RU2035530C1

RU2035530C1 - Method for growing single crystals

Info

Publication number: RU2035530C1
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Кожемякин
Original assignee: Геннадий Николаевич Кожемякин
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: crystal growing technology. SUBSTANCE: crystals are grown by Chokhralsky method without rotation of crucible and seed crystal or by rotating the crucible at a speed not over 30 rpm and the single crystal, not over 80 rpm, at ultrasound frequency of 10,1-5·10³kHz.. EFFECT: higher efficiency. 2 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения кристаллов и монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов и может быть использовано при получении кристаллов для изготовления микроэлектронных приборов. The invention relates to a technology for producing crystals and single crystals of semiconductor and metallic materials and can be used to obtain crystals for the manufacture of microelectronic devices.

Известны способы выращивания кристаллов из жидкой фазы на затравку с применением ультразвука (УЗ). Known methods of growing crystals from the liquid phase to seed using ultrasound (US).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ выращивания кристаллов InSb [1] Этот способ принят за прототип. Выращивание кристаллов InSb ведут при воздействии на расплав УЗ с частотой 10 кГц в направлении, параллельном вытягиванию кристалла. The closest in technical essence to the claimed method is a method of growing crystals of InSb [1] This method is adopted as a prototype. InSb crystals are grown under the influence of ultrasound with a frequency of 10 kHz in the direction parallel to the drawing of the crystal.

Недостаток известного способа состоит в том, что большинство полупроводниковых и металлических материалов в промышленных условиях вытягиваются из расплава, помещенного во вращающийся тигель. Вращение тигля способствует перемешиванию расплава, выравниванию в нем температурного поля, что благоприятно сказывается на производительности процесса роста и совершенстве получаемых монокристаллов. The disadvantage of this method is that most of the semiconductor and metal materials in industrial conditions are pulled from the melt placed in a rotating crucible. The rotation of the crucible contributes to the mixing of the melt, the equalization of the temperature field in it, which favorably affects the productivity of the growth process and the perfection of the obtained single crystals.

Целью изобретения является увеличение производительности процесса роста и уменьшение слоистости в монокристаллах полупроводниковых и металлических материалов. The aim of the invention is to increase the productivity of the growth process and reduce the layering in single crystals of semiconductor and metallic materials.

Цель достигается тем, что УЗ-колебаниями с частотой от 10,1 до 5˙10³ кГц воздействует на границу раздела фаз кристалл-расплав параллельно направлению вытягивания при вращении кристалла до 80 об/мин и вращении тигля до 30 об/мин, либо без вращения.The goal is achieved by the fact that ultrasonic vibrations with a frequency of 10.1 to 5 × 10 ³ kHz act on the crystal-melt phase interface parallel to the direction of extension when the crystal rotates to 80 rpm and the crucible rotates to 30 rpm, or without rotation.

Вытягивание без вращения используется при выращивании монокристаллов большого диаметра в симметричном тепловом поле для материалов с меньшей склонностью к концентрационному переохлаждению, например кремния, германия и др. При вращении кристалла со скоростью более 80 об/мин возникают волны вибрации в расплаве, что способствует возникновению слоистости и соответственно снижению совершенства монокристаллов. Скорость вращения кристалла, близкую к 80 об/мин, как правило, используют при вытягивании монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов, имеющих склонность к переохлаждению, например сплавов висмут-сурьма. Extraction without rotation is used when growing single crystals of large diameter in a symmetric thermal field for materials with a lower tendency to concentration overcooling, for example silicon, germanium, etc. When the crystal rotates at a speed of more than 80 rpm, vibration waves arise in the melt, which contributes to layering and accordingly, a decrease in the perfection of single crystals. The crystal rotation speed close to 80 rpm, as a rule, is used when drawing single crystals of semiconductor and metallic materials with a tendency to supercooling, for example, bismuth-antimony alloys.

