А.И. Простомолотов1,2) prosto@ipmnet.ru

Особенности конструкции и оптимизация теплового узла

новой большегрузной установки «РЕДМЕТ-90М»

__________________________________1) Соавторы: Н.А. Верезуб, В.С. Ежлов2) Поддержано проектом РФФИ № 10-02-90004

«Кремний-2010» 7-9 июля, Нижний Новгород

Ferry: US Patent 6197111.2001

Cherko: US Patent 6942733.2005

Патенты на тепловой экран

50-,60-,70-,80-ые компоненты экрана 70 – экран, 68b – трубка для прокачки воды.

2

1410

1100

1100

1050

1050

950

950 750

750

450

450

Vp

кристалл

расплав

нагревательзащитные экраны

тигель

80 кВтс экраном

ось

1)1) Вблизи фронта кристаллизации (Вблизи фронта кристаллизации (14101410ооС)С)происходит рекомбинация точечныхпроисходит рекомбинация точечныхдефектов: дефектов: вакансий и межузельных атомов и межузельных атомов

2) При 1100 – 10502) При 1100 – 1050ооС образуются микропоры С образуются микропоры и кластеры межузельных атомов кремния.и кластеры межузельных атомов кремния.

3) При 950 – 7503) При 950 – 750ооС происходит распад С происходит распад твердого раствора кислорода с миграциейтвердого раствора кислорода с миграциейцентров зарождения оксидных дефектов центров зарождения оксидных дефектов (преципитатов).(преципитатов).

4) При 750 – 4504) При 750 – 450ооС растут размеры С растут размеры преципитатов и формируетсяпреципитатов и формируетсяокончательная картина микродефектов в окончательная картина микродефектов в монокристалле.монокристалле.

Назначение теплового экрана: Назначение теплового экрана: 1) контроль температурных зон 1) контроль температурных зон

в кристалле,в кристалле,2) снижение мощности нагрева 2) снижение мощности нагрева

Роль температурных зон:

170 кВт

EKZ-2700Dk=200мм

3

Тест V/I границы по экспериментальным данным

Тест для теплового узла с экраном.

Расчетные и экспериментальные данные:

a – расчетные изолинии остаточной концентрации Civ= Ci - Cv после v – i рекомбинации;

b – изменение скорости вытягивания Vp при выращивании цилиндрической части монокристалла кремния;

c – экспериментальная картина V-I границы в выращенном монокристалле, выявленная селективным травлением.

(V – вакании, I – межузельные атомы Si, V/I – граница вакансиооного и межузельного режимов выращивания)

a

0.4 0.6 0.8 1 1.2Vp,mm/min

10

20

30

40

50

60

70

80%

Bo

dy

-10 0 10R,cm

10

20

30

40

50

60

70

80

%B

od

y14

13

15

9

9

7

9

6

9

65

4

Level Civ, cm-3

25 2.2E+1423 1.9E+1421 1.6E+1419 1.2E+1417 9.1E+1315 5.8E+1313 2.4E+1311 0.0E+009 -2.6E+137 -5.9E+135 -9.2E+133 -1.3E+141 -1.5E+14

V

V

IV/I

b c 4

/Кристалл

/Расплав

/Кварц

/Графит

/Графитовая ткань

/Сталь

/Композит

/Войлок

/Молибден

МатериалыЗарубежные/Отечественные

А

Б

205

260

65

4×10

456

470

508

528

516

115

450

628

25

25

55

25

335

120

Модель теплового узла «Редмет-90М»

5

H

1

1 – полость для протока газа в патенте RU № 2355834или водоохлаждаемый бункер в патенте RU № 2382121

“Crystmo/

Marc”code

UNIX WorkStation

User2User1

USER’s PC

Доступный интернет-ресурс для работы

с программным комплексом “Crystmo/Marc”

1) Меню дляполучения лицензиии обмена файламиUnixWS↔UserPC

2) фрагментинтерактивногоменю программы“Crystmo/Marc”

6

Изотермы при различном удалении теплового экрана от расплава

1410

1000

r,cm

z,cm

0 5 10 15 20 25 30

85

90

95

100

105

110

1200

1000

1100

1410

r,cm

z,cm

0 5 10 15 20 25 30

85

90

95

100

105

110

H=6.5 cm H=2.5 cm

77

1283

1383

1483

1593

1763

17

63

1693

15931483

1513

1513

1383

1513

1683

Vmax

1593

1523

1483

1383

1283

1693

1713

1733

1753 17

63

1593

1523

1483

1383

1523

1703

1773

1683

Влияние скорости вращения тигля на изотермы и фронт кристаллизации

б) ΩТ/ΩК= - 0.5 (вогнутый ФК)

Здесь: скорости вращения ΩТ – тигля и кристалла ΩК=20 об/мин, H=2.5 см.*) Пунктирные изолинии азимутальной скорости, превышающие еёзначение на стенке тигля.

a*) ΩТ/ΩК= - 0.1 (W-образный ФК)

H H

8

Влияние скорости вращения тигля на изотермы и фронт кристаллизации

«Эффект максимума» азимутальной скорости при вращении тигля

-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10

0

1

2

3

123456

δVmax

ΩТ/ΩК

δVmax = (Vmax – Vc)/Vc ,где Vc – азимутальная скорость на стенке тигля

γ = Gr0.5/Re: 0.1 (1), 0.3 (2), 0.6 (3), 1.0 (4), 1.7 (5), 2.2 (6)

Параметры течения:Re = |Ωк|Rк/ν – число РейнольдсаGr = βg∆TRк

3/ν2 – число Грасгофа

Здесь: ΩК=20 об/мин

9

I II III

Течение в режиме I: ΩТ/ΩК = - 0.01

γ = Gr0.5/Re: 0.6ΩК=20 об/мин

10

Течение в режиме II: ΩТ/ΩК = - 0.1

γ = Gr0.5/Re: 0.6ΩК=20 об/мин

11

Течение в режиме III: ΩТ/ΩК = - 0.01

γ = Gr0.5/Re: 0.6ΩК=20 об/мин

12

0 2 4 6 8 10 121400

1500

1600

1700

1234

T, K

Z, cmЗдесь:ΩТ/ΩК = – 0.1 (1) и – 0.5 (2) для экрана на удалении H = 2.5 см без водяного охлаждения;ΩТ/ΩК = – 0.1 для экрана при удалении H = 2.5 см (3) и 6.5 см(4) с водяным охлаждением.

Профили температуры вдольповерхности кристалла

13

TC2

TC4

TC3

TC1

Table. Heater power P and parameters of crystal growth (DS and DC - diameters of single crystal and crucible, MO - initial melt charge, L - length of grown crystal). Here ref. [1-3] are for Cz hot zones without thermal shield.

P [kW] DS (DC) [inches] Mo [kg] L [cm] Ref. 44.7 5 (15) 25 30 [1] 107 6 (18) 60 55 [2] 90–100 8 (18) 60 60 150–200 8 (22) 100 100

[3]

80-90 8 (20) 90 100 The present hot zone for “Redmet-90M”

[1] A. Virzi: J. Crystal Growth. Vol. 112 (1991), p. 699

[2] A. Virzi, M. Porrini: Materials Science and Engineering. Vol. B17 (1993), p. 196

[3] H.W. Korb, S. Chandrasekhar et al: US Patent 5779791. (1998)

14

Сравнение энергопотребления известных тепловых узлов (без экрана) с тепловым узломдля Редмет-90М (патенты RU 2355834, 2382121)

Спасибо за внимание