RU2304642C2 - Method of growing germanium monocrystals - Google Patents
Method of growing germanium monocrystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2304642C2 RU2304642C2 RU2005112799/15A RU2005112799A RU2304642C2 RU 2304642 C2 RU2304642 C2 RU 2304642C2 RU 2005112799/15 A RU2005112799/15 A RU 2005112799/15A RU 2005112799 A RU2005112799 A RU 2005112799A RU 2304642 C2 RU2304642 C2 RU 2304642C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- holes
- crystal
- former
- crucible
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов германия из расплава.The invention relates to methods for growing single crystals of germanium from a melt.
Уровень техникиState of the art
Известен способ получения монокристаллов германия вытягиванием из расплава модифицированным способом Степанова (Получение профилированных монокристаллов и изделий способом Степанова. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костыгов А.С. и др. Л.: Наука, 1981. С.136-137, 171-175). Согласно способу выращивание монокристаллов производится путем предварительного плавления исходного материала в тигле и кристаллизации его на вращающейся монокристаллической затравке с использованием погружаемого в расплав формообразователя (выполненного в виде кольца или иной формы, отвечающей профилю выращиваемого слитка), который жестко крепится на шток затравки. На первом этапе в процессе роста от вращающегося вместе с формообразователем затравочного монокристалла без вытягивания формируется выращиваемый кристалл, который достигает формообразователя и приобретает задаваемую боковую поверхность. На втором этапе производится вытягивание монокристалла совместно с формообразователем в осевом направлении (то есть формирование слитка по высоте).A known method of producing single crystals of germanium by extrusion from a melt by the modified Stepanov method (Production of profiled single crystals and products by the Stepanov method. Antonov PI, Zatulovsky LM, Kostygov AS and others L .: Nauka, 1981. P.136 -137, 171-175). According to the method, single crystals are grown by preliminary melting the starting material in a crucible and crystallizing it on a rotating single-crystal seed using a former immersed in the melt (made in the form of a ring or another shape corresponding to the profile of the grown ingot), which is rigidly attached to the seed rod. At the first stage, during the growth process from a seed single crystal rotating together with the former, the grown crystal is formed without stretching, which reaches the former and acquires a given side surface. At the second stage, the single crystal is pulled together with the die in the axial direction (i.e., the formation of the ingot in height).
Недостатком этого способа является низкий выход монокристаллов, связанный с высокими уровнями термических напряжений в слитках, возникающих в момент вытягивания их в осевом направлении. Термические напряжения приводят к значительной неоднородности показателя преломления в монокристаллах, используемых в инфракрасной оптике, снижению механической прочности слитков - растрескиванию их при механической обработке. Вторым существенным недостатком является сложное технологическое обеспечение процесса выращивания: существенная (большая) масса расплава германия, превышающая массу слитка в 3-4 раза; сложность изготовления и крепления формообразователей на штоке затравки.The disadvantage of this method is the low yield of single crystals associated with high levels of thermal stresses in the ingots that occur when they are pulled in the axial direction. Thermal stresses lead to a significant heterogeneity of the refractive index in single crystals used in infrared optics, a decrease in the mechanical strength of the ingots — their cracking during mechanical processing. The second significant drawback is the complex technological support of the growing process: a significant (large) mass of the germanium melt, exceeding the mass of the ingot by 3-4 times; the complexity of the manufacture and mounting of the formers on the stock rod.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, изложенный в патенте №1266103 (Франция, 1961) - способ получения монокристаллов германия, кремния и интерметаллических соединений, заключающийся в том, что кристаллизацию ведут сверху вниз от неподвижной затравки, причем в стенках формы (тигля) имеются очень мелкие отверстия, через которые вытекает избыток расплава, образующийся из-за увеличения объема при затвердевании. Согласно способу тигель является непосредственно формообразователем, придающим заданную форму выращиваемым слиткам. Отверстия в тигле сделаны для удаления излишнего количества расплава, образующегося из-за разницы плотностей жидкой и твердой фаз кристаллизующегося материала. При плотности жидкой фазы, большей, чем твердой фазы, кристаллизация идет с увеличением объема примерно на 5,3%.Closest to the proposed method is the method described in patent No. 1266103 (France, 1961) - a method for producing single crystals of germanium, silicon and intermetallic compounds, which consists in the fact that crystallization is from top to bottom from a fixed seed, and in the walls of the form (crucible) there are very small holes through which excess melt flows, resulting from an increase in volume upon solidification. According to the method, the crucible is directly a shaper, giving a given shape to the grown ingots. The holes in the crucible are made to remove excessive amounts of melt formed due to the difference in densities of the liquid and solid phases of the crystallizing material. When the density of the liquid phase is greater than the solid phase, crystallization occurs with an increase in volume of approximately 5.3%.
