RU2381305C1 - METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD - Google Patents

METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD Download PDF

Info

Publication number
RU2381305C1
RU2381305C1 RU2008119071/15A RU2008119071A RU2381305C1 RU 2381305 C1 RU2381305 C1 RU 2381305C1 RU 2008119071/15 A RU2008119071/15 A RU 2008119071/15A RU 2008119071 A RU2008119071 A RU 2008119071A RU 2381305 C1 RU2381305 C1 RU 2381305C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heater
melt
temperature
germanium
crystal
Prior art date
Application number
RU2008119071/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008119071A (en
Inventor
Владимир Дмитриевич Голышев (RU)
Владимир Дмитриевич Голышев
Владимир Борисович Цветовский (RU)
Владимир Борисович Цветовский
Светлана Викторовна Быкова (RU)
Светлана Викторовна Быкова
Original Assignee
Владимир Дмитриевич Голышев
Владимир Борисович Цветовский
Светлана Викторовна Быкова
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 Владимир Дмитриевич Голышев, Владимир Борисович Цветовский, Светлана Викторовна Быкова filed Critical Владимир Дмитриевич Голышев
Priority to RU2008119071/15A priority Critical patent/RU2381305C1/en
Publication of RU2008119071A publication Critical patent/RU2008119071A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2381305C1 publication Critical patent/RU2381305C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to growing doped germanium monocrystals in a temperature gradient using a heating element immersed in a melt under conditions of an axial heat flow near a crystallisation front (OTF method). The doped germanium monocrystals are grown from a melt in a crucible placed on a heat-removing unit to an crystallographically directed innculant with diametre equal to the inner diametre of the crucible, under conditions of axial heat flow near the crystallisation front - OTF method, using a multi-section background heater and a multi-section immersed in the melt - OTF-heater kept at constant temperature T1 by moving the crucible with the inoculant and growing crystal into the cold zone of the furnace relative the OTF-heater, with different initial concentrations of doping impurities C1 in the crystallisation zone W1 with height of the melt h, and C2 in a replenishment zone W2, and with reduction of temperature of the bottom of the crucible T4(t) when moving, in accordance with the law: T4(t)=T40 -a×t, where T40 is initial temperature value, a=v(λm×gradTp+Q)/λcr, v is drawing rate of the crystal, λm is thermal conductivity of molten germanium, gradTp is axial temperature gradient in the melt in which the crystal is grown, Q is crystallisation heat, λcr is thermal conductivity of the germanium crystal. Mass transfer of the melt is controlled in the crystallisation zone by selecting optimum ratio between axial temperature gradient in the melt gradTp, radial distribution of temperature along the OTF-heater, height of the layer of the melt h and drawing rate v. Germanium monocrystals are grown in crystallographic dirctions [111] and [100] depending on diametre of the crystal and required quality given the following parameters: h=5-30 mm, gradTp=3-50°C/cm, v=2-30 mm/h, temperature difference of the OTF-heater T2-T1=0-6°C, temperature difference between the lateral surface of the crucible T3 and temperature of the OTF-heater T2, equal to T3-T2=1-20°C.
EFFECT: obtaining germanium monocrystals with diametre of up to 150 mm without growth region with high cross sectional macro-uniformity of distribution of resistance of 5-10%.
10 cl, 1 ex, 2 dwg

Description

Изобретение относится к выращиванию из расплава монокристаллов германия в температурном градиенте с использованием нагревательного элемента, погруженного в расплав.The invention relates to the growth of single crystals of germanium from a melt in a temperature gradient using a heating element immersed in the melt.