Выращивание кристаллов без вращения тигля в УЗ-поле можно использовать при вытягивании кристаллов малого диаметра, например, до 20 мм. Низкая скорость вращения тигля 0,1-0,5 об/мин может устанавливаться при выращивании монокристаллов из расплавов как сложного состава, твердых растворов, так и элементарных полупроводников, например кремния, но для диаметров выращиваемых кристаллов не более 50 мм. При вращении тигля со скоростью больше 30 об/мин в расплаве существенную роль играют центробежные силы, способствующие искривлению поверхности расплава и возникновению поверхностных волн, что снижает совершенство получаемых монокристаллов. Наибольшую скорость вращения тигля устанавливают для материалов, имеющих невысокую плотность и требующих более интенсивного перемешивания расплава, например арсенида галлия, а также для выращивания кристаллов диаметром более 50 мм. Crystal growth without rotation of the crucible in an ultrasonic field can be used when drawing crystals of small diameter, for example, up to 20 mm A low crucible rotation speed of 0.1-0.5 rpm can be established when growing single crystals from melts of both complex composition, solid solutions, and elementary semiconductors, such as silicon, but for diameters of grown crystals no more than 50 mm. When the crucible rotates at a speed of more than 30 rpm in the melt, a significant role is played by centrifugal forces that contribute to the curvature of the melt surface and the appearance of surface waves, which reduces the perfection of the obtained single crystals. The highest crucible rotation speed is set for materials having a low density and requiring more intensive mixing of the melt, for example, gallium arsenide, as well as for growing crystals with a diameter of more than 50 mm.

Частоту, близкую к 10,1 кГц, можно использовать при выращивании кристаллов малых диаметров с низкой температурой кристаллизации (до 600^оС) и без вращения тигля. Частота меньше 10,1 кГц использована в прототипе. Вытягивание с частотой, близкой к 5˙10³ кГц, можно производить для полупроводниковых материалов, имеющих небольшой коэффициент поглощения УЗ, например кремний. Частоту УЗ-колебаний более 5 МГц нецелесообразно использовать вследствие значительного увеличения коэффициента поглощения расплава и сложности изготовления источника УЗ большой мощности (более 200 Вт) для работы на этих частотах.A frequency close to 10.1 kHz, can be used for growing crystals of small diameters with a low crystallization temperature ^(about 600 C) without rotation of the crucible. A frequency of less than 10.1 kHz is used in the prototype. Extraction with a frequency close to 5˙10 ³ kHz can be performed for semiconductor materials having a small ultrasonic absorption coefficient, for example, silicon. The frequency of ultrasonic vibrations of more than 5 MHz is impractical to use due to a significant increase in the absorption coefficient of the melt and the complexity of manufacturing a source of ultrasound of high power (more than 200 W) to operate at these frequencies.

Экспериментально установлено, что воздействие УЗ с частотой от 10,1 до 5˙10³ кГц на расплав параллельно направлению вытягивания устраняет слоистость в растущем кристалле. Кроме того, введение УЗ и одновременно вращение расплава позволяют существенно снизить переохлаждение у фронта кристаллизации, что позволяет увеличивать скорость вытягивания, а следовательно, и производительность процесса роста кристаллов. Причем этот способ позволяет получать однородные монокристаллы любых полупроводниковых материалов в условиях, близких к разработанным промышленным технологическим процессам.It was experimentally established that the action of ultrasound with a frequency of 10.1 to 5˙10 ³ kHz on the melt parallel to the direction of extrusion eliminates lamination in the growing crystal. In addition, the introduction of ultrasound and at the same time rotation of the melt can significantly reduce supercooling at the crystallization front, which allows to increase the drawing speed, and therefore the productivity of the crystal growth process. Moreover, this method allows to obtain homogeneous single crystals of any semiconductor materials under conditions close to the developed industrial technological processes.

Выращивание монокристаллов предлагаемым способом может быть осуществлено с помощью устройства, обеспечивающего передачу УЗ-колебаний в расплав при вращающемся тигле. Single crystals growing by the proposed method can be carried out using a device that ensures the transfer of ultrasonic vibrations into the melt when the crucible is rotating.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается выращиванием монокристаллов в УЗ-поле в большом диапазоне частот при вращении тигля с расплавом и вращении кристалла на больших оборотах. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "Новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the inventive method is distinguished by growing single crystals in an ultrasonic field in a large frequency range during the rotation of the crucible with the melt and the rotation of the crystal at high speeds. Thus, the claimed method meets the criterion of "Novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вращение тигля с расплавом и кристалла при ультразвуковом воздействии с частотами от 10,1 до 5˙10³ кГц на расплав позволяют увеличить производительность процесса роста и уменьшить слоистость в монокристаллах полупроводниковых материалов.A comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that the rotation of the crucible with the melt and the crystal under ultrasonic action with frequencies from 10.1 to 5˙10 ³ kHz on the melt can increase the productivity of the growth process and reduce the layering in single crystals of semiconductor materials.

Хотя известны способы выращивания монокристаллов в ультразвуковом поле при направлении его параллельно направлению вытягивания, в предложенном способе за счет широкого диапазона частот, вращения тигля и затравочного кристалла в процессе роста создаются условия, близкие к известным разработанным технологическим процессам. Это преимущество позволяет освоить внедрение получения однородных монокристаллов полупроводников в ультразвуковом поле в промышленных условиях при минимальных затратах на переоснащение производства. Although there are known methods of growing single crystals in an ultrasonic field when its direction is parallel to the direction of drawing, in the proposed method due to the wide range of frequencies, rotation of the crucible and the seed crystal during growth, conditions are created that are close to the known developed technological processes. This advantage allows one to master the implementation of the production of homogeneous single crystals of semiconductors in an ultrasonic field in an industrial environment with minimal costs for re-equipment of production.

Таким образом, вышеуказанные преимущества предложенного способа обеспечивают существенное отличие от известных технических решений. Thus, the above advantages of the proposed method provide a significant difference from the known technical solutions.

Способ осуществляют следующим образом. Выращивание монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов производится на установке вытягивания по Чохральскому. В тигель загружают предварительно синтезированную шихту заданного состава. Вокруг тигля расположен нагреватель. С помощью автоматического регулятора температуры и термопары, установленной под тиглем, в расплаве поддерживают необходимую температуру. Вокруг нагревателя установлены графитовые экраны, которые создают необходимые тепловые условия в расплаве. На верхнем штоке фиксируют державку с затравкой из монокристаллического материала заданного состава. После откачки камеры установки и промывки ее инертным газом производят расплавление шихты в вакууме или инертном газе. Далее производят затравление путем опускания затравки на 1-3 мм в расплав и разращивание монокристалла до заданного диаметра. После разращивания кристалла на источник УЗ подают сигнал заданной амплитуды и частоты и процесс ведут в УЗ-поле. Режимы выращивания задаются для каждого материала отдельно. Выбор режимов представлен в следующих примерах. The method is as follows. Single crystals of semiconductor and metallic materials are grown at the Czochralski pulling plant. The pre-synthesized charge of a given composition is loaded into the crucible. Around the crucible is a heater. With the help of an automatic temperature controller and a thermocouple mounted under the crucible, the required temperature is maintained in the melt. Around the heater, graphite screens are installed that create the necessary thermal conditions in the melt. A holder with a seed from a single-crystal material of a given composition is fixed on the upper rod. After pumping out the installation chamber and flushing it with an inert gas, the mixture is melted in a vacuum or inert gas. Next, seeding is performed by lowering the seed by 1-3 mm into the melt and growing the single crystal to a predetermined diameter. After the crystal is grown, a signal of a given amplitude and frequency is supplied to the ultrasonic source and the process is conducted in an ultrasonic field. Growing modes are set for each material separately. The choice of modes is presented in the following examples.

П р и м е р 1. Выращивание монокристалла арсенида галлия. В кварцевый тигель загружают шихту арсенида галлия в количестве от 140 г до 5 кг и покрывают флюсом оксида бора. Процесс ведут в среде аргона при избыточном давлении 2 атм и температуре кристаллизации 1240^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 75 мм устанавливают скорость вытягивания 0,16 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.Example 1. The cultivation of a single crystal of gallium arsenide. A gallium arsenide charge in an amount of 140 g to 5 kg is loaded into a quartz crucible and coated with a flux of boron oxide. The process is conducted in an argon environment at a pressure of 2 atm and a temperature of crystallization of ¹²⁴⁰ C. After razraschivaniya crystal to a diameter of 10 to 75 mm is set pulling speed of 0.16 mm / min and fed ultrasonic vibrations to a source of ultrasonic.

П р и м е р 2. Выращивание монокристалла кремния, легированного фосфором. В кварцевый тигель загружают шихту кремния в количестве от 140 г до 30 кг. Процесс ведут в вакууме при температуре 1420^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 150 мм устанавливают скорость вытягивания 2 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.PRI me R 2. The cultivation of a single crystal of silicon doped with phosphorus. In a quartz crucible load a mixture of silicon in an amount of from 140 g to 30 kg The process is conducted in vacuo at a temperature of 1420 ^C. After razraschivaniya crystal to a diameter of 10 to 150 mm is set pulling speed of 2 mm / min and fed ultrasonic vibrations to a source of ultrasonic.