Указанный способ выращивания монокристаллов имеет существенные недостатки. Способ технически трудно реализуем в промышленном масштабе - для выращивания кристаллов каждого заданного размера необходим свой тигель достаточно сложной конфигурации. Не определено ни количество отверстий, ни их размер - в конечном итоге это может привести либо к вытеканию исходного расплава, либо к разрыву тигля в момент кристаллизации. Извлечение выращенного кристалла из тигля связано с возможностью механического разлома тигля и растрескивания кристалла. Выращивание кристалла - формирование его основной верхней поверхности - без вращения практически всегда приводит к появлению дефектов структуры - к поликристаллизации и к неоднородному распределению примесей. Указанные недостатки значительно снижают выход годной продукции, приводят к повышенному расходу материала (графита германия) и делают применение метода практически невозможным в промышленных масштабах.The specified method of growing single crystals has significant disadvantages. The method is technically difficult to implement on an industrial scale - to grow crystals of each given size, you need your own crucible of a rather complicated configuration. Neither the number of holes, nor their size is determined — ultimately, this can lead either to the outflow of the initial melt or to rupture of the crucible at the time of crystallization. The extraction of the grown crystal from the crucible is associated with the possibility of mechanical fracture of the crucible and cracking of the crystal. Crystal growth — the formation of its main upper surface — without rotation almost always leads to structural defects — polycrystallization and an inhomogeneous distribution of impurities. These shortcomings significantly reduce the yield of products, lead to increased consumption of material (graphite germanium) and make the application of the method practically impossible on an industrial scale.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
В основу изобретения поставлена задача повышения выхода годной продукции за счет получения монокристаллов универсальной формы, без дефектов структуры, свободных от механических напряжений, однородных по распределению примесей, с высокой производительностью и с существенным снижением технологических затрат.The basis of the invention is the task of increasing the yield of products due to the production of single crystals of a universal shape, without structural defects, free of mechanical stresses, homogeneous in the distribution of impurities, with high productivity and with a significant reduction in technological costs.
Согласно предложенному способу в тигель (обычно круглой формы) осесимметрично помещают формообразователь в виде обечайки (круглой или иной формы). В формообразователе в месте примыкания нижней части формообразователя к тиглю выполнены отверстия. Радиус отверстий (r) не должен быть больше максимального радиуса (rmax), определяемого по формулеAccording to the proposed method, a die in the form of a shell (round or other shape) is placed axisymmetrically in a crucible (usually round). Holes are made in the former at the junction of the lower part of the former with the crucible. The radius of the holes (r) should not be greater than the maximum radius (r max ), determined by the formula
где К=0,2 см2 - постоянный коэффициент (для германия); h - уровень расплава германия в формообразователе (см).where K = 0.2 cm 2 is a constant coefficient (for Germany); h is the level of the germanium melt in the former (cm).
Количество (N) отверстий в формообразователе составляет 12-18 шт., отверстия расположены на одинаковых расстояниях друг от друга.The number (N) of holes in the former is 12-18, the holes are located at equal distances from each other.
Размеры и количество отверстий были оценены теоретически и проверены опытным путем на основании результатов выращивания монокристаллов германия в форме диска диаметрами 100-300 мм, в форме квадрата и прямоугольника со сторонами сечения 100-200 мм.The size and number of holes were estimated theoretically and tested empirically on the basis of the results of growing germanium single crystals in the form of a disk with diameters of 100-300 mm, in the form of a square and rectangle with sides of the cross section of 100-200 mm.
Проведение процесса выращивания. В формообразователь помещают исходную загрузку и расплавляют ее. Расплав остается в формообразователе и не вытекает через отверстия в тигель из-за сил поверхностного натяжения. В расплав помещают вращающийся затравочный кристалл и на первом этапе проводят кристаллизацию в радиальном направлении с вращением выращиваемого кристалла до момента касания его формообразователя. Далее без вращения путем снижения температуры проводят кристаллизацию в осевом направлении до полного затвердевания всего объема расплава. Избыток расплава германия, образующийся при кристаллизации, вытекает через отверстия и затвердевает на дне тигля. При выращивании кристаллов германия вся оснастка - тигель, формообразователь, нагреватель, экраны - выполнены из графита.The process of growing. The initial load is placed in the former and the melt is melted. The melt remains in the former and does not flow out through the holes in the crucible due to surface tension forces. A rotating seed crystal is placed in the melt, and at the first stage, crystallization is carried out in the radial direction with the rotation of the grown crystal until the mold is touched. Further, without rotation by lowering the temperature, crystallization is carried out in the axial direction until the entire melt volume solidifies. The excess germanium melt formed during crystallization flows out through the holes and solidifies at the bottom of the crucible. When growing germanium crystals, all the equipment - a crucible, a former, a heater, and screens - are made of graphite.