Известен способ, в котором для роста кристаллов германия на затравку используется нагреватель, погруженный в расплав (A.G.Ostrogorsky, H.J.Sell, S.Scharl and G.Muller. Convection and segregation during growth of Ge and InSb crystals by the submerged heater method, Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206) [1]. В этой работе используется метод погруженного нагревателя, SHM (патент US 5047113, C30B 11/02, 1989 [2]). Метод погруженного нагревателя разработан с целью получить осевой поток тепла, малый радиальный градиент температуры и малую интенсивность течения расплава с целью повышения макро- и микрооднородности, а также получить постоянные тепловые условия в ходе роста кристалла. Осевой поток тепла достигается путем использования погруженного в расплав нагревателя одновременно с кольцевым нагревателем, расположенным за пределами тигля коаксиально погруженному нагревателю, и играющего роль охранного нагревателя [1]. Постоянство осевого градиента температуры достигается путем поддержания температуры погруженного в расплав нагревателя. Малые радиальные перепады температуры в расплаве достигаются путем управления кольцевым нагревателем. Повышение продольной макрооднородности достигалось дополнительным легированием зоны расплава под погруженным нагревателем. В результате применения метода были получены монокристаллы германия диаметром до 6 см, которые имели следующие характеристики: поперечная однородность на уровне 10-20%, наилучшая продольная однородность достигала порядка 5% на длине 2 см из 5 см длины кристалла [1]. Таким образом, были получены результаты, показывающие перспективность SHM по сравнению с методом Бриджмена и методом замерзания в градиенте. Однако кристаллы диаметром более 6 см таким методом не выращивались.A method is known in which a melt-immersed heater is used to grow germanium crystals (see AGOstrogorsky, HJSell, S. Scharl and G. Muller. Convection and segregation during growth of Ge and InSb crystals by the submerged heater method, Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206) [1]. This work uses the SHM immersion heater method (US Pat. No. 5,047,113, C30B 11/02, 1989 [2]). The immersed heater method was developed with the aim of obtaining an axial heat flux, a small radial temperature gradient and a low intensity of the melt flow in order to increase macro- and micro-uniformity, and also to obtain constant thermal conditions during crystal growth. The axial heat flow is achieved by using a heater immersed in the melt simultaneously with an annular heater located outside the crucible coaxially immersed in the heater and playing the role of a security heater [1]. The constancy of the axial temperature gradient is achieved by maintaining the temperature of the heater immersed in the melt. Small radial temperature differences in the melt are achieved by controlling the ring heater. An increase in longitudinal macrohomogeneity was achieved by additional alloying of the melt zone under an immersed heater. As a result of applying the method, germanium single crystals with a diameter of up to 6 cm were obtained, which had the following characteristics: transverse uniformity at the level of 10–20%, the best longitudinal uniformity reached about 5% over a length of 2 cm from 5 cm of the crystal length [1]. Thus, results were obtained showing the promise of SHM compared to the Bridgman method and the gradient freezing method. However, crystals with a diameter of more than 6 cm were not grown by this method.

Ограничивают применение SHM для получения монокристаллов германия большого диаметра следующие недостатки: 1) поддержание постоянной только температуры погруженного нагревателя не обеспечивает постоянства осевого градиента температуры в расплаве из-за того, что при росте кристалла меняется тепловое сопротивление системы расплав-кристалл, 2) использование односекционного погруженного нагревателя и кольцевого охранного нагревателя не обеспечивает автоматически распределения температуры под ОТФ-нагревателем, близкого к изотермическому при большом диаметре кристалла, и использование такого подхода приводит к тому, что форма фронта кристаллизации зависит от толщины слоя расплава и меняется из-за изменения теплового сопротивления системы в процессе роста, кроме того, из-за действия теплоты кристаллизации форма фронта кристаллизации зависит от скорости роста, 3) высокая теплопроводность расплава (близка к теплопроводности графита) сводит на нет роль графитового блока, погруженного в расплав вместо нагревателя (как это сделано в Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206), поэтому радиальные перепады по сравнению с методом Бриджмена не уменьшаются при ее использовании, что при больших диаметрах кристалла становится еще более явным.The following disadvantages limit the use of SHM for producing large-diameter germanium single crystals: 1) maintaining a constant temperature only of the immersed heater does not provide a constant axial temperature gradient in the melt due to the thermal resistance of the melt-crystal system changing as the crystal grows, 2) the use of a single-section immersed heater and ring security heater does not automatically provide temperature distribution under the OTF heater, close to isothermal for a large crystal diameter, and the use of this approach leads to the fact that the shape of the crystallization front depends on the thickness of the melt layer and changes due to a change in the thermal resistance of the system during growth, in addition, due to the action of the heat of crystallization, the shape of the crystallization front depends on growth rates, 3) the high thermal conductivity of the melt (close to the thermal conductivity of graphite) negates the role of a graphite block immersed in the melt instead of a heater (as was done in Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206), therefore the radial Differential differences in comparison with the Bridgman method do not decrease when it is used, which becomes even more pronounced with large crystal diameters.

