RU2199614C1 - Способ выращивания кристаллов - Google Patents

Способ выращивания кристаллов Download PDF

Info

Publication number
RU2199614C1
RU2199614C1 RU2002101885A RU2002101885A RU2199614C1 RU 2199614 C1 RU2199614 C1 RU 2199614C1 RU 2002101885 A RU2002101885 A RU 2002101885A RU 2002101885 A RU2002101885 A RU 2002101885A RU 2199614 C1 RU2199614 C1 RU 2199614C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
temperature
crystal
heating zone
measured
Prior art date
Application number
RU2002101885A
Other languages
English (en)
Inventor
В.И. Стрелов
Б.Г. Захаров
П.А. Ананьев
Ю.А. Серебряков
Original Assignee
Стрелов Владимир Иванович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Стрелов Владимир Иванович filed Critical Стрелов Владимир Иванович
Priority to RU2002101885A priority Critical patent/RU2199614C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2199614C1 publication Critical patent/RU2199614C1/ru

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов замораживанием при температурном градиенте на затравочный кристалл без использования растворителей и промышленно применимо для выращивания высококачественных монокристаллов большого диаметра, в том числе в условиях невесомости. В держатель 4 вставляют затравку кристалла 5, которую вводят без зазора в графитовую трубку 6, создавая тем самым тигель. В этот тигель порциями наплавляют шихту до тех пор, пока расплав 7 полностью его не заполнит. Непосредственно под затравкой кристалла 5 на оси располагают спай термопары 11. Над поверхностью расплава 7 помещают графитовый стержень 8 с термопарами 9 и 10, пропущенными через каналы в стержне 8, причем термопара 9 расположена на оси, а термопара 10 - вблизи стенки графитовой трубки 6. Сигналы с термопар 9, 10 и 11 подаются на персональный компьютер, который управляет процессом роста по заданной программе. Изобретение решает задачу повышения качества выращенных кристаллов. 22 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов замораживанием при температурном градиенте на затравочный кристалл без использования растворителей и промышленно применимо для выращивания высококачественных монокристаллов большого диаметра, в том числе в условиях невесомости.
Известен способ выращивания кристаллов, включающий создание градиента температуры вдоль оси зоны нагрева, помещение затравки кристалла и расплава в зону нагрева и приведение затравки и расплава в контакт [K. Kinoshita, T. Yamada. Pb1-xSnxTe crystal growth in the space. J. Cryst. Growth, 1995, v. 147, p.91-98]. В этом способе кварцевую ампулу с затравкой кристалла и расплавом перемещают горизонтально вдоль оси зоны нагрева. Градиент создается с помощью двух нагревателей.
Недостатком этого способа являются недостаточно высокое качество и малые размеры выращенных кристаллов, обусловленные отсутствием непосредственного контроля температуры внутри ампулы.
Наиболее близким к заявляемому является известный способ выращивания кристаллов, включающий создание градиента температуры вдоль вертикально расположенной оси зоны нагрева, помещение затравки кристалла и расплава в зону нагрева, приведение затравки и расплава в контакт, измерение температуры, по меньшей мере, в трех точках зоны нагрева и использование разности измеренных температур в качестве сигнала управления процессом роста кристалла [SU 1800854, МКИ С 30 В 11/00]. В этом способе на дно тигля помещают затравку кристалла. Над затравкой в расплав помещают дополнительный нагреватель в виде цилиндрического герметичного стержня, расположенный вдоль оси тигля с зазором от его стенок. Дно контейнера образует тепловыделяющую поверхность, обращенную к кристаллу, форма которой определяет форму фронта кристаллизации. Температуру измеряют в трех точках, две из которых расположены внутри дополнительного нагревателя, а третья - под тиглем.
Недостатком ближайшего аналога является недостаточно высокое качество выращенных кристаллов, обусловленное отсутствием непосредственного контроля температуры вблизи кристалла и расплава, а также наличием механического устройства для перемещения растущего кристалла, которое неизбежно приводит к вибрациям, вызывающим дополнительные нестационарные потоки в расплаве.
С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения качества выращенных кристаллов.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе выращивания кристаллов, включающем создание градиента температуры вдоль вертикально расположенной оси зоны нагрева, помещение затравки кристалла и расплава в зону нагрева таким образом, чтобы расплав располагался над кристаллом, приведение затравки и расплава в контакт, измерение температуры в трех точках зоны нагрева и использование разности измеренных температур в качестве сигнала управления процессом роста кристалла, первая точка, в которой измеряют температуру, расположена непосредственно под кристаллом на оси зоны нагрева, вторая и третья точки, в которых измеряют температуру, расположены непосредственно над расплавом, при этом вторая точка расположена на оси зоны нагрева, а третья точка - вне этой оси.