Краткое описание и чертежи.Short description and drawings.
Изобретение поясняется прилагаемой фиг.1, на которой представлены основные стадии процесса выращивания монокристаллов германия согласно предлагаемому способу. На фиг.1а) представлена начальная стадия процесса: в формообразователе 1, помещенном в тигель 2, создали расплав 3, высота которого составляет h. В формообразователе 1 - в нижней его части, примыкаемой к дну тигля 2, выполнены отверстия 4.The invention is illustrated by the attached figure 1, which presents the main stages of the process of growing single crystals of germanium according to the proposed method. On figa) presents the initial stage of the process: in the former 1, placed in the
На фиг.1б) представлена первая стадия выращивания монокристалла германия. На затравочный кристалл 5, вращающийся с заданной угловой скоростью ω, выращивается кристалл 6. Вращение кристалла 6 осуществляется до тех пор, пока его диаметр не приблизится к диаметру формообразователя 1 (касание кристаллом формообразователя). Затем вращение кристалла 6 останавливают, верхняя поверхность расплава полностью кристаллизуется.On figb) presents the first stage of growing a single crystal of germanium. A crystal 6 is grown on a seed crystal 5 rotating with a given angular velocity ω. The crystal 6 is rotated until its diameter is close to the diameter of the former 1 (the crystal touches the former). Then the rotation of the crystal 6 is stopped, the upper surface of the melt is completely crystallized.
На заключительной стадии процесса (фиг.1в) кристаллизация осуществляется без вращения в замкнутом объеме расплава 3. Избыточное количество расплава 7, образующегося при кристаллизации, вытекает через капиллярные отверстия 4 на дно тигля 2. Процесс вытекания избыточного количества расплава 7 будет иметь место, пока не затвердеет весь объем расплава 3 в формообразователе.At the final stage of the process (figv) crystallization is carried out without rotation in a closed volume of the
Расчетные обоснования, подтверждающие возможность осуществления изобретенияCalculation justifications confirming the possibility of carrying out the invention
1. Оценка требуемых радиусов отверстий1. Assessment of the required radii of the holes
На фиг.2 представлена половина разреза, проходящего через одно из отверстий в формообразователе, заполненном расплавом германия с начальной высотой h. Эта высота остается постоянной от момента расплавления до момента полной кристаллизации поверхности расплава.Figure 2 shows half of the section passing through one of the holes in the former, filled with a germanium melt with an initial height h. This height remains constant from the moment of melting to the moment of complete crystallization of the surface of the melt.
Графит не смачивается расплавом германия, причем равновесный угол смачивания θр равен 139° (Костиков В.И., Белов Г.В. Гидродинамика пористых графитов. М.: Металлургия, 1988. 208 С.). Зная величину поверхностного натяжения расплава германия при температуре плавления Т=1210К, можно найти величину максимального радиуса отверстия rmax, при котором расплав высотой h еще удерживается силами поверхностного натяжения и не вытекает из отверстия. Радиус rmax находится из уравнения Жюпрена для высоты капиллярного поднятия (в нашем случае несмачивания - капиллярного опускания) жидкости с плотностью ρж:Graphite is not wetted by a germanium melt, and the equilibrium wetting angle θ p is 139 ° (Kostikov V.I., Belov G.V. Hydrodynamics of porous graphites. M .: Metallurgy, 1988. 208 S.). Knowing the surface tension of the germanium melt at a melting temperature T = 1210 K, one can find the maximum hole radius r max at which the melt of height h is still held by surface tension forces and does not flow out of the hole. The radius r max is found from the Jupren equation for the height of the capillary rise (in our case of non-wetting - capillary lowering) of a liquid with a density ρ w :
где g=980 см·с-2 - ускорение свободного падения, ρж=5,61 г·см-2, σж-г=700 дин·см-1 (Физические величины. Справочник. А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др./ Под ред. И.С.Григорьева, И.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 С.).where g = 980 cm · s -2 is the acceleration of gravity, ρ w = 5.61 g · cm -2 , σ w-g = 700 dyn · cm -1 (Physical quantities. Reference. A.P. Babichev, N .A.Babushkina, A.M. Bratkovsky et al. / Under the editorship of I.S. Grigoriev, I.Z. Meilikhov. M.: Energoatomizdat, 1991. 1232 S.).