Наиболее близким к заявляемому способу выращивания кристаллов германия является способ, описанный в патенте на изобретение «Способ выращивания монокристаллов германия методом ОТФ», авторы Быкова С.В., Голышев В.Д., Гоник М.А., Цветовский В.Б. [3]. Эта работа основана на применении метода Осевого Теплового потока вблизи Фронта кристаллизации, метод ОТФ (RU №1800854, С30В 11/00, 1990 [4]). Этот способ и способ, описанный в [4], являются наиболее близкими к заявляемому способу для выращивания кристаллов германия большого диаметра, так как в отличие от [1, 2] используют другой принцип создания осевого теплового потока, который более подходит для кристаллов большого диаметра. В соответствии с этим принципом осевой поток тепла создается только вблизи фронта кристаллизации. Для этого вдоль большей части поперечного сечения растущего кристалла на небольшом расстоянии от предполагаемого положения фронта кристаллизации размещается плоская изотермическая поверхность (RU №1800854, С30В 11/00, 1990 [4]). Осевой поток тепла и плоская форма изотерм (фронта кристаллизации) реализуются в этом случае на расстоянии h от изотермической поверхности, где h<0.13D, D - диаметр изотермической поверхности. Погруженный нагреватель в способе, описанном в указанном патенте на изобретение [3] и в патенте РФ №1800854, С30В 11/00, 1990 [4], решает задачу создания упомянутой выше плоской изотермической поверхности. Так как в настоящем предложении используется этот же принцип создания осевого теплового потока, то [3] выбран в качестве наиболее близкого аналога.Closest to the claimed method of growing crystals of germanium is the method described in the patent for the invention "Method for growing single crystals of germanium by the OTF method", the authors Bykova SV, Golyshev VD, Gonik MA, Tsvetovsky VB [3]. This work is based on the application of the Axial Heat Flow method near the Crystallization Front, the OTF method (RU No. 1800854, С30В 11/00, 1990 [4]). This method and the method described in [4] are closest to the claimed method for growing large-diameter germanium crystals, since, unlike [1, 2], they use a different principle of creating an axial heat flow, which is more suitable for large-diameter crystals. In accordance with this principle, an axial heat flow is generated only near the crystallization front. For this purpose, a flat isothermal surface is placed along a large part of the cross section of the growing crystal at a small distance from the assumed position of the crystallization front (RU # 1800004, C30B 11/00, 1990 [4]). The axial heat flux and the planar shape of the isotherms (crystallization front) are realized in this case at a distance h from the isothermal surface, where h <0.13D, D is the diameter of the isothermal surface. The immersed heater in the method described in the aforementioned patent for the invention [3] and in the patent of the Russian Federation No. 1800854, СВВ 11/00, 1990 [4], solves the problem of creating the aforementioned flat isothermal surface. Since this proposal uses the same principle of creating an axial heat flux, [3] is chosen as the closest analogue.

Недостатки двух описанных выше методов выращивания при их использовании для роста крупногабаритных монокристаллов связаны с тем, что они в основном сосредоточены на создании требуемых тепловых условий кристаллизации и не принимают в рассмотрение влияния параметров кристаллизации и возрастания диаметра растущего кристалла на перенос массы вблизи фронта кристаллизации. В то же время роль размера для методов, использующих погруженный нагреватель, велика из-за того, что масштабный фактор сильно влияет на массоперенос в условиях слабого ламинарного течения вблизи фронта кристаллизации. Даже при относительно небольших диаметрах кристалла для этих методов необходимо следить за соотношением между интенсивностью и характером тепловой конвекции и интенсивностью выделения массы вблизи фронта кристаллизации из-за сегрегации [5, 6] и выбирать оптимальные соотношения параметров кристаллизации. При возрастании диаметра его роль сильно возрастает из-за того, что геометрия слоя расплава под погруженным нагревателем превращается в геометрию длинной горизонтальной щели с нагревом сверху.The disadvantages of the two growing methods described above when they are used to grow large-sized single crystals are related to the fact that they are mainly focused on creating the required thermal conditions of crystallization and do not take into account the influence of crystallization parameters and increasing diameter of a growing crystal on mass transfer near the crystallization front. At the same time, the role of size for methods using an immersed heater is significant due to the fact that the scale factor strongly affects mass transfer under conditions of weak laminar flow near the crystallization front. Even with relatively small crystal diameters for these methods, it is necessary to monitor the relationship between the intensity and nature of thermal convection and the intensity of mass release near the crystallization front due to segregation [5, 6] and choose the optimal ratio of crystallization parameters. With increasing diameter, its role greatly increases due to the fact that the geometry of the melt layer under an immersed heater turns into the geometry of a long horizontal gap with heating from above.

Технический результат - выращивание монокристаллов германия диаметром до 6 дюймов, имеющих макрооднородность распределения легирующей примеси на уровне 1-10%.EFFECT: growing single crystals of germanium with a diameter of up to 6 inches, having a macrohomogeneous distribution of the dopant at the level of 1-10%.

