OH)„) и осаждавшегося аналогично первому слою. (Порошок S13H4 получался из Si-порошка аналогично покрытию.) В процессе 20-минутной сушки в оксидной атмосфере при 400 °С во­круг частиц SijN4 формировался слой Si02. Первый слой (Si3N4) защи­щает второй слой (Si02) от реакции с графитом.

Размеры получаемой Si-пластины и полости ЛФ одинаковы. В ре­зультате процесса получали 4 Si-пластины в минуту размером 10×10 см2 при толщине 400 мкм.

Рис. 8.9. Структура двухслойного покрытия внутренней поверхнос­ти литейной формы.

Si3N4; 100- 150 мкм

Графит

Получаемые кремниевые пластины характеризуются поликристал — лической дендритной структурой и гладкой поверхностью, позволяющей производить СЭ без дополнительной обработки [6, 8]. Содержание угле­рода и кислорода (поступающего в основном из Si3N4 + БЮг-покрытия)

17 —3

достигает 5-Ю см. Максимальный кпд СЭ составлял 13%, при сред­нем значении около 10%. Увеличение производительности выше 4 листов в минуту вызывало уменьшение кпд СЭ.

Влияние кристаллической структуры литых Si-пластин на эффек­тивность СЭ анализировалась в [9]. Кпд СЭ оказывается несколько выше на Si-пластинах с дендритной структурой, чем на пластинах с большими зернами. Авторы работы [9] объясняют это ограничениями объемного расширения кремния поверхностями ЛФ в случае роста больших столбчатых зерен, а следовательно, наличием напряжений, вызывающих повышенную концентрацию дефектов на МЗГ. В случае дендритного роста направление роста меняется, напряжения не созда­ются, а МЗГ имеют пониженную концентрацию дефектов.

* * *

Анализ метода ЛМП (см. табл. 3.1, 3.2) ясно показывает, что чем больше производительность литейного процесса, тем ниже качество получаемого материала. Качество Si-пластин определяется размером зерен и диффузионной длиной неосновных носителей заряда (см. раз­дел 1.4). С увеличением скорости роста ухудшаются обе эти характери­стики, определяющие кпд СЭ.’ Таким образом, проблема качества кремниевых лент не менее важна, чем производительность оборудова­ния, а следовательно, необходимо находить некоторый оптимум.

При быстром движении носителя сложно управлять теплофизичес­ким процессом (так как основной теплоотвод осуществляется через но­ситель), что сказывается на качестве, а при медленном движении — уменьшается производительность. Теплофизическая задача получения ленты кремния, а следовательно, и задача управления процессом легче решаются при неподвижном кристаллизаторе с неподвижной зоной кри­сталлизации и движущейся лентой. В этом случае можно получить и высокую производительность, и хорошее качество (см. приложение 1).