Знак модуля в формуле (2) вызван несмачиваемостью графита расплавом германия, в связи с которой cosθp<0.The sign of the modulus in formula (2) is caused by the non-wettability of graphite by a germanium melt, in connection with which cosθ p <0.
На фиг.2 мениск расплава в отверстии показан не на внешней, а на внутренней поверхности формообразователя, толщина стенок которого равна l. Это связано с тем, что кристаллы германия выращиваются в условиях, при которых радиальный градиент температуры 
где величина К=0,2 см2. Если, например, начальный уровень расплава германия соответствует h=4 см, величина rmax=0,05 см, а диаметр отверстия dmax=0,1 см. Минимально возможные размеры отверстий rmin можно найти из условия равенства капиллярного давления пределу прочности τ для графита. Согласно (Костиков В.И., Белов Г.В. Гидродинамика пористых графитов. М.: Металлургия, 1988. 208 С.) величина τ имеет порядок (1-10) МПа (или 107-108 дин·см2). Тогда для σ=1 МПаwhere the value of K = 0.2 cm 2 . If, for example, the initial level of the germanium melt corresponds to h = 4 cm, the value r max = 0.05 cm, and the hole diameter d max = 0.1 cm. The minimum possible hole sizes r min can be found from the condition that the capillary pressure is equal to the ultimate strength τ for graphite. According to (Kostikov V.I., Belov G.V. Hydrodynamics of porous graphites. M .: Metallurgy, 1988. 208 С.) the value of τ is of the order of (1-10) MPa (or 10 7 -10 8 dyne · cm 2 ) . Then for σ = 1 MPa
а для σ=10 МПа соответственно, rmin≈0,1 мкм.and for σ = 10 MPa, respectively, r min ≈0.1 μm.
Сверление отверстий столь малых радиусов, во-первых, технически трудно осуществить, во-вторых, для протекания необходимого объема расплава потребовалось бы очень большое количество таких отверстий. В противном случае скорости истечения расплава достигали бы высоких значений и необходимо было бы учитывать дополнительное давление, требующееся для преодоления сил вязкого трения и инерции (Пастухов Б.А., Лощенко А.В., Фурман Е.Л., Хлынов В.В. Кинетика капиллярного течения расплавов в щелевом и цилиндрическом каналах // Расплавы. 1988. Т.2. Вып.4. С.8-13). Это в свою очередь привело бы к увеличению rmin.Drilling holes of such small radii, firstly, is technically difficult to carry out, and secondly, for the passage of the required volume of the melt would require a very large number of such holes. Otherwise, the melt flow rates would reach high values and it would be necessary to take into account the additional pressure required to overcome the forces of viscous friction and inertia (Pastukhov B.A., Loshchenko A.V., Furman E.L., Hlynov V.V. Kinetics of the capillary flow of melts in slot and cylindrical channels // Melts. 1988. V.2.
Таким образом, при любых реально осуществимых радиусах отверстий, меньших, чем rmax, определяемых (2), их величины будут заведомо большими, чем rmin. Поэтому существенным для формулы изобретения является только максимальный радиус отверстий rmax, который нами и задается.Thus, for any realizable hole radii smaller than r max defined by (2), their values will be known to be larger than r min . Therefore, essential for the claims is only the maximum radius of the holes r max , which we set.