Технический результат при выращивании легированных монокристаллов германия из расплава в тигле, размещенном на теплоотводящем блоке, на кристаллографически ориентированную затравку диаметром, равным внутреннему диаметру тигля, в условиях осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации - методом ОТФ, с использованием многосекционного фонового нагревателя и погруженного в расплав многосекционного нагревателя - ОТФ-нагревателя, поддерживаемого при постоянной температуре Т1, путем перемещения тигля с затравкой и растущим кристаллом в холодную зону печи относительно ОТФ-нагревателя, при разных начальных концентрациях легирующей примеси C1 в зоне кристаллизации W1, с высотой расплава h и C1 в зоне подпитки W2 и при уменьшении в ходе перемещения тигля температуры дна тигля T4(t) в соответствии с законом: T4(t)=T4°-a×t, где Т4, К - начальное значение температуры; а=v(λp×gradTp+Q)/λкр, v, м/с - скорость вытягивания кристалла; λр, Bm/(м×К) - теплопроводность расплава германия; gradTp, К/м - осевой градиент температуры в расплаве, при котором выращивают кристалл, Q=ρ×v×J, ρ, кг/м3  - плотность германия; J, дж/кг - удельная теплота кристаллизации; λкр, Bm/(м×К) - теплопроводность кристалла германия достигается тем, что для получения равномерно легированных в поперечном сечении монокристаллов германия диаметром до 150 мм осуществляют управление переносом массы расплава в зоне кристаллизации, которое ведут за счет выбора оптимального соотношения между осевым градиентом температуры в расплаве gradTp, радиальным распределением температуры вдоль ОТФ-нагревателя, высотой слоя расплава h и скоростью вытягивания v, при этом рост монокристаллов германия в кристаллографических направлениях [111] и [100] ведут в зависимости от диаметра кристалла и требуемого качества при следующих параметрах: h=5-30 мм, gradTp=3-50°С/см, ν=2-30 мм/час, разнице температур ОТФ-нагревателя T2-T1=0-6°С, разнице температур между боковой поверхностью тигля T3 и температурой ОТФ-нагревателя Т2, равнойEFFECT: growing doped germanium single crystals from a melt in a crucible placed on a heat sink block onto a crystallographically oriented seed with a diameter equal to the inner diameter of the crucible under axial heat flux near the crystallization front using the OTF method using a multisection background heater and a multisection immersed in the melt heater - OTF heater maintained at a constant temperature T 1, by moving the crucible with seeding and growing cristae llom in the cold zone of the furnace relatively OTF-heater, at different initial concentration of dopant C 1 W 1 crystallization zone, with h and C 1 melt height in feeding zone W 2 and decreasing in the course of moving the crucible bottom temperature of crucible T 4 (t ) in accordance with the law: T 4 (t) = T 4 ° -a × t, where T 4 , K is the initial temperature value; a = v (λ p × gradTp + Q) / λ cr , v, m / s is the speed of drawing the crystal; λ p , Bm / (m × K) is the thermal conductivity of the germanium melt; gradTp, K / m - axial temperature gradient in the melt at which the crystal is grown, Q = ρ × v × J, ρ, kg / m 3 - germanium density; J, j / kg — specific heat of crystallization; λ cr , Bm / (m × K) - the thermal conductivity of a germanium crystal is achieved by controlling the transfer of melt mass in the crystallization zone that is uniformly doped with germanium single crystals with a diameter of up to 150 mm, which is achieved by choosing the optimal ratio between the axial gradient temperature in the melt gradTp, the radial temperature distribution along the OTP heater, the height of the melt layer h and the drawing speed v, while the growth of single crystals of germanium in crystallographic directions [ 111] and [100] are depending on the diameter of the crystal and the required quality with the following parameters: h = 5-30 mm, gradTp = 3-50 ° C / cm, ν = 2-30 mm / h, temperature difference of the OTP heater T 2 -T 1 = 0-6 ° C, the temperature difference between the side surface of the crucible T 3 and the temperature of the TFT heater T 2 equal to

T3-T2=1-20°С.T 3 -T 2 = 1-20 ° C.

В частности, для осуществления роста монокристаллов германия диаметром до 150 мм загрузку шихты осуществляют в два приема: сначала ОТФ-нагреватель ставят на затравку, а затем шихту помещают сверху ОТФ-нагревателя.In particular, to realize the growth of germanium single crystals with a diameter of up to 150 mm, the charge is loaded in two stages: first, the OTP heater is placed on the seed, and then the mixture is placed on top of the OTP heater.

В частности, для фиксации начала плавления затравки контролируют начало перемещения ОТФ-нагревателя вдоль вертикальной оси.In particular, to fix the beginning of the melting of the seed, the beginning of the movement of the OTP heater along the vertical axis is controlled.

В частности, для фиксации начала плавления затравки контролируют усилие, оказываемое ОТФ-нагревателем на датчик веса или давления.In particular, to fix the onset of melting of the seeds, the force exerted by the OTP heater on the weight or pressure sensor is monitored.

В частности, рост монокристаллов германия диаметром до 150 мм, легированных сурьмой и галлием, осуществляют путем поддержания заданных зависимостей от времени температуры или мощности секций фонового нагревателя Th1-Th4 с помощью автоматической системы управления.In particular, the growth of germanium single crystals with a diameter of up to 150 mm, doped with antimony and gallium, is carried out by maintaining the given time dependences of the temperature or power of the sections of the background heater Th 1 -Th 4 using an automatic control system.

