Реактор для получения широких пластин исходного поликристаллического кремния

 

Изобретение относится к получению полупроводниковых материалов и может быть использовано для производства исходного поликристаллического кремния осаждением на нагретые подложки (основы) в процессе водородного восстановления хлорсиланов или из газовой фазы моносилана. Сущность изобретения: реактор для получения исходного поликристаллического кремния в процессе водородного восстановления хлорсиланов или разложения моносиланов содержит вертикальный водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали, расположенный на водоохлаждаемой стальной плите, сквозь которую проходят изолированные токоподводы с держателями для крепления подложек для осаждения кремния, сопла для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом в пространство между рядами подложек и штуцеры для подачи азота, создания вакуума и выхода пара или парогазовой смеси. Токоподводы выполнены Г-образными и разной высоты, а в качестве подложек используют широкие плоские тканые подложки из композиционного материала с удельным сопротивлением в интервале от 0,01 до 10 Ом•см, нейтральные к потоку пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом, которые закрепляют в держателях токоподводов вертикально в направлении нитей основы параллельными рядами. Держатели выполнены в форме полуцилиндров с горизонтальной плоскостью, в которых крепят по две плоские широкие подложки, расстояние между которыми составляет не менее двух толщин осаждаемого слоя кремния. Изобретение позволяет увеличить прочность аппаратуры и подложек и повысить производительность процесса. 2 ил.

Изобретение относится к области получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для производства исходного поликристаллического кремния осаждением на нагретые подложки (основы) в процессе водородного восстановления хлорсиланов или из газовой фазы моносилана.

Предшествующий уровень Известны различные реакторы для получения исходного поликристаллического кремния [1] , например содержащий корпус, расположенный на водоохлаждаемой стальной плите. Сквозь плиту проходят изолированные токоподводы с держателями для крепления подложек для осаждения кремния. Подложки установлены в корпусе реактора параллельно горизонтальными рядами для взаимного подогрева. Реактор снабжен также соплами для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом в пространство между рядами подложек и штуцерами для подачи азота, создания вакуума и выхода пара или парогазовой смеси. Такой реактор предназначен для получения широких пластин или плит исходного поликристаллического кремния с большой производительностью. В связи с этим он снабжен широкими подложками из химически нейтральных композитных материалов по отношению к парогазовой смеси хлорсиланов с водородом и к продуктам их реакций. К другим преимуществам реактора относится более короткий цикл осаждения (до 2,5 суток), более низкая стоимость подложек и возможность регулирования только температуры нагрева подложек.

Наряду с этим реакторы горизонтального типа имеют существенные недостатки, к которым следует отнести сравнительно высокую стоимость их изготовления из-за больших затрат труда и материалов. Это связано с необходимостью упрочнения реактора, с целью создания вакуума, для чего используют толстую листовую нержавеющую сталь и дополнительную арматуру. Кроме того, равномерная подача парогазовой смеси требует применения в три раза большего количества сопел и труб, в два раза больше выпускных штуцеров, трубопроводов и смотровых окон. При этом усложняется очистка и обслуживание аппарата, а сам реактор имеет повышенные габариты и вес. При горизонтальном расположении армированных тканями подложек нагружению в процессе осаждения подвергаются, главным образом, нити утка, имеющие в три раза меньшую прочность, чем нити основы. Чтобы предотвратить разрушение подложек, снижают предельный вес осажденного кремния и расчетную производительность аппарата.

Наиболее близким к заявленному является устройство, которое содержит вертикальный, водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали со смотровыми окнами, герметично установленный на водоохлаждаемой стальной плите, электроподводы для нагрева подложек (основ) протекающим током и держатели для их крепления, сопла для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсилана с водородом, штуцеры для подачи азота, создания вакуума, отвода непрореагировавших хлорсиланов, водорода и продуктов реакции [2].

Техническая задача, которая может быть получена при осуществлении заявленного устройства: - Повышение прочности аппарата и подложек.

- Упрощение аппаратуры и процесса водородного восстановления кремния.

- Дальнейшее повышение производительности реактора при меньших затратах электроэнергии и исходных материалов.

- Снижение себестоимости получаемого материала.

- Возможность модернизации существующей аппаратуры с целью повышения рентабельности производства при небольших капитальных вложениях.