2. Оценка требуемого количества отверстий N2. Estimation of the required number of holes N
Количество отверстий N и их взаимное расположение в формообразователе должно отвечать следующим требованиям:The number of holes N and their relative position in the former must meet the following requirements:
а) величина N должна быть как можно меньшей. Это обусловлено как высокой трудоемкостью сверления большого числа отверстий, так и возможным снижением прочности формообразователя;a) the value of N should be as small as possible. This is due to both the high complexity of drilling a large number of holes, and a possible decrease in the strength of the former;
б) величина N должна быть такой, чтобы общая площадь сечения отверстий S=Nπr2 обеспечивала вытекание расплава в ламинарном режиме, т.е. с достаточно низкой скоростью. При этом должны быть исключены рост давления, обусловленный силами вязкого трения и инерции, и такие гидродинамические эффекты, как разбрызгивание мелких капель на выходе из отверстий. Для типичных значений параметров, характеризующих процессы выращивания кристаллов германия (времени t≈3 часа (104 c) от момента полной кристаллизации поверхности расплава в формообразователе до момента кристаллизации во всем его объеме; первоначального объема расплава Ω0≈1 л (103 см3); объема части расплава Ω≈2/3 Ω0, кристаллизующейся в тигле после полной кристаллизации поверхности; радиусах отверстий r≈rmax≈5·10-2 см, количество которых N равно (например, двенадцати), имеем, при равномерном вытекании требуемого объема расплава Ω'= Ω(ρж-ρтв)/ρтв, следующее значение средней скорости течения V расплава в отверстияхb) the value of N should be such that the total cross-sectional area of the holes S = Nπr 2 allows the melt to flow out in the laminar regime, i.e. with a fairly low speed. In this case, the pressure increase due to the forces of viscous friction and inertia, and such hydrodynamic effects as the spraying of small drops at the outlet of the holes should be excluded. For typical values of parameters characterizing the processes of growing germanium crystals (time t≈3 hours (10 4 s) from the moment of complete crystallization of the melt surface in the former to the moment of crystallization in its entire volume; the initial volume of the melt is Ω 0 ≈ 1 l (10 3 cm 3 ); the volume of the part of the melt Ω≈2 / 3 Ω 0 that crystallizes in the crucible after complete crystallization of the surface; the radii of the holes r≈r max ≈5 · 10 −2 cm, the number of which N is equal to (for example, twelve), we have, with uniform outflow the required melt volume Ω '= Ω (ρ w -ρ tv ) / ρ TV , the following value of the average flow velocity V of the melt in the holes
Столь малые значения скорости течения соответствуют ламинарному течению расплава. Это подтверждается низким значением критерия Рейнольдса Re, который может быть в нашем случае рассчитан по формуле (Зейналов Д.А., Старшинова И.В., Титюник Л.Н., Филиппов М.А. О взаимосвязи гидродинамической устойчивости расплава и радиальной примесной неоднородности в кристаллах. В кн.: Математическое моделирование. Получение монокристаллов и полупроводниковых структур. М.: Наука, 1986. С.59-66.):Such small values of the flow velocity correspond to the laminar flow of the melt. This is confirmed by the low value of the Reynolds criterion Re, which can be calculated in our case by the formula (Zeynalov D.A., Starshinova I.V., Titiunik L.N., Filippov M.A. On the relationship of the hydrodynamic stability of the melt and the radial impurity inhomogeneity in crystals. In the book: Mathematical modeling. Obtaining single crystals and semiconductor structures. M: Nauka, 1986. S. 59-66.):
где ν=102 пуаз - кинетическая вязкость расплава германия при температуре плавления. Для V=2,5·10-2 см/с, r=0,5·10-2 см, имеем Re≈0,25. В то же время критическими значениями критерия Рейнольдса при течении жидкости по трубкам круглого сечения считается значение Re=2320. Даже для отверстий с радиусами не 0,5 мм, а 0,1 мм критерий Рейнольдса (Re≈1,25) остается намного ниже критического. Поэтому условие ламинарности течения расплава в отверстиях технически возможных размеров при любых их количествах N заведомо выполняется;where ν = 10 2 poise is the kinetic viscosity of the germanium melt at the melting temperature. For V = 2.5 · 10 -2 cm / s, r = 0.5 · 10 -2 cm, we have Re≈0.25. At the same time, Re = 2320 is considered critical values of the Reynolds criterion for fluid flow through circular tubes. Even for holes with radii not 0.5 mm, but 0.1 mm, the Reynolds criterion (Re≈1.25) remains much lower than the critical one. Therefore, the condition of laminar flow of the melt in the holes of technically feasible sizes for any amounts of N is obviously satisfied;
в) отверстия в формообразователе должны быть расположены равномерно, расстояния между соседними отверстиями формообразователя должны быть одинаковыми;c) the holes in the shaper should be evenly spaced, the distances between adjacent holes of the shaper should be the same;
г) расстояния между соседними отверстиями в формообразователе не должны из-за неоднородности теплового поля превышать значений, при которых возможно появление хотя бы одной замкнутой области объема расплава, примыкающей к участку боковой стенки, на котором нет ни одного отверстия.d) the distance between adjacent holes in the former should not exceed, due to the inhomogeneity of the thermal field, the values at which the appearance of at least one closed region of the melt volume adjacent to the side wall section on which there is not a single hole is possible.