В частности, рост монокристаллов германия осуществляют при изменении температур Th1-Th4 в соответствии со следующими законами: Th1(t)=Th1(0)+a1t, Th2(t)=Th2(0)+a2t, Th3(t)=Th3(0)+a3t, Th4(t)=Th4(0)+a4t, где a1=0÷(±3ν×gradT), a2=0÷(±3ν×gradT), a3=0÷(±νgradT), a4=0÷(±vgradT), t, с - время в процессе; gradT, К/м - осевой градиент температуры в печи; ν, м/с - скорость вытягивания тигля; Th1-4(0), К - начальные значения температур.In particular, the growth of single crystals of germanium is carried out with a change in temperature Th 1 -Th 4 in accordance with the following laws: Th 1 (t) = Th 1 (0) + a 1 t, Th 2 (t) = Th 2 (0) + a 2 t, Th 3 (t) = Th 3 (0) + a 3 t, Th 4 (t) = Th 4 (0) + a 4 t, where a 1 = 0 ÷ (± 3ν × gradT), a 2 = 0 ÷ (± 3ν × gradT), a 3 = 0 ÷ (± νgradT), a 4 = 0 ÷ (± vgradT), t, s - time in the process; gradT, K / m - axial temperature gradient in the furnace; ν, m / s is the crucible pulling speed; Th 1-4 (0), K - initial temperature values.

В частности, рост монокристаллов германия, легированных сурьмой и галлием, осуществляют при изменении температуры или мощности секций ОТФ-нагревателя.In particular, the growth of single crystals of germanium doped with antimony and gallium is carried out when the temperature or power of the sections of the OTP heater is changed.

В частности, рост монокристаллов германия осуществляют при изменении T1 в соответствии с законом: T1=T1(0)+bt, где T1(0), К - начальное значение температуры; t, с - время в процессе, b=+nν, ν, м/с - скорость вытягивания, n - выбирается исходя из диаметра кристалла и начальных условий, сформировавшихся при затравлении.In particular, the growth of single crystals of germanium is carried out with a change in T 1 in accordance with the law: T 1 = T 1 (0) + bt, where T 1 (0), K is the initial temperature; t, s is the time in the process, b = + nν, ν, m / s is the drawing speed, n is selected based on the diameter of the crystal and the initial conditions formed during the seeding.

В частности, рост монокристаллов германия осуществляют при увеличении суммарной мощности секций ОТФ-нагревателя в соответствии с увеличением радиуса кристалла, в том числе пропорционально квадрату радиуса кристалла.In particular, the growth of germanium single crystals is carried out with an increase in the total power of the sections of the OTP heater in accordance with an increase in the radius of the crystal, including in proportion to the square of the radius of the crystal.

В частности, для отвода тепла от дна тигля используют теплоотводящий блок, диаметр которого находится в диапазоне 0.2-1.0 от диаметра тигля.In particular, to remove heat from the bottom of the crucible, a heat sink block is used, the diameter of which is in the range 0.2-1.0 of the diameter of the crucible.

Технический результат за счет применения погруженного в расплав нагревателя путем использования техники ОТФ-выращивания кристаллов германия диаметром до 150 мм достигается способом, поясняемым фиг.1, где на фиг.1а представлена условная схема кристаллизатора в момент выращивания кристалла, на фиг.1б представлена условная схема ростовой камеры с кристаллизатором после загрузки шихты, 1 - монокристаллическая затравка, 2 - тигель, 3 - расплав германия, 4 - ОТФ-нагреватель, 5 - растущий кристалл, 6 - корпус ростовой камеры, 7 - шихта в виде брусков или в виде мелких кусков поликристаллического германия, 8 - датчик перемещения или веса, или давления, 9 - теплоотводящий блок, 10 - теплоизоляция, 11 - шток ОТФ-нагревателя, 12 - водоохлаждаемый шток тигля, Т1-Т4 - термопары кристаллизатора, Th1-Th4 - термопары секций фонового нагревателя, Hc и Hb - центральная и боковая секции ОТФ-нагревателя, Н1-Н4 - секции фонового нагревателя, W1 и W2 - зона кристаллизации и зона подпитки.The technical result due to the use of a heater immersed in the melt by using the technique of OTF-growth of germanium crystals with a diameter of up to 150 mm is achieved by the method illustrated in Fig. 1, where Fig. 1a shows a conditional diagram of a crystallizer at the time of growing a crystal, Fig. 1b shows a conditional diagram a growth chamber with a crystallizer after loading the charge, 1 — single-crystal seed, 2 — crucible, 3 — molten germanium, 4 — OTF-heater, 5 — growing crystal, 6 — body of the growth chamber, 7 — charge in the form of bars or in in the form of small pieces of polycrystalline germanium, 8 - a displacement or weight or pressure sensor, 9 - a heat sink unit, 10 - insulation, 11 - an OTF heater rod, 12 - a water-cooled crucible rod, T1-T4 - crystallizer thermocouples, Th1-Th4 - thermocouples sections of the background heater, Hc and Hb are the central and side sections of the OTF heater, H1-H4 are sections of the background heater, W1 and W2 are the crystallization zone and the make-up zone.