Распределение температур в расплаве можно корректировать, помещая расплав внутри графитовой трубки. При этом затравку кристалла можно поместить внизу графитовой трубки без зазора. В частности, затравку кристалла можно ввести в графитовую трубу на высоту от 0.1 L до 1 L, где L - длина графитовой трубки.
В частности, расстояние между первой и второй точками, в которых измеряют температуру, может составлять от 0.2 d до 20 d, где d - диаметр растущего кристалла.
В частности, расстояние между второй и третьей точками, в которых измеряют температуру, может составлять от 0.01 d до 0.5 d, где d - диаметр растущего кристалла.
Распределение температур в расплаве можно корректировать, располагая неподвижно над расплавом графитовый стержень для задания исходных радиального и осевого температурных градиентов, в котором выполнены каналы. Температуру под расплавом измеряют с помощью термопар, пропущенных через эти каналы. При этом расстояние между нижним торцом графитового стержня и верхом расплава может составлять от 0.01 d до 0.5 d, где d - диаметр растущего кристалла. При этом диаметр графитового стержня может составлять от 0,6 d до 1,3 d, где d - диаметр растущего кристалла. При этом длина графитового стержня может составлять от 1 d до 20 d, где d - диаметр растущего кристалла.
В частности, разность температур между первой и второй точками в зоне нагрева можно поддерживать в пределах от 0,09 Тпл до 0,11 Тпл, где Тпл - температура плавления материала.
В частности, температуру в первой точке в зоне нагрева можно снижать со скоростью от 0.1 до 100 К/час.
В частности, разность температур между второй и третьей точками в зоне нагрева можно поддерживать в пределах от 0.2 К до 20 К.
В частности, температуру во второй точке в зоне нагрева можно снижать со скоростью от 0,1 до 100 К/час.
В частности, температуру в третьей точке в зоне нагрева можно снижать со скоростью от 0,1 до 100 К/час.
В частности, над расплавом можно создать газовую атмосферу под давлением от 10-5 до 10-3 мбар.
В частности, над расплавом можно создать атмосферу аргона или гелия под давлением от 0.5 до 1 бар.
В частности, над расплавом можно создать атмосферу под давлением от 0,5 до 1 бар, причем атмосфера может иметь следующий состав, %:
Аргон - 80-99,99
Водород - 0,01-20
В частности, над расплавом можно создать атмосферу под давлением от 0,5 до 1 бар, причем атмосфера может иметь следующий состав, %:
Гелий - 80-99,99
Водород - 0,01-20
В частности, расплав может содержать кремний.
В частности, расплав может содержать компоненты в следующем соотношении, ат/см3:
Германий - 1020-1024
Галлий - 1017-1020
В частности, расплав может содержать компоненты в следующем соотношении, %:
Мышьяк - 40-60
Галлий - 40-60
В частности, расплав может содержать компоненты в следующем соотношении, %:
Сурьма - 40-60
Галлий - 40-60
В частности, расплав может содержать компоненты в следующем соотношении, %:
Мышьяк - 40-60
Индий - 40-60
В частности, расплав может содержать компоненты в следующем соотношении, %:
Сурьма - 40-60
Индий - 40-60
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ. Устройство содержит верхний основной нагреватель 1 и нижний нагреватель 2, которые располагаются в камере (на чертеже не показана) и создают осесимметричную зону нагрева, в которой температура вверху выше, чем внизу. Внутри нагревателей расположена кварцевая труба 3. Внизу кварцевой трубы 3 вдоль оси расположен держатель 4 кристалла 5. Держатель 4 заканчивается графитовой трубкой 6. На начальной стадии роста роль кристалла 5 играет его затравка, которая без зазора вводится в графитовую трубку 6, что предотвращает вытекание расплава 7. Над поверхностью расплава расположен графитовый стержень 8, внутри которого выполнены каналы для термопар 9 и 10. Первая термопара 11 расположена непосредственно под нижним торцом затравки кристалла 5.
Заявляемый способ реализуется следующим образом. В держатель 4 вставляют затравку кристалла 5, которую вводят без зазора в графитовую трубку 6, создавая тем самым "тигель". В этот тигель порциями наплавляют шихту до тех пор, пока расплав 7 полностью его не заполнит. Непосредственно под затравкой кристалла 5 на оси располагают спай термопары 11. Над поверхностью расплава 7 помещают графитовый стержень 8 с термопарами 9 и 10, пропущенными через каналы в стержне 8, причем термопара 9 расположена на оси, а термопара 10 - вблизи стенки графитовой трубки 6. Сигналы с термопар 9, 10 и 11 подаются на персональный компьютер, который управляет процессом роста по заданной программе. В камере создают необходимую атмосферу и необходимое давление. По программе запускают процессы разогрева шихты, роста кристалла, отжига и охлаждения.
Использование графитовой трубки 6 и графитового стержня 8, обладающих высокой теплопроводностью, позволило минимизировать конвекционные потоки в расплаве 7. Расположение термопары 11 непосредственно вблизи кристалла 5 и термопар 9 и 10 непосредственно вблизи расплава (а не вблизи нагревателей, как в аналогах и других известных технических решениях) позволило найти те режимы роста и поддерживать их с такой точностью, которые обеспечили получение высококачественных кристаллов большого размера.
Пример 1. В установке для роста кристаллов использовали кварцевую трубу 3 длиной 300 мм, внешним диаметром 28 мм и толщиной стенок 1 мм. Верхний основной нагреватель 1 и нижний нагреватель 2 выполнены в виде спиралей с внутренним диаметром 40 мм из пироуглерода. Использовали графитовую трубку 6 длиной 35 мм, внешним диаметром 26 и толщиной стенок 1 мм. Цилиндрическую затравку кристалла 5 толщиной 15 мм на высоту 5 мм вводили в графитовую трубку 6. Использовали графитовый стержень 8 длиной 100 мм и диаметром 26 мм. В стержне 8 выполнены каналы диаметром 3 мм для размещения термопар 9 и 10, спаи которых располагались на расстоянии 0.5 мм от поверхности расплава 7. Спай термопары 11 находился на расстоянии 0.5 мм от затравки кристалла 5.
Пример 1. Для выращивания монокристалла состава Ge:Ga (1019 ат/см3) после введения затравки кристалла 5 создавали расплав 7 того же состава массой 0,08 кг. Камеру откачивали до давления 10-4 мбар. В начале стационарного роста кристалла 5 значения температур, измеряемых термопарами 11, 9 и 10, составляли 1173 К, 1273 К и 1274 К соответственно. В процессе роста осуществляли следующие действия:
1) разогрев со скоростью, изменяющейся по закону
S=Sмакс[1-(Tтекущее/Tзаданное)n],
где S - скорость изменения температуры до начала процесса плавления и выхода на заданный режим, Sмакс - максимально допустимая скорость изменения температуры, Ттекущее - текущее значение температуры, Тзаданное - заданное значение температуры, n - численный коэффициент;
2) выдержка (гомогенизация расплава и установление стационарности тепловых параметров в течение 2,5 ч);
3) рост с заданными осевым 25 К/см и радиальным 1 К/см температурными градиентами при скорости снижения температур 0.1 К/мин на термопарах 9, 10 и 11 до полной кристаллизации расплава;
4) охлаждение со скоростью 0.3 К/мин до 973 К;
5) самопроизвольное охлаждение до 293 К.
Термопары 9 и 10, касаясь поверхности расплава, позволяют фиксировать момент начала плавления и конец кристаллизации (по изменению наклона температурных профилей).
Получены кристаллы диаметром 23 мм и массой 0.08 кг, обладающие следующими характеристиками: 1) параметр решетки 0.565 нм; 2) плотность 5.43 мг/м3; 3) микрооднородность распределения примеси галлия по оси 2%, по радиусу 1.5%; 4) без полос роста.
Пример 2. На той же ростовой установке выращивали кристаллы арсенида галлия (GaAs), для чего после введения затравки кристалла 5 сверху нее устанавливали поликристаллический цилиндр того же состава и диаметра. Затем графитовую трубку 6 для уменьшения потерь летучего компонента - мышьяка (As) сверху плотно закрывали графитовой пластиной. Камеру первоначально откачивают до давления 10-4 мбар, а затем создавали атмосферу аргона давлением ~ 0.5 бар.
В процессе роста выполняли следующие операции.
1) Разогревали нагреватель со скоростью, приведенной в примере 1, до температуры на термопаре 11 1563 К и расплавляли поликристаллический слиток арсенида галлия так, чтобы его расплав соединился с расплавом затравки. Эффект сплавления двух слитков регистрировали с помощью термопар 9, 10 и 11. В начале стационарного роста кристалла 5 значения температур, измеряемых термопарами 9,10 и 11, составляли 1563 К, 1565 К и 1463 К.