Согласно авторам (Вейник А.И. В кн.: Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М.: Металлургия, 1965. С.237) пульсации температуры при выращивании кристаллов германия по амплитуде составляют примерно 1-5К. Экспериментально снятые розетки температуры в типовых ростовых установках обнаруживают максимальную неоднородность температуры по образующей стенке тигля порядка 10К. Такие радиальные температурные перекосы способствуют появлению несимметричных течений в тигле, приводящих к турбулизации расплава и к пульсациям температуры в объеме тигля. При этом могут существовать переохлаждения порядка 5-10К, вызывающие такую кристаллизацию, при которой вблизи стенки формообразователя останутся замкнутые твердой фазой (кристаллом) области расплава, не имеющие выхода в отверстия. В этом случае дальнейшее снижение температуры и кристаллизация приведут к давлению на прилегающие участки стенки тигля и к его разрушению. Количество изломов на изотермах расплава в горизонтальной плоскости, соответствующих изменениям температуры на 5-10К, обычно лежит в пределах 20-30К. Поэтому для гарантированного исключения кристаллизации замкнутых областей расплава на участках стенки формообразователя, не имеющих отверстий, оптимальное количество отверстий N должно лежать в пределах 12-18 шт.According to the authors (Veinik A. I. In the book: Technical thermodynamics and the basics of heat transfer. M .: Metallurgy, 1965. P.237) the temperature pulsations during the growth of germanium crystals in amplitude are approximately 1-5K. The experimentally measured temperature sockets in typical growth plants show the maximum temperature inhomogeneity along the generatrix of the crucible wall of about 10 K. Such radial temperature distortions contribute to the appearance of asymmetric flows in the crucible, leading to turbulization of the melt and to pulsations of temperature in the volume of the crucible. In this case, subcoolings of the order of 5–10 K can exist, causing such crystallization, in which melt regions closed by the solid phase (crystal) of the melt without exit to the openings remain near the wall of the former. In this case, a further decrease in temperature and crystallization will lead to pressure on the adjacent sections of the crucible wall and to its destruction. The number of fractures on the isotherms of the melt in the horizontal plane, corresponding to changes in temperature by 5-10K, usually lies in the range of 20-30K. Therefore, to ensure the elimination of crystallization of closed regions of the melt in the sections of the wall of the former that do not have holes, the optimal number of holes N should be within 12-18 pcs.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Пример 1.Example 1
Для выращивания монокристалла германия в форме диска диаметром 180 мм и высотой 40 мм в основной графитовый тигель (имеющий внутренний диаметр 220 мм) установили графитовый формообразователь в виде обечайки круглой формы с внутренним диаметром 180 мм (толщина стенки формообразователя составляла 5 мм). Исходя из высоты кристалла (уровня расплава) 40 мм, рассчитали максимально возможный радиус отверстий, который в данном случае составлял 0,5 мм. В нижней части формообразователя, примыкающей к дну тигля, на одинаковом расстоянии друг от друга выполнили 12 отверстий радиусом 0,5 мм. В формообразователь загрузили 5,62 кг зонноочищенного поликристаллического германия (марки ГПЗ). Установку вакуумировали, нагревателем расплавляли загрузку, после чего проводили процесс выращивания. На первом этапе - вращающийся со скоростью 18 об/мин затравочный кристалл опускали в расплав, создавали нагревателем необходимое переохлаждение и разращивали кристалл в радиальном направлении до диаметра 175 мм. Затем вращение кристалла останавливали. Второй этап заключался в регулируемом снижении температуры в течение 3,5 часов до полной кристаллизации всего объема расплава. Избыток образующегося при кристаллизации расплава вытек через отверстия формообразователя на дно тигля и также закристаллизовался. Вес вытекшего германия составлял 290 грамм. После остывания кристалл германия извлекли из формообразователя. Выращенный монокристалл имел диаметр 180 мм и высоту 40 мм; не имел выраженных механических напряжений. Монокристалл имел удовлетворительно однородное по сечению распределение примеси - 15%.To grow a germanium single crystal in the form of a disk with a diameter of 180 mm and a height of 40 mm, a graphite former in the form of a round shell with an inner diameter of 180 mm (the thickness of the former was 5 mm) was installed in the main graphite crucible (having an inner diameter of 220 mm). Based on the height of the crystal (melt level) 40 mm, the maximum possible radius of the holes was calculated, which in this case was 0.5 mm. In the lower part of the former, adjacent to the bottom of the crucible, 12 holes with a radius of 0.5 mm were made at the same distance from each other. 5.62 kg of zone-purified polycrystalline germanium (GPZ grade) was loaded into the former. The installation was evacuated, the charge was melted with a heater, and then the growth process was carried out. At the first stage, the seed crystal rotating at a speed of 18 rpm was lowered into the melt, the necessary supercooling was created by the heater, and the crystal was grown in the radial direction to a diameter of 175 mm. Then the rotation of the crystal was stopped. The second stage consisted of a controlled decrease in temperature over 3.5 hours until the entire melt volume was completely crystallized. The excess formed during crystallization of the melt leaked through the holes of the former to the bottom of the crucible and also crystallized. The weight of the leaked germanium was 290 grams. After cooling, the germanium crystal was removed from the former. The grown single crystal had a diameter of 180 mm and a height of 40 mm; had no pronounced mechanical stresses. The single crystal had a satisfactorily uniform cross section impurity distribution of 15%.