Рост кристаллов германия ведут на затравку 1 диаметром, равным внутреннему диаметру тигля, в тигле 2 из материала, не взаимодействующего с расплавом 3 с использованием погруженного в расплав двухсекционного нагревателя 4 (ОТФ-нагреватель), состоящего из центральной секции Нс и боковой секции Hb (фиг.1а), путем перемещения тигля с затравкой и растущим кристаллом 5 (фиг.1а) в холодную зону печи относительно закрепленного в корпусе ростовой камеры 6 посредством штока 11 (фиг.1б) ОТФ-нагревателя, поддерживаемого при постоянной температуре T1, и используя раздельное легирование зон W1 и W2 (фиг.1a). В отличие от известных способов [1, 3] с целью получения равномерно легированных на большей части поперечного сечения растущих монокристаллов германия диаметром до 150 мм управление переносом массы в зоне кристаллизации W1 ведут за счет выбора оптимального соотношения между осевым градиентом температуры в расплаве gradTp, радиальным распределением температуры вдоль ОТФ-нагревателя, высотой слоя расплава h и скоростью вытягивания ν.The growth of germanium crystals is carried out by seed 1 with a diameter equal to the inner diameter of the crucible in crucible 2 made of a material not interacting with melt 3 using a two-section heater 4 immersed in the melt (OTP heater) consisting of a central Hc section and a side Hb section (Fig. .1a), by moving the crucible with the seed and the growing crystal 5 (Fig.1a) into the cold zone of the furnace relative to the growth chamber 6 fixed in the housing of the growth chamber 6 by means of the rod 11 (Fig.1b) of an OTF heater maintained at a constant temperature T 1 , and using shuya separate alloying of zones W 1 and W 2 (figa). In contrast to the known methods [1, 3], in order to obtain growing germanium single crystals evenly doped over most of the cross section with a diameter of up to 150 mm, mass transfer in the crystallization zone W 1 is controlled by choosing the optimal ratio between the axial temperature gradient in the gradTp melt radial the temperature distribution along the OTP heater, the height of the melt layer h and the drawing speed ν.

Такой способ связан с тем, что макронеоднородность кристалла в поперечном сечении для методов, использующих погруженный нагреватель, зависит от интенсивности и характера течения расплава в зоне кристаллизации [5-8] в их отношении к скорости роста. При этом интенсивность и характер течения расплава зависит от высоты слоя расплава h в зоне кристаллизации (фиг.1а), от радиального распределения температуры на ОТФ-нагревателе, от осевого градиента температуры в расплаве и от формы фронта кристаллизации. На фиг.2 показано, как изменяется характер поперечного распределения легирующей примеси, Sb (экспериментальные данные - верхний ряд чертежей) при изменении характера течения (численное моделирование - нижний ряд чертежей), вызванного изменением высоты слоя расплава h, где 2а - течение от центра; 2б - два вихря; 2в - течение к центру, n - концентрация легирующей примеси, r - радиус кристалла. При увеличении диаметра растущего кристалла, т.е. диаметра зоны расплава в зоне кристаллизации W1, изменяются движущие силы тепловой конвекции. Поэтому для получения высокой поперечной макрооднородности монокристалла большего размера сочетание между скоростью роста, толщиной слоя расплава h и радиальным распределением температуры на ОТФ-нагревателе является существенно иным, нежели то, которое используется в [3] для небольших диаметров кристалла. Кроме того, в случае выращивания крупногабаритных кристаллов существенно больше, как тепловая инерция, так и время выравнивания после возмущения процессов переноса массы. Это приводит к следующим отличиям по сравнению с [3].This method is associated with the fact that the macroinhomogeneity of the crystal in the cross section for methods using an immersed heater depends on the intensity and nature of the melt flow in the crystallization zone [5–8] in relation to the growth rate. The intensity and nature of the melt flow depends on the height of the melt layer h in the crystallization zone (Fig. 1a), on the radial temperature distribution on the OTP heater, on the axial temperature gradient in the melt and on the shape of the crystallization front. Figure 2 shows how the nature of the transverse distribution of the dopant, Sb (experimental data — the upper row of the drawings) changes when the nature of the flow (numerical simulation — the lower row of the drawings) changes due to a change in the height of the melt layer h, where 2a is the flow from the center; 2b — two vortices; 2c — flow toward the center, n — concentration of the dopant, r — radius of the crystal. With increasing diameter of the growing crystal, i.e. the diameter of the melt zone in the crystallization zone W1, the driving forces of thermal convection change. Therefore, in order to obtain high transverse macro-uniformity of a larger single crystal, the combination between the growth rate, melt layer thickness h and the radial temperature distribution on an OTP heater is significantly different than that used in [3] for small crystal diameters. In addition, in the case of growing large-sized crystals, both thermal inertia and the alignment time after perturbation of mass transfer processes are significantly longer. This leads to the following differences compared to [3].

