Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania krysztalów materialów zwlaszcza ma¬ terialów pólprzewodnikowych dla przemyslu elektronicznego. \fynalazek znajduje szczególnie korzystne zastosowanie przy monokrystalizacji mate¬ rialów dla przemyslu elektronicznego, szczególnie zwiazków pólprzewodnikowych Aj,j By, ale moze byc stosowany równiez przy produkcji innych materialów wytwarzanych metoda Czo- chralskiego dla ich zastosowania w przemysle elektronicznym, przykladowo przy wytwarza¬ niu monokrysztalów krzemu.Zakres stosowania zwiazków grupy Ajjj By jest bardzo szeroki i obejmuje diody lumi- nescencyjne tak dla swiatla widzialnego jak i dla podczerwieni, diody Gunna, generatory mikrofalowe, lasery pólprzewodnikowe i modulatory swiatla laserowego oraz elementy i ukla¬ dy elektroniczne o róznej skali integracji• W zwiazku z powyzszym istnieje stale zwiekszajace sie zapotrzebowanie na objeto¬ sciowo duze monokrysztaly dla przemyslu elektronicznego o okreslonych standartach jakosci, przy równoczesnej minimalizacji kosztów ich wytwarzania* Z calego szeregu produkcyjnych metod krystalizacji materialów pólprzewodnikowych role wiodaca odgrywa znana i powszechnie stosowana metoda Czochralskiego, to jest metoda uzyskiwania wzrostu krysztalu przez wyciaganie z fazy cieklej. Materialem wsadowym do pro¬ cesu monokrystalizacji jest pollkrysztal wytworzony w procesie syntezy. Synteza'materialu pólprzewodnikowego moze byc realizowana w osobnym urzadzeniu metodami: Bridgemana, gradient freeze lub strefowego grzania indukcyjnegoi Metody te sa malo skuteczne i ekonomicznie nie¬ efektywne z powodów: - koniecznosci stosowania dwóch oddzielnych urzadzen w kompleksowym cyklu wytwarzania mo¬ nokrysztalów, - jedynie czesciowego wykorzystania objetosci tygla do monokrystalizacji, co wynika ze wspólczynnika upakowania polikrysztalu, oraz róznicy ciezarów wlasciwych materialów w fazie stalej i cieklej*2 139 601 Brytyjski opis patentowy nr 1 330 914 ujawnia mozliwosc przeprowadzenia syntezy zwiaz¬ ków pólprzewodnikowych Am By i AIT BVI wedlug nastepujacego sposobu: - materialy poddawane syntezie umieszcza sie w tyglu kwarcowym w cisnieniowym urzadzeniu do monokrystalizacji i pokrywa sie je materialem hermetyzujacym na przyklad trójtlenkiem boru B2°3' - po zamknieciu urzadzenia stapia sie materialy w warunkach wysokiego cisnienia i przy tem¬ peraturze przekraczajacej temperature zwiazku, - po uzyskaniu homogenicznego, stopionego materialu wsadowego, pod warstwa materialu her¬ metyzujacego, prowadzi sie proces monokrystalizacji, Polski opis patentowy nr 67 584 przedstawia metode syntezy zwiazków pólprzewodnikowych w urzadzeniach do monokrystalizacji, odmiennie jak to ujawnia patent brytyjski nr 1 330 914, a polega ona na tym, ze: - jeden ze skladników - metaliczny, umieszcza sie w tyglu kwarcowym do monokrystalizacji wraz z materialem hermetyzujacym - przykladowo B20,, - drugi ze skladników - o wysokiej preznosci par w warunkach syntezy, umieszcza sie w ampule kwarcowej ponad tyglem, - po zamknieciu komory urzadzenia do monokrystalizacji, jej odpompowaniu i wypelnieniu ga¬ zem obojetnym, na przyklad argonem, stapia sie skladnik w tyglu wraz z materialem herme¬ tyzujacym, - po wymaganym stopieniu skladników w tyglu zanurza sie dysze ampuly kwarcowej do objetosci stopionego skladnika w tyglu pod stopiona warstwa skladnika hermetyzujacego i wstrzykuje sie do niego pary skladnika z ampuly, - po zakonczeniu procesu syntezy obu skladników, ampule usuwa sie znad tygla, realizuje sie proces monokrystalizacji.Znane i stosowane sposoby prowadzenia syntezy wprowadzily istotny postep w tej dzie¬ dzinie techniki wytwarzania materialów dla przemyslu elektronicznego, niemniej posiadaja niedogodnosci wykluczajace optymalnie korzystne osiagniecia wyniku koncowego to jest otrzy¬ manie jednorodnego w swej strukturze wewnetrznej monokrysztalu bedacego materialem nadaja¬ cym sie do dalszych prac dla uzyskania wyrobów aplikacyjnych w przemysle elektronicznym.Jedna z niedogodnosci wyzej opisanych sposobów otrzymywania materialów dla elektro¬ niki sa powstajace w trakcie prowadzenia syntezy zanieczyszczenia w postaci obcych cial sta¬ lych, które przechodzac do wewnetrznej masy wytwarzanego krysztalu powoduja powstawanie poli - zamiast pozadanego monokrysztalu.Urzadzenia do monokrystalizacji materialów dla przemyslu elektronicznego metoda Czo- chralskiego w generalnym przekroju ukladów konstrukcyjnych i technologicznych skladaja sie z komory roboczej, ukladu napedów mechanicznych, ukladu prózniowo-gazowego i ukladu ste¬ rowania procesem.Przykladem reprezentatywnym dla wiekszosci rozwiazan konstrukcyjnych jest urzadzenie przedstawione w brytyjskim opisie patentowym nr 1 322 582 # Vi komorze, w dolnej jej czesci znajduje sie podgrzewany tygiel, w którym umieszcza sie material wsadowy do monokrystali¬ zacji, V komorze przesuwa sie, pionowo w osi tej komory trzpien górny, do którego jest przymocowany, na uchwycie zarodek do monokrystalizacji. Tyglowi oraz trzpieniowi górnemu nadaje sie ruch pionowy i obrotowy sterowaniem zewnetrznym. Na koncu zarodka wytwarza sie krysztal o okreslonych i ograniczonych gabarytach. Po skonczonym procesie krystalizacji obniza sie temperature wnetrza komory, obniza sie cisnienie do wartosci cisnienia zewnetrzne¬ go wyjmuje sie krysztal i wykonuje sie prace przygotowawcze do nastepnego procesu. Przed¬ stawiona w powolanym patencie brytyjskim nr 1 322 852 metoda jest praco- i energochlonna i w konsekwencji nieekonomiczna.Znany jest sposób i urzadzenie do wytwarzania monokrysztalów opisane w patencie YT,Bry¬ tanii nr 1 027 662 wykorzystujacy metode Czochralskiego a polegajacy na wyciaganiu z ty¬ gla, zaladowanego 1-3 kg polikrystalicznego materialu, monokrysztalu o wadze odpowiadaja-139 601 3 cej 10-6096 wagowych stopionego materialu polikrystalicznego w tyglu. Przemieszczenie tego monokrysztalu razem z urzadzeniem wyciagowym poza obszar tygla przy jednoczesnym prze¬ sunieciu kolejnego urzadzenia wyciagowego z zarodkiem w polozenie robocze i uzupelnienie materialu polikrystalicznego w tyglu oraz powtórzenie procesu monokrystalizacji przez wy¬ ciaganie kolejnego monokrysztalu* Material polikrystaliczny w tyglu po kolejnych proce¬ sach monokrystalizacji pozostawia sie do zestalenia i ponownie topi sie przed kolejnym procesem.Znany jest sposób i urzadzenie opisane w japonskim patencie nr 57 179 094 równiez wykorzystujace metode Czochralskiego, w którym wytwarzanie poszczególnego monokrysztalu rozpoczyna sie przemieszaniem materialu polikrystalicznego w ksztalcie preta z komory oczekiwania do komory monokrystalizacyjnej, stopienie tego materialu9 wprowadzenie do nie¬ go zarodka z zewnatrz i wytworzenie monokrysztalu oraz przemieszczenie go do komory schla¬ dzania, po czym cykl ten powtarza sie.Znany jest sposób i urzadzenie opisane w patencie USA nr 4 410 494 polegajacy na wytwarzaniu monokrysztalów równiez metoda Czochralskiego w szeregu komór monokrystaliza¬ cyjnyclu sygle tych komór polaczone sa specjalnymi urzadzeniami z tyglem centralnej komo¬ ry, z których w sposób ciagly uzupelniany jest ich wsad* Wszystkie znane sposoby wytwarzania monokrysztalów wymagaja przeprowadzania kazdo¬ razowo procesu monokrystalizacji przy kazdorazowym doladowywaniu tygla materialem poli¬ krystalicznym. Realizacja tych sposobów wymaga zbudowania skomplikowanych urzadzen zawie¬ rajacych szereg komór oraz skomplikowanych zewnetrznych mechanizmów do przemieszczania za¬ rodków.Celem wynalazku bylo opracowanie sposobu wytwarzania kilku kolejnych krysztalów w jednym cyklu technologicznym bez koniecznosci doladowywania materialu wsadowego do tygla znajdujacego sie w komorze monokrystalizacyjnej, co umozliwia skrócenie czasu przygotowa¬ nia procesu monokrystalizacji i wyeliminowanie powyzej opisanych wad znanych sposobów.Istota sposobu wedlug wynalazku wytwarzania krysztalów metoda Czochralskiego przez wyciaganie krysztalów z fazy cieklej stopionego w tyglu materialu polikrystalicznego, przy zastosowaniu mechanicznych ruchów pionowych zarodka zapewniajacych narastanie krysz¬ talu i ruchów obrotowych dla uzyskania jego jednorodnosci polega na tym, ze v: jednym pro¬ cesie technologicznym przeprowadza sie zwielokrotniony proces krystalizacji wykorzystujac kolejno jeden z kilku zarodków umieszczonych uprzednio wewnatrz komory monokrystaliza¬ cyjnej. Przemieszczanie zarodków wewnatrz tej komory realizuje sie za pomoca kolejno co najmniej jednego z kilku manipulatorów umieszczonych wewnatrz komory monokrystalizacyjnej sterowanych z zewnatrz* Zwielokrotniony proces krystalizacji obejmuje: stopienie mate¬ rialu w tyglu oraz ustalenie warunków procesu monokrystalizacji i przechloczenie powierz¬ chniowe tego materialu w momencie zetkniecia sie z nim pierwszego zarodka, zdjecie za¬ nieczyszczen powierzchniowych wsadu za pomoca zarodka umieszczonego w uchwycie dodatkowym zawieszonym na trzpieniu górnym nad tyglem, przemieszczenie uchwytu dodatkowego z zarod¬ kiem i powstalym na nim skrzepem z zanieczyszczeniami z trzpienia górnego dc neutralnej czesci komory monokrystalizacyjnej na zaczep przy uzyciu jednego z kilku manipulatorów, zawieszeniu na trzpieniu górnym kolejnego zarodka w uchwycie dodatkowym i przeprowadzenie kolejnego procesu monokrystalizacji przy ustaleniu pierwotnych warunków dla "ego procesu, po czym przemieszczenie otrzymanego krysztalu wraz z zarodkiem w uchwycie dodatkowym da neutralnej czesci komory na kolejny zaczep za pomoca jednego z kilku manipulatorów i pow¬ tarzanie procesu monokrystalizacji na zarodkach pozostalych wewnatrz komory r.cnokrysta- lizacyjnej. Ostatni krysztal wytwarza sie na zarodku zamocowanym od poczatku procesu tech¬ nologicznego na glównym uchwycie trzpienia górnego. Zarodki do monokrystalizaeri zamoco¬ wane w uchwytach przed rozpoczeciem procesu monokrystalizacji umieszcza sie wewnatrz komo¬ ry monokrystalizacyjnej w ten sposób, ze jeden mocuje sie do trzpienia górnego, a kolejne zawiesza sie na ramionach manipulatorów lub na zaczepach wewnatrz tej komory.4 139 601 Sposób wedlug wynalazku pozwala na dokonywanie wielokrotnej monokrystalizacji z tego samego wsadu w tyglu az do calkowitego jego wyczerpania przez przejscie w stan monokry- staliczny - staly* Zalety realizacji sposobu wedlug wynalazku polegaja na tym, ze zebranie z powierzchni topionej cieczy wsadu zanieczyszczen umozliwia monokrystalizacje bez zaburzen struktury monokrysztalu z powodu cial obcych, oraz na tym, ze w typowym urzadzeniu mozna zastosowac wieksze wypelnienie standardowego tygla do monokrystalizacji lub zastosowac tygiel o pod¬ wyzszonej pojemnosci i z jednego zaladunku mozna wykonywac szereg pojedynczych monokrysz¬ talów, co powoduje obnizenie jednostkowego kosztu wytwarzania monokrysztalów materialów dla przemyslu elektronicznego.Sposób wedlug wynalazku zostanie wyjasniony na przykladzie w urzadzeniu przedstawio¬ nym na rysunku, który obrazuje komore raonokrystalizacyjna 1, trzpien górny 2, uchwyt glów¬ ny 3, zarodek na uchwycie glównym 4, krysztal glówny 5, manipulator dodatkowy monokrysta¬ lizacji 6, manipulator roboczy 7, uchwyt dodatkowy 8, zarodek do zbierania zanieczyszczen 9, uchwyt dodatkowy 10, zarodek 11 dla wytworzenia krysztalu dodatkowego, zanieczyszczenia w postaci skrzepu 12, krysztal dodatkowy 13 i zaczepy 14 zamocowane na scianach komory monokrystalizacyjnej 1.W komorze monokrystalizacyjnej 1 umieszcza sie trzy zarodki 4, 9, 11 oraz tygiel, do którego wklada sie 810 g galu, 90 g arsenu i 165 g trójtlenku boru. Pierwszy zarodek 4 umocowuje sie w uchwycie glównym 3 trzpienia górnego 2 znajdujacego sie nad tyglem. Drugi zarodek 9 równiez umocowuje sie na trzpieniu górnym 2 w uchwycie dodatkowym 8. Trzeci za¬ rodek 11 w uchwycie 10 zamocowuje sie w ramieniu manipulatora dodatkowego 6. Wewnatrz ko¬ mory monokrystalizacyjnej 1 znajduje sie równiez drugi manipulator roboczy 7« Komore mo- nokrystalizacyjna 1 zamyka sie i odpompowuje sie z niej powietrze oraz napelnia sie ja argonem do cisnienia 3920 kPa. Przeprowadza sie synteze arsenku galu GaAs przez stopienie materialów wyjsciowych w tyglu. Po otrzymaniu stopionego polikrysztalu pod warstwa stopio¬ nego BpO, ustala sie temperature i cisnienie odpowiednie dla procesu monokrystalizacji.W poczatkowej fazie procesu na uchwycie glównym 3 trzpienia górnego 2 znajdujacego sie nad tyglem zawieszony jest uchwyt dodatkowy 8 z zarodkiem 9, który opuszcza sie do styku z powierzchnia wsadu. Nastepnie skokowo przechladza sie powierzchniowo wsad, co powoduje powstanie na zarodku 9 skrzepu 12 GaAs o wadze 10-15 g z zanieczyszczeniami pozostalymi po stopieniu wsadu. Trzpien górny 2 ze skrzepem 12 podnosi sie 1 za pomoca manipulatora 7 przemieszcza sie zarodek 9 z uchwytem dodatkowym 8 do neutralnej czesci komory monokry¬ stalizacyjnej 1 na Jeden z zaczepów 14. W tyglu pozostaje okolo 1690 g stopionego poli- krysztalu.Manipulatorem dodatkowym 6 zawiesza sie z niego na uchwycie 3 na trzpieniu górnym 2 dodatkowy uchwyt 10 z zarodkiem 11. Ustala sie pierwotna wartosc temperatury i cisnienia w komorze monokrystalizacyjnej 1. Przeprowadza sie proces monokrystalizacji wyciagajac krysztal dodatkowy 13 o srednicy 40-45 mm i ciezarze okolo 700 g i za pomoca manipulatora dodatkowego 6 przemieszcza sie go razem z uchwytem 10 i zarodkiem 11 do neutralnej czesci komory 1 na jeden z zaczepów 14* W tyglu pozostaje okolo 980 g stopionego polikrysztalu. w koncowej fazie procesu proces monokrystalizacji przeprowadza sie z wykorzystaniem zarodka 4 umocowanego pierwotnie w uchwycie 3 trzpienia górnego 2 wyciagajac krysztal glówny 5 o srednicy okolo 45 mm i ciezarze okolo 960 g. W tyglu pozostaje reszta wsadu o wadze okolo 20 g.Tak prowadzony proces poawala na wytworzenie wiecej niz Jednego monokrysztalu GaAs dzieki zastosowaniu dodatkowego urzadzenia, to Jest manipulatora wewnatrzkomorowego, któ¬ ry pozwala na prowadzenie sposobu uzyskiwania krysztalów dla przemyslu elektronicznego zgodnie z istota wynalazku. Uzyskiwanie wiekszej ilosci monokrysztalów niz dwa w Jednym procesie krystalizacyjnym moze byc dokonywane w zaleznosci od ilosci zarodków umieszczo¬ nych we wnetrzu komory krystalizacyjnej i od pojemnosci tygla do topienia materialów wyj¬ sciowych.139 601 5 Sposób wytwarzania krysztalów materialów dla przemyslu elektronicznego wedlug wyna¬ lazku daje powazne oszczednosci energetyczne, ogranicza w znacznym stopniu czas wytwarza¬ nia produktu koncowego procesu krystalizacji oraz zwieksza uzyski jednostkowe w procesach wytwarzania materialów elektronicznych.Wynalazek ma szerokie zastosowanie w przemysle elektronicznym, wszedzie tam, gdzie wytwarzane sa monokrysztaly dla elektroniki.Zastrzezenia patentowe 1» Sposób wytwarzania krysztalów materialów, zwlaszcza materialów pólprzewodniko¬ wych metoda Czochralskiego polegajacy na wyciaganiu krysztalów z fazy cieklej powstalej w wyniku dzialania termicznego w tyglu z wsadem materialów wyjsciowych przy zastosowaniu mechanicznych ruchów pionowych zarodka zapewniajacych narastanie krysztalu i ruchów obro¬ towych dla uzyskania jego jednorodnosci* znamienny tym, ze w jednym proce¬ sie technologicznym przeprowadza sie zwielokrotniony proces krystalizacji wykorzystujac kolejnojeden z kilku zarodków umieszczonych uprzednio wewnatrz komory monokrystalizacyjnej, zas do ich przemieszczenia wewnatrz tej komory uzywa sie kolejno co najmniej jednego z kilku manipulatorów umieszczonych wewnatrz tej komory i sterowanych z zewnatrz niej, przy czym zwielokrotniony proces krystalizacji obejmuje stopienie materialu wyjsciowego w tyg¬ lu, ustalenie warunków procesu krystalizacji, powierzchniowe przechlodzenie materialu wyjsciowego, zdjecie zanieczyszczen powierzchniowych wsadu za pomoca zarodka umieszczone¬ go w uchwycie dodatkowym zawieszonym na trzpieniu górnym nad tyglem, przemieszczenie za pomoca manipulatora tego zarodka ze skrzepem z zanieczyszczeniami na zaczep do neutralnej czesci komory monokrystalizacyjnej, zawieszenie na trzpieniu górnym kolejnego zarodka w uchwycie dodatkowyL, ustalenie pierwotnych warunków procesu krystalizacji i przeprowadze¬ nie procesu monokrystalizacji, po czym przemieszczenie za pomoca manipulatora otrzymane¬ go krysztalu z zarcikiem i uchwytem dodatkowym na zaczep do neutralnej czesci komory mo¬ nokrystalizacyjnej i powtarzanie procesu monokrystalizacji na zarodkach pozostalych oraz przemieszczanie za pomoca manipulatorów kolejno otrzymanych krysztalów na zaczepy do ne¬ utralnej czesci kor.ory monokrystalizacyjnej i wytworzenie ostatniego krysztalu na ostat¬ nim zarodku zamocowanym od poczatku procesu technologicznego na glównym uchwycie trzpie¬ nia górnego* 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze w poczatkowej fazie procesu technologicznego zarodki zamocowane w uchwytach umieszcza sie wewnatrz komory mo¬ nokrystalizacyjnej . ten sposób, ze jeden mocuje sie do trzpienia górnego, a kolejne zawiesza sie na racionach manipulatorów albo na zaczepach znajdujacych sie na scianie tej komory.139 601 Z lnfic* r m M139 601 FU.2139 601 Ra*3 Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 egz.Cena 130 zl PL