Пример 2.Example 2
Для выращивания монокристалла германия в форме квадрата со стороной 120 мм и высотой 50 мм в основной графитовый тигель (имеющий внутренний диаметр 220 мм) установили графитовый формообразователь в виде обечайки квадратной формы со стороной (внутренней) 120 мм (толщина стенки формообразователя составляла 7 мм). Исходя из высоты кристалла (уровня расплава) 60 мм, рассчитали максимально возможный радиус отверстий, который в данном случае составлял 0,33 мм. В нижней части формообразователя, примыкающей к дну тигля, на одинаковом расстоянии друг от друга выполнили 16 отверстий радиусом 0,3 мм. Отверстия выполнили так, чтобы 4 отверстия располагались на четырех углах квадратного формообразователя. В формообразователь загрузили 4,8 кг зонноочищенного поликристаллического германия (марки ГПЗ). Установку вакуумировали, нагревателем расплавляли загрузку, после чего проводили процесс выращивания. На первом этапе вращающуюся со скоростью 16 об/мин затравку опускали в расплав, создавали нагревателем необходимое переохлаждение и разращивали в радиальном направлении до диаметра 105 мм. Затем вращение кристалла останавливали. Второй этап заключался в регулируемом снижении температуры в течение 4-х часов до полной кристаллизации всего объема расплава. Избыток образующегося при кристаллизации расплава вытек через отверстия формообразователя на дно тигля и также закристаллизовался. Вес вытекшего германия составлял 250 грамм. После остывания кристалл германия извлекли из формообразователя. Выращенный монокристалл имел форму квадрата со стороной 120 мм и высотой 50 мм; не имел выраженных механических напряжений. Монокристалл имел удовлетворительно однородное по сечению распределение примеси - 12%.To grow a germanium single crystal in the form of a square with a side of 120 mm and a height of 50 mm, a graphite former in the form of a square shell with a side (inner) of 120 mm was installed in the main graphite crucible (having an inner diameter of 220 mm (the wall thickness of the former was 7 mm). Based on the height of the crystal (melt level) 60 mm, the maximum possible radius of the holes was calculated, which in this case was 0.33 mm. In the lower part of the former, adjacent to the bottom of the crucible, 16 holes with a radius of 0.3 mm were made at the same distance from each other. The holes were made so that 4 holes were located at the four corners of the square former. 4.8 kg of zone-purified polycrystalline germanium (GPZ grade) was loaded into the former. The installation was evacuated, the charge was melted with a heater, and then the growth process was carried out. At the first stage, the seed rotating at a speed of 16 rpm was lowered into the melt, the necessary supercooling was created by the heater, and radially expanded to a diameter of 105 mm. Then the rotation of the crystal was stopped. The second stage consisted of a controlled decrease in temperature for 4 hours until complete crystallization of the entire melt volume. The excess formed during crystallization of the melt leaked through the holes of the former to the bottom of the crucible and also crystallized. The weight of the leaked germanium was 250 grams. After cooling, the germanium crystal was removed from the former. The grown single crystal had the shape of a square with a side of 120 mm and a height of 50 mm; had no pronounced mechanical stresses. The single crystal had a satisfactorily uniform cross section of the impurity distribution — 12%.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Применение способа позволило успешно получать монокристаллы германия (в том числе крупногабаритные) с различной формой сечения, применяемые для изготовления оптических деталей (линзы, защитные окна) инфракрасной техники. Монокристаллы, полученные по предлагаемому способу, применены при серийном производстве в промышленности.The application of the method allowed to successfully obtain single crystals of germanium (including large) with various cross-sectional shapes, used for the manufacture of optical parts (lenses, protective windows) of infrared technology. Single crystals obtained by the proposed method are used in serial production in industry.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005112799/15A RU2304642C2 (en) | 2005-04-27 | 2005-04-27 | Method of growing germanium monocrystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005112799/15A RU2304642C2 (en) | 2005-04-27 | 2005-04-27 | Method of growing germanium monocrystals |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005112799A RU2005112799A (en) | 2006-11-10 |