В отличие от [3] в предлагаемом способе выращивания германия загрузка шихты осуществляется в два приема: сначала ОТФ-нагреватель ставится на затравку 1, а затем шихта 7 помещается сверху ОТФ-нагревателя 4 (фиг.1б). Это делается для того, чтобы в отличие от [3] в предлагаемом способе выращивания германия в начале процесса выращивания не выполнять процедуры экспериментального контроля толщины слоя расплава h с помощью измерения величины перемещения ОТФ-нагревателя до его контакта с межфазной поверхностью, которое приводит к возмущению процесса переноса массы. Таким образом, в предлагаемом способе в отличие от [3] используется процедура фиксации начала плавления затравки, которое контролируется или по началу перемещения вдоль вертикальной оси ОТФ-нагревателя, стоящего на затравке, или по изменению усилия, оказываемого ОТФ-нагревателем через шток 11 на датчик веса или давления 8 (фиг.1б).In contrast to [3], in the proposed method for growing germanium, the charge is loaded in two stages: first, the OTP heater is placed on the seed 1, and then the mixture 7 is placed on top of the OTP heater 4 (Fig. 1b). This is done so that, in contrast to [3], in the proposed method for growing germanium at the beginning of the growing process, the experimental control of the thickness of the melt layer h should not be performed by measuring the displacement of the OTP heater to its contact with the interface, which leads to process disturbance mass transfer. Thus, in the proposed method, in contrast to [3], the procedure for fixing the start of seed melting is used, which is controlled either by the beginning of movement along the vertical axis of the OTF heater standing on the seed, or by changing the force exerted by the OTF heater through the rod 11 to the sensor weight or pressure 8 (figb).

В отличие от [3] в предлагаемом способе выращивания германия постоянство тепловых условий кристаллизации в процессе роста обеспечивается не за счет поддержания значений температур T1, T2 и T3 и изменения температуры в точке Т4 (фиг.1а), а путем поддержания заданных зависимостей от времени температур Th1-Th4 (или мощностей) секций фонового нагревателя Н1-Н4 (фиг.1б) с помощью автоматической системы управления. Это делается из-за того, что микро- и макрооднородность при слабых ламинарных течениях расплава зависит от амплитуды и частоты колебания температур ОТФ-нагревателя из-за его близости к фронту кристаллизации и от амплитуды и частоты колебания температур стенок тигля, так как эти колебания влияют на движущие силы тепловой конвекции, а значит, на течение расплава. При больших размерах (диаметрах) кристалла и соответственно теплового узла тепловая инерция возрастает в разы, что ведет к тому, что высокоточное управление температурой по термопарам T1, T2, T3 и T4, расположенным на кристаллизаторе, становится проблематичным. В тоже время управление по термопарам Th1-Th4, расположенным вблизи нагревательных элементов, характеризуется относительно малой тепловой инерцией и более высоким качеством. Однако проблема в том, что при таком способе управления для того, чтобы обеспечить необходимое сочетание параметров кристаллизации (осевой градиент температуры в расплаве gradTp, радиальное распределение температуры вдоль ОТФ-нагревателя, высота слоя расплава h и скорость вытягивания ν), дающих однородное распределение легирующей примеси, и поддержать их постоянными в процессе роста, необходимо по особым законам управлять температурами Th1-Th4, так как в процессе роста кристалла меняется тепловая обстановка в зоне кристаллизации (осевые и радиальные градиенты температуры в расплаве) из-за изменения теплового сопротивления, в том числе в системе кристалл-расплав. Например, в реальном тепловом узле, предназначенном для выращивания кристаллов 6 дюймов, в зависимости от условий выращивания кристалла тепловое сопротивление в осевом направлении изменяется от 1.2 до 1.5 раз.In contrast to [3] in the proposed method for growing germanium, the constancy of the thermal conditions of crystallization during growth is achieved not by maintaining the temperatures T 1 , T 2 and T 3 and changing the temperature at point T 4 (Fig. 1a), but by maintaining the set time dependences of temperatures Th 1 -Th 4 (or power) of the background heater sections H1-H4 (Fig. 1b) using an automatic control system. This is due to the fact that micro- and macrohomogeneity in weak laminar melt flows depends on the amplitude and frequency of temperature fluctuations of an OTP heater due to its proximity to the crystallization front and on the amplitude and frequency of temperature fluctuations of the crucible walls, since these vibrations affect on the driving forces of thermal convection, and therefore, on the flow of the melt. With large sizes (diameters) of the crystal and, accordingly, of the thermal unit, thermal inertia increases many times, which leads to the fact that high-precision temperature control by thermocouples T 1 , T 2 , T 3 and T 4 located on the mold becomes problematic. At the same time, control over the thermocouples Th 1 -Th 4 located near the heating elements is characterized by relatively low thermal inertia and higher quality. However, the problem is that with this control method in order to provide the necessary combination of crystallization parameters (axial temperature gradient gradTp in the melt, radial temperature distribution along the OTP heater, melt layer height h and drawing speed ν), which give a uniform distribution of the dopant and maintain them constant during the growth process, it is necessary for special laws manage Th 1 -Th 4 temperatures, as during crystal growth changes the thermal conditions in the crystallization zone (axial and adialnye temperature gradients in the melt) due to a change in thermal resistance, including the crystal-melt system. For example, in a real thermal unit intended for growing 6-inch crystals, depending on the crystal growing conditions, the thermal resistance in the axial direction varies from 1.2 to 1.5 times.