П р и м е р 3. Выращивание монокристалла твердого раствора висмута с 9 ат. сурьмы. В кварцевый тигель загружают шихту сплава висмут-сурьма в количестве от 140 г до 1,7 кг. Процесс ведут в среде аргона при избыточном давлении 0,15 атм и температуре кристаллизации 280^оС. После разращивания кристалла до диаметра от 10 до 30 мм устанавливают скорость вытягивания 0,1 мм/мин и подают УЗ-колебания на источник УЗ.PRI me R 3. The cultivation of a single crystal of a solid solution of bismuth with 9 at. antimony. A bismuth-antimony alloy charge is loaded into a quartz crucible in an amount of 140 g to 1.7 kg. The process is conducted in an argon environment at a pressure of 0.15 atm and a crystallization temperature of 280 ^C. After razraschivaniya crystal to a diameter of 10 to 30 mm is set pulling speed of 0.1 mm / min and fed ultrasonic vibrations to a source of ultrasonic.

В табл. 1 приведены режимы выращивания монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов: соединений на примере арсенида галлия, элементарных полупроводников на примере кремния и металлов на примере твердых растворов висмут-сурьма. In the table. Figure 1 shows the modes of growing single crystals of semiconductor and metallic materials: compounds using the example of gallium arsenide, elementary semiconductors using the example of silicon and metals using the examples of bismuth-antimony solid solutions.

Использование предлагаемого способа увеличивает производительность процесса выращивания монокристаллов, уменьшает слоистость и обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: увеличивает производительность процесса на 5-10% дает возможность использовать выращивание монокристаллов полупроводниковых и металлических материалов в ультразвуковом поле в условиях технологических процессов, используемых на промышленных предприятиях; для выращивания монокристаллов в ультразвуковом поле этим способом достаточно заменить только нижний привод в промышленных установках вытягивания по Чохральскому. Это существенно сокращает затраты и время на переоснащение технологического процесса. Using the proposed method increases the productivity of the process of growing single crystals, reduces layering and provides the following advantages compared to the prototype: increases the productivity of the process by 5-10% makes it possible to use the growth of single crystals of semiconductor and metal materials in an ultrasonic field in the conditions of technological processes used in industrial enterprises; To grow single crystals in an ultrasonic field with this method, it is enough to replace only the lower drive in industrial extraction plants according to Czochralski. This significantly reduces the cost and time to re-equip the process.

В табл. 2 приведены результаты по снижению слоистости. In the table. 2 shows the results of reducing layering.

При ультразвуковом воздействии на расплав даже при отсутствии вращения кристалла и тигля слоистость снижается в центральной части. Однако без вращения кристалла его форма существенно отличается от цилиндрической. Несмотря на отсутствие слоистости в этих кристаллах, их невозможно использовать в дальнейшем производстве. Under ultrasonic action on the melt, even in the absence of crystal and crucible rotation, the layering decreases in the central part. However, without rotation of the crystal, its shape differs significantly from cylindrical. Despite the lack of layering in these crystals, they cannot be used in further production.

Как правило, при выращивании монокристаллов полупроводников не удается в процесс их роста постоянно поддерживать плоский фронт кристаллизации. Поэтому частично слои могут оставаться на периферии кристаллов. При поддержании же плоского фронта кристаллизации в процессе вытягивания всего кристалла удается практически полностью устранить слоистость во всем поперечном его сечении. As a rule, when growing single crystals of semiconductors, it is not possible to constantly maintain a flat crystallization front during their growth. Therefore, partially, the layers can remain on the periphery of the crystals. While maintaining a flat crystallization front during the stretching of the entire crystal, it is possible to almost completely eliminate layering in its entire cross section.

Claims

METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTALS by drawing from a melt in a crucible onto a seed when exposed to ultrasonic vibrations on the melt, characterized in that the stretching is carried out when the seed rotates at a speed of not more than 80 rpm or without rotation from a crucible stationary or rotating at a speed of not more than 30 rpm min, and ultrasonic vibrations act with a frequency of 10.1 5 · 10 ³ kHz along the direction of extension.