| RU2304642C2 true RU2304642C2 (en) | 2007-08-20 |
Family
ID=37500432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005112799/15A RU2304642C2 (en) | 2005-04-27 | 2005-04-27 | Method of growing germanium monocrystals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2304642C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2491375C1 (en) * | 2012-05-21 | 2013-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет | Method of growing profiled monocrystals of germanium from liquor |
| RU2493297C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Method of growing germanium monocrystals |
| RU2600380C1 (en) * | 2015-12-01 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Germanium monocrystals-based method for producing shaped articles |
| RU2631810C1 (en) * | 2016-11-30 | 2017-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Method for growing single crystals of profiled radial germanium |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113957520A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-21 | 云南驰宏国际锗业有限公司 | Manufacturing and processing method for improving germanium single crystal seed crystal defects |
-
2005
- 2005-04-27 RU RU2005112799/15A patent/RU2304642C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ИНОЗЕМЦЕВ А.В. и др. Выращивание крупногабаритных монокристаллов германия способом Степанова. «Изв. АН СССР. Сер.физ.», 1985 49, №12, 2346-2348, РЖ «Электроника», 1986, реф. № 5Г244. МАСЛОВ В.Н. Выращивание профилированных полупроводниковых монокристаллов. - М.: Металлургия, 1977, с.76-77, 82, 98-105. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2493297C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Method of growing germanium monocrystals |
| RU2491375C1 (en) * | 2012-05-21 | 2013-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет | Method of growing profiled monocrystals of germanium from liquor |
| RU2600380C1 (en) * | 2015-12-01 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Germanium monocrystals-based method for producing shaped articles |
| RU2631810C1 (en) * | 2016-11-30 | 2017-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Method for growing single crystals of profiled radial germanium |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005112799A (en) | 2006-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2304642C2 (en) | Method of growing germanium monocrystals | |
| US4469161A (en) | Method of and mould for making a cast single crystal | |
| JP4994647B2 (en) | Quartz glass member that easily crystallizes and its use | |
| US20100089308A1 (en) | Silica glass crucible and method for pulling single-crystal silicon | |
| WO1999050481A1 (en) | Method of manufacturing compound semiconductor single crystal | |
| US11326272B2 (en) | Mono-crystalline silicon growth apparatus | |
| US8056607B2 (en) | Method of casting metal articles | |
| RU2491375C1 (en) | Method of growing profiled monocrystals of germanium from liquor | |
| JP4147595B2 (en) | Method for producing fluorite single crystal | |
| JPS63199049A (en) | Continuous crystal growth method | |
| KR100761421B1 (en) | Crucible for the growth of silicon crystal and process for the growth of silicon crystal | |
| JP2009286651A (en) | Quartz glass crucible and its manufacturing method | |
| RU2791643C1 (en) | Method for growing germanium or silicon single crystals and a device for its implementation | |
| RU2600380C1 (en) | Germanium monocrystals-based method for producing shaped articles | |
| RU2531823C1 (en) | Device for growing of single-crystal pipes and method of their obtaining | |
| RU2093305C1 (en) | Method for production of castings by directional crystallization | |
| CN1766179B (en) | High quality single crystal growing method | |
| RU168533U1 (en) | INSTALLATION FOR GROWING SINGLE CRYSTALS | |
| CN216338064U (en) | Special-shaped graphite crucible | |
| RU2791646C1 (en) | Method of crystallization of large-sized alloyed germanium ingots in the form of disks and plates and a device for its implementation | |
| JP5196438B2 (en) | Raw material melt supply apparatus, polycrystal or single crystal production apparatus and production method | |
| TWI698557B (en) | Mono-crystalline silicon growth method and mono-crystalline silicon growth apparatus | |
| JP2940461B2 (en) | Single crystal growth method | |
| RU2560402C1 (en) | Method for monocrystal growing from molten metal | |
| JP5765805B2 (en) | Iridium crucible and method for producing lithium tantalate single crystal using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080428 |