Поэтому в отличие от [3] в предлагаемом способе выращивания германия в зависимости от размеров кристалла, требуемого его качества и начальной величины толщины слоя расплава в зоне кристаллизации h процесс кристаллизации осуществляют при изменении температур Th1-Th4, К, в соответствии со следующими законами: Th1(t)=Th1(0)+a1t, Th2(t)=Th2(0)+a2t, Th3(t)=Th3(0)+a3t, Th4(t)=Th4(0)+a4t, где a1=0÷(±3ν×gradT), a2=0÷(±3ν×gradT), a3=0÷(±νgradT), a4=0÷(±νgradT), t, с - время в процессе; gradT, К/м - осевой градиент температуры в печи; ν, м/с - скорость вытягивания тигля; Th1-4(0), К - начальные значения температур.Therefore, in contrast to [3], in the proposed method for growing germanium, depending on the size of the crystal, its required quality and the initial value of the thickness of the melt layer in the crystallization zone h, the crystallization process is carried out with a change in temperature Th 1 -Th 4 , K, in accordance with the following laws : T h1 (t) = T h1 (0) + a 1 t, T h2 (t) = T h2 (0) + a 2 t, Th 3 (t) = Th 3 (0) + a 3 t, Th 4 (t) = Th 4 (0) + a 4 t, where a 1 = 0 ÷ (± 3ν × gradT), a 2 = 0 ÷ (± 3ν × gradT), a 3 = 0 ÷ (± νgradT), a 4 = 0 ÷ (± νgradT), t, s - time in the process; gradT, K / m - axial temperature gradient in the furnace; ν, m / s is the crucible pulling speed; Th 1-4 (0), K - initial temperature values.

Рост монокристаллов германия диаметром до 150 мм, легированных сурьмой и галлием, в отличие от [3] осуществляют при изменении температуры (мощности) секций ОТФ-нагревателя. Такой способ управления обусловлен высокой чувствительностью характера распределения легирующей примеси к толщине слоя расплава (фиг.3) и также связан с изменением в процессе роста теплового сопротивления потоку тепла в осевом направлении. Компенсация влияния изменения теплового сопротивления ведется двумя способами. По первому способу Th1, Th2 уменьшаются по закону Th1(t)=Th1(0)-a1t, Th2(t)=Th2(0)-a2t для того, чтобы поддержать величину осевого теплового потока через расплав и поддержать осевой градиент температуры в расплаве. По второму способу увеличивается суммарная мощность, выделяемая ОТФ-нагревателем, увеличивается T1, а соотношение мощностей между секциями ОТФ-нагревателя изменяется для сохранения радиального градиента температуры.The growth of single crystals of germanium with a diameter of up to 150 mm, doped with antimony and gallium, in contrast to [3], is carried out with a change in temperature (power) of the sections of the OTP heater. This control method is due to the high sensitivity of the nature of the distribution of the dopant to the thickness of the melt layer (Fig. 3) and is also associated with a change in the axial direction of the heat resistance during heat growth. Compensation for the effect of changes in thermal resistance is carried out in two ways. According to the first method, Th 1 , Th 2 decrease according to the law Th 1 (t) = Th 1 (0) -a 1 t, Th 2 (t) = Th 2 (0) -a 2 t in order to maintain the axial thermal value flow through the melt and maintain an axial temperature gradient in the melt. According to the second method, the total power released by the OTP heater increases, T 1 increases, and the power ratio between the sections of the OTP heater changes to maintain the radial temperature gradient.

При этом в отличие от [3] с целью управления течением расплава и компенсацией влияния изменения течения из-за изменения формы фронта кристаллизации в связи с изменением теплового сопротивления в системе рост монокристаллов германия осуществляют при изменении Т1 в соответствии с законом: Т1=T1(0)±bt, где T1(0), К - начальное значение температуры; t, с - время в процессе; b=nν; v, м/с - скорость вытягивания; n - выбирается на основе численного моделирования и эксперимента в зависимости от диаметра кристалла и начальных условий, формируемых при затравлении, необходимых для получения нужного качества.Moreover, in contrast to [3], in order to control the melt flow and compensate for the influence of the flow change due to a change in the shape of the crystallization front due to a change in thermal resