ня и разогреть его. Глубина проникновения тока Z в стержень определяется частотой тока и УЭС нагреваемого участка [228]: Z = 530 /р/(ц/), где р - УЭС, Ом - м; Ц - магнитная проницаемость, Гн/м; /- частота тока, Гц.

Высокочастотный ток оказывает еще и электродинамическое воздействие (давление) на нагреваемую поверхность, что также необходимо учитывать при создании зоны расплава и проведении процесса плавки.

Таким образом, на устойчивость зоны расплава оказывают воздействие три силы: гидростатическое и электродинамическое давление и поверхностное натяжение. Для выращивания кристаллов очень важно определить оптимальное соотношение этих сил, так как при этом не только будет устойчив процесс плавки, но и появится возможность получения кристаллов кремния с заданными свойствами.

Определяющей при разработке индукционных систем для плавки кристаллов кремния различных диаметров является приведенная максимально допустимая величина высоты зоны расплава (~ 1,5 см). Для стержней « 30 мм применяют индукторы, диаметры которых больше диаметра кристалла. Однако уже при диам. 30 мм на исходном, плавящемся кристалле образуется конус, вершина которого утоплена в расплаве. Это вызвано увеличенным теплоотводом с поверхности зоны расплава (по сравнению с плавкой кристалла меньшего диаметра) и ухудшением условий плавления исходного кристалла из-за удаления от индуктора (рис. 135, о). Дальнейшее увеличение диаметра кристалла (соответственно и индуктора) приводит к увеличению высоту конусной части на исходном кристалле до соединения ее с кристаллизующейся частью кристалла. В результате возникает неполное проплавление зоны (подморозка) и процесс плавки прекращается.

Для обеспечения полного проплавления исходного кристалла в области зоны расплава можно сместить исходный стержень в плоскости, перпендикулярной направлению выращивания, и тем самым приблизить индуктор к оси слитка. За счет такого расположения стержня и индуктора усиливается прогрев центральной части стержня1. Недостатком такого приема плавки являются искажение формы зоны расплава и снижение ее устойчивости.

Важным этапом дальнейшего усовершенствования процесса бестигельной зонной плавки было применение индуктора с внутренним диаметром меньше диаметра проплавляемого кристалла 2> э. (Незави301

симо от авторов указанных патентов такой прием был практически одновременно разработан в СССР и внедрен в практику промышленного производства в 1965 г.) В этом варианте обеспечивались надежный прогрев и проплавление стержня, минимальная асимметрия электромагнитного поля индуктора и возможность значительного увеличения диаметра выращиваемого кристалла. В настоящее время усовершенствованный вариант такой плавки широко распространен при получении стержней > 100 мм (рис. 135, б).

При изучении формы зоны расплава с использованием различных индукторов установлено, что максимальная ее высота может превышать рассчитанную по уравнению (38) величину (рис. 136) [229]. Связано это с тем, что в расчетах не учитывались поверхностное натяжение на границе расплав - твердое, силы связи расплава и твердого, а также электродинамическое давление на расплав. Кроме этого, при расчетах фронт кристаллизации был принят плоским. Величина электродинамического давления зависит от частоты тока в индукторе, электрической мощности, передаваемой в зону расплава, радиуса зоны расплава и др., что используется для формирования устойчивой зоны расплава при различных конфигурациях поверхности индуктора.

При рассмотрении устойчивости, конфигурации и других факторов необходимо учитывать тепловые потоки в зоне расплава.

По своему происхождению различают четыре вида потоков: конвективные, центробежные, электродинамические и потоки Марангони (рис. 137) [229]. Конвективные потоки возникают вследствие различия

302

Рис. 137. Конвективный (а),

электродинамический (б)

потоки и поток Марангони (в, термокапиллярный) в зоне расплава:

1, 4 - исходный и кристаллизующийся стержень соответственно; 2 - индуктор; 3 — зона расплава

температуры в зоне расплава и связанной с этим плотности расплава. Центробежные потоки связаны с вращением стержня и находящейся на его торце зоны расплава. Центробежные потоки оказывают влияние на характер конвективных потоков. Электродинамические потоки в зоне расплава возникают из-за неоднородности электромагнитного

зоз

камере выращивания создается давление до 1,72-105 Па и при необходимости обеспечивается поток газа в количестве до 50 л/мин. Наиболее важной задачей вакуумно-газовой системы является обеспечение максимальной чистоты процесса выращивания кристаллов.

Высокочастотная система установки включает силовой блок (блок питания) и высокочастотный генератор, выходным элементом которого является индуктор. Обычно используемые в промышленности генераторы работают в диапазоне частот 1,7-5,3 МГц (основных составляющих высокочастотного тока генератора).

Выбор режима и обеспечение надежности работы генератора имеют первостепенное значение. При этом чрезвычайно важно добиться т