Технический результат изобретения достигается тем, что в реакторе для получения исходного поликристаллического кремния в процессе водородного восстановления хлорсиланов или разложения моносиланов, содержащем вертикальный водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали, расположенный на водоохлаждаемой стальной плите, сквозь которую проходят изолированные токоподводы с держателями для крепления подложек для осаждения кремния, сопла для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом в пространство между рядами подложек и штуцеры для подачи азота, создания вакуума и выхода пара или парогазовой смеси, токоподводы выполнены Г-образными и разной высоты, а в качестве подложек используют широкие плоские тканые подложки из композиционного материала с удельным сопротивлением в интервале от 0,01 до 10 Ом•см, нейтральные к потоку пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом, которые закрепляют в держателях токоподводов вертикально в направлении нитей основы параллельными рядами, при этом держатели выполнены в форме полуцилиндров с горизонтальной плоскостью, в которых крепят по две плоские широкие подложки, расстояние между которыми составляет не менее двух толщин осаждаемого слоя кремния.

Указанные преимущества и особенности изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.

Перечень фигур: фиг.1 изображает конструкцию камеры (схематично), продольное сечение; фиг.2 - то же, что фиг.1, вид сбоку на фиг.1, продольное сечение.

В рабочее пространство реактора 1, сквозь плиту 2 вводят Г-образные токоподводы 3 и 4 разной высоты с держателями 9, 10 для крепления верхних и нижних частей широких плоских тканых подложек (основ) 5, работающих в условиях вертикального нагружения (фиг.1). Держатели 9, 10 выполнены в форме полуцилиндров с горизонтальной плоскостью, в которых с помощью шпилек крепят по две плоские широкие подложки вертикально в направлении нитей основы параллельными рядами (фиг. 2). Расстояние между подложками зависит от ширины полуцилиндров и составляет не менее двух толщин осаждаемого слоя кремния.

По мере осаждения кремния возрастает вертикальная нагрузка и увеличиваются растягивающие напряжения подложек, которые воспринимаются прочными волокнами основы. Это позволяет увеличить цикл проведения процесса и количество осаждаемого материала.

Реактор содержит также сопла 7 для подачи парогазовой смеси и штуцер 6 для отвода продуктов реакции, а также штуцер 8 для создания форвакуума и подачи азота. Охлаждение водой корпуса, основания реактора и токоподводов производят подачей воды к штуцерам 11, 12. Закрепление пластин-основ и чистку реактора осуществляют после удаления съемного корпуса.

Устройство работает следующим образом.

Вначале включают подачу воды для охлаждения корпуса 1, плиты 2 и токоподводов 3,4. Затем вакуумируют рабочий объем камеры аппарата водородного восстановления с помощью штуцера 8. После этого заполняют камеру азотом, продувают в течение 10 мин, после чего заполняют камеру парогазовой смесью. Подложки 5 закрепляют на токоподводах 9, 10, смонтированных в полуцилиндрах. Подвод и отвод охлаждающей воды к корпусу реактора и токоподводам осуществляют с помощью штуцеров 11, 12. Через сопла 7, обращенные со стороны основания в направлении длинной стороны плоской основы, устанавливают расходы трихлорсилана (SiHCl₃) и водорода (Н₂). Процесс восстановления начинают включением подачи тока через токоподводы 3,4 и нагрева плоских основ 5 до температур 1050 -1100^oС. Осаждение кремния из парогазовой смеси на плоские основы 5 происходит по реакции: SiHCl₃ + H₂ = Si+3HCl.

Отвод продуктов реакции производят через штуцер 6.

Для окончания процесса вначале выключают нагрев основ, а затем закрывают подачу парогазовой смеси. После охлаждения основ с осажденным кремнием реактор вакуумируют, заполняют воздухом, извлекают основы и освобождают их от полученного поликремния.

Перед последующей загрузкой реактор очищают от осадков хлорсиланов, а с основ срезают полученный материал, шлифуют, травят плоскости среза, после чего отмывают деионизованной водой.

Пример 1 В реакторе водородного восстановления вертикального типа получают исходный поликристаллический кремний в количестве около 300 кг. Осаждение проводят в процессе водородного восстановления кремния на шести нагретых плоских основах 5, изготовленных из композиционного материала. Размеры плоских основ: 106 х 50 х 0,3 см. Удельное сопротивление основ около 0,5 Ом•см. Шесть пар токовводов включают последовательно по 2 шт. в каждую фазу.

В каждой паре токовводов закрепляют по одной подложке в верхнем и нижнем держателях. В процессе осаждения кремния сопротивление основ снижается, а ток возрастает. Перед началом процесса корпуса 1 (фиг.1) удаляют и закрепляют плоские основы 5 в держателях 9, 10 токоподводов 3, 4 в вертикальном положении параллельно. После загрузки устанавливают корпус 1 на плиту 2 и вакуумируют рабочий объем для остаточного давления (1-2)•10^-2 Торр, после чего впускают смесь водорода с паром трихлорсилана (ТХС) и продувают рабочий объем в течение 10 мин. Процесс восстановления начинают при избыточном давлении парогазовой смеси около 100 Торр и температуре нагрева основ 1050-1100^oС, затем температуру нагрева повышают на 50-100^oС. ТХС подают в количестве до 8,0-10,0 кг на 1 кг осажденного кремния, а водород - до 5-6 м³ на 1 м³ ТХС.

При нижнем расположении сопел 7 тяжелая парогазовая смесь постепенно поднимается вверх и увеличивается время ее контакта с основами 5. Образующаяся легкая смесь водорода с хлористым водородом подымается вверх и удаляется через штуцер 6, освобождая место свежим порциям ТХС.

При получении 300 кг кремния на каждую плоскую основу 5 осаждается около 50 кг материала. В конце процесса осаждения ширина подложки достигает 55 см, а площадь ее поверхности составляет 101000 см². При скорости осаждения 0,1 г/см²•ч за сутки осаждают 1010 г • 24 = 24,25 кг, а на шесть основ - 145,44 кг. Таким образом, для получения около 300 кг материала требуется около двух суток работы при использовании шести подложек и шести пар держателей. При использовании двенадцати подложек и шести пар держателей, согласно изобретению, достаточно работы реактора в течение суток.

При получении кремния по обычной технологии производительность одного 36-стержневого реактора составляет по утвержденной технической характеристике 1000 кг в месяц. При 20 процессах в месяц суточная производительность составляет 50 кг. За 3 суток получают около 100 кг материала или в 3 раза меньше, чем в предлагаемом устройстве такого же размера и подводимой мощности нагрева. По сравнению с реактором горизонтального типа с основами длиной 1,5 м и той же ширины производительность возросла на 11% за счет большей величины допустимой нагрузки на основы.

По окончании процесса прекращают подачу электроэнергии, а затем подачу пара трихлорсилана. После этого реактор вакуумируют, впускают воздух и производят его разгрузку. Осажденный на инородных широких основах кремний удаляют срезанием алмазными пилами, оставляя не менее 2,5 мм кремния с каждой стороны. Перед повторной загрузкой с поверхности среза плоских основ сошлифовывают по 0,3-0,5 мм кремния, после чего проводят травление и отмывку основ в деионизованной воде. Срезанный материал подвергают такой же обработке, после чего дробят на куски перед загрузкой в тигель. Мерные загрузки предварительно разрезают, а затем шлифуют, травят и отмывают.

Пример 2 В устройстве аналогичной конструкции получают 600,00 кг исходного поликристаллического кремния. Используют двенадцать тканых подложек 5 из композиционных материалов шириной около 30 см с удельным сопротивлением, аналогичным примеру 1. Длина подложек, расположенных попарно в шести парах держателей (верхних и нижних), составляет 140 см. Подготовка основ и проведение процессов также аналогично. На каждую основу необходимо осадить около 50 кг кремния. При ширине 33 см площадь подложки составит 33 х 2 х 140 = 9240 см². На подложку осядет 924 г/ч кремния. За сутки - 22,2 кг. Тогда 50/22,2 = 2,25 суток. При этом 600 кг кремния можно получить за двое суток и 6 ч. Это очень высокая производительность.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить в 4-6 раз производительность оборудования для производства исходного поликристаллического кремния.

Источники информации 1. А. Я.Нашельский. Технология полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1987, с.64-66.

2. Патент России 2158324, С 30 В 29/06; С 30 В 25/02, 25/18, БИ 30, 2000 г.

Формула изобретения

Реактор для получения исходного поликристаллического кремния в процессе водородного восстановления хлорсиланов или разложения моносиланов, содержащий вертикальный водоохлаждаемый корпус из нержавеющей стали, расположенный на водоохлаждаемой стальной плите, сквозь которую проходят изолированные токоподводы с держателями для крепления подложек для осаждения кремния, сопла для подачи потока пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом в пространство между рядами подложек и штуцера для подачи азота, создания вакуума и выхода пара или парогазовой смеси, отличающийся тем, что токоподводы выполнены Г-образными и разной высоты, а в качестве подложек используют широкие плоские тканые подложки из композиционного материала с удельным сопротивлением в интервале от 0,01 до 10 Ом·см, нейтральные к потоку пара моносилана или парогазовой смеси хлорсиланов с водородом, которые закрепляют в держателях токоподводов вертикально в направлении нитей основы параллельными рядами, при этом держатели выполнены в форме полуцилиндров с горизонтальной плоскостью, в которых крепят по две плоские широкие подложки, расстояние между которыми составляет не менее двух толщин осаждаемого слоя кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2