2) Выдержка для гомогенизации расплава в течение 3 ч.
3) Рост с заданным осевым 30 К/см и радиальным 2 К/см температурными градиентами при скорости снижения температур 0.05 К/мин на термопарах 9, 10 и 11 до полной кристаллизации расплава.
4) Охлаждение с ускоренной скоростью 0.2 К/мин до 1420 К на термопаре 9.
5) Отжиг кристалла при 1420 К в течение 4 ч.
6) Охлаждение со скоростью 1 К/мин до 973 К.
7) Самопроизвольное охлаждение до 293 К.
Получены кристаллы диаметром 23 мм и массой 0.08 кг, обладающие следующими характеристиками: 1) параметр решетки 0.565 нм; 2) плотность 5.32 мг/м3; 3) отсутствие микрополосчатости.
Пример 3. На той же ростовой установке выращивали кристаллы антимонида галлия, легированного теллуром: GaSb:Te (1018 ат/см3), для чего после введения затравки кристалла 5 сверху нее устанавливали поликристаллический цилиндр того же состава и диаметра. Затем графитовую трубку 6 для уменьшения потерь летучего компонента - сурьмы (Sb) сверху плотно закрывали графитовой пластиной. Камеру первоначально откачивали до остаточного давления 10-4 мбар, а затем создавали атмосферу аргона под давлением 0.5 бар.
В процессе роста осуществляли следующие операции.
1) Разогревали нагреватель со скоростью, приведенной в примере 1, до температуры 1033 К на термопаре 11 и расплавляли поликристаллический слиток антимонида галлия, легированного теллуром так, чтобы его расплав соединился с расплавом затравки. Эффект сплавления двух слитков регистрировали с помощью термопар 9, 10 и 11. Приток тепла в момент сплавления двух слитков наиболее четко регистрируется термопарой 11. В начале стационарного роста кристалла 5 значения температур, измеряемых термопарами 9, 10 и 11, составляли 1033 К, 1035 К и 933 К соответственно.
2) Выдержка для гомогенизации расплава в течение 4 ч.
3) Рост с заданным осевым 30 К/см и радиальным 2 К/см температурными градиентами при скорости снижения температур 0.05 К/мин на термопарах 9, 10 и 11 до полной кристаллизации расплава.
4) Охлаждение с ускоренной скоростью 0.3 К/мин на термопаре 9 и 0.2 К/мин на термопаре 11 до установления на них одной и той же температуры ~830 К.
5) Ускоренное безградиентное охлаждение до 730 К.
6) Самопроизвольное охлаждение до комнатной температуры.
Получены кристаллы диаметром 23 мм и массой 0.09 кг, обладающие следующими характеристиками: 1) параметр решетки 0.61 нм; 2) плотность 5.65 мг/м3; 3) отсутствие микрополосчатости.

Claims (17)

1. Способ выращивания кристаллов, включающий создание градиента температуры вдоль оси зоны нагрева, помещение затравки кристалла и расплава в зону нагрева таким образом, чтобы расплав располагался над кристаллом, приведение затравки и расплава в контакт, измерение температуры в трех точках зоны нагрева и использование разности измеренных температур в качестве сигнала управления процессом роста кристалла, отличающийся тем, что первая точка, в которой измеряют температуру, расположена непосредственно под кристаллом на оси зоны нагрева, вторая и третья точки, в которых измеряют температуру, расположены непосредственно над расплавом, при этом вторая точка расположена на оси зоны нагрева, а третья точка - вне этой оси, причем распределение температур в расплаве корректируют, помещая расплав внутри графитовой трубки и располагая над поверхностью расплава графитовый стержень, в котором выполнены каналы, а температуру над расплавом измеряют с помощью термопар, пропущенных через эти каналы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между первой и второй точками, в которых измеряют температуру, составляет от 0.2 до 20 d, где d - диаметр растущего кристалла.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между второй и третьей точками, в которых измеряют температуру, составляет от 0.01 до 0.5 d, где d - диаметр растущего кристалла.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравку кристалла помещают внизу графитовой трубки без зазора.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравку кристалла вводят в графитовую трубку на высоту от 0.1 до 1L, где L - длина графитовой трубки.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что графитовый стержень размещают неподвижно относительно нагревателя и поверхности расплава.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр графитового стержня составляет от 0.6 до 1.3 d, где d - диаметр растущего кристалла.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина графитового стержня составляет от 1 до 20 d, где d - диаметр растущего кристалла.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность температур между первой и второй точками в зоне нагрева поддерживают в пределах от 0,09 до 0,11 Тпл, где Тпл - температура плавления материала.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в первой точке в зоне нагрева снижают со скоростью от 0.1 до 100 К/ч.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность температур между второй и третьей точками в зоне нагрева поддерживают в пределах от 0.2 до 20 К.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру во второй точке в зоне нагрева снижают со скоростью от 0.1 до 100 К/ч.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в третьей точке в зоне нагрева снижают со скоростью от 0.1 до 100 К/ч.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что над расплавом создают газовую атмосферу под давлением от 10-5 до 10-3 мбар.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что над расплавом создают атмосферу аргона или гелия под давлением от 0.5 до 1 бар.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что над расплавом создают атмосферу под давлением от 0.5 до 1 бар, причем атмосфера имеет следующий состав, %:
Аргон - 80 - 99,99
Водород - 0,01 - 20
17. Способ по п.1, отличающийся тем, что над расплавом создают атмосферу под давлением от 0.5 до 1 бар, причем атмосфера имеет следующий состав, %:
Гелий - 80 - 99,99
Водород - 0,01 - 20
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит кремний.
19. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит компоненты в следующем соотношении, ат/см3:
Германий - 1020 - 1024
Галлий - 1017 - 1020
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит компоненты в следующем соотношении, %:
Мышьяк - 40 - 60
Галлий - 40 - 60
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит компоненты в следующем соотношении, %:
Сурьма - 40 - 60
Галлий - 40 - 60
22. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит компоненты в следующем соотношении, %:
Мышьяк - 40 - 60
Индий - 40 - 60
23. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав содержит компоненты в следующем соотношении, %:
Сурьма - 40 - 60
Индий - 40 - 60с
RU2002101885A 2002-01-28 2002-01-28 Способ выращивания кристаллов RU2199614C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002101885A RU2199614C1 (ru) 2002-01-28 2002-01-28 Способ выращивания кристаллов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002101885A RU2199614C1 (ru) 2002-01-28 2002-01-28 Способ выращивания кристаллов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2199614C1 true RU2199614C1 (ru) 2003-02-27

Family

ID=20255152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002101885A RU2199614C1 (ru) 2002-01-28 2002-01-28 Способ выращивания кристаллов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2199614C1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7344596B2 (en) System and method for crystal growing
US8506706B2 (en) Systems, methods and substrates of monocrystalline germanium crystal growth
EP0068021A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR FORMING AND GROWING A SINGLE CRYSTAL OF A SEMICONDUCTOR CONNECTION.
KR20070039607A (ko) 용융물로부터 단결정을 성장시키는 방법
US5268061A (en) Method and apparatus for producing a manganese-zinc ferrite single crystal using a local liquid pool formation
US4904336A (en) Method of manufacturing a single crystal of compound semiconductor and apparatus for the same
JP3232461B2 (ja) 単結晶の成長方法
US20020148402A1 (en) Growing of homogeneous crystals by bottom solid feeding
RU2199614C1 (ru) Способ выращивания кристаллов
EP0104741B1 (en) Process for growing crystalline material
WO2007064247A2 (fr) Procede de croissance de cd1-xznxte, ou 0$m(f)x$m(f)1
RU2199615C1 (ru) Устройство для выращивания кристаллов
US4654196A (en) Process for producing a polycrystalline alloy
JP3569954B2 (ja) 半導体結晶の成長方法
US3087799A (en) Process for preparation of cadmium sulfide crystals
RU2813036C1 (ru) Способ выращивания монокристаллов тройного соединения цинка, германия и фосфора
JP6400946B2 (ja) Si‐Ge系固溶体単結晶の製造方法
RU2338815C2 (ru) Способ выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия или цезия и устройство для его реализации
JP3812573B2 (ja) 半導体結晶の成長方法
WO2010053586A2 (en) Systems, methods and substrates of monocrystalline germanium crystal growth
JP2543449B2 (ja) 結晶成長方法および装置
JPH0341432B2 (ru)
JP3154351B2 (ja) 単結晶の育成方法
JP2022020187A (ja) FeGa合金単結晶の製造方法
TWI513865B (zh) 微坑密度(mpd)低之鍺鑄錠/晶圓及用於其製造之系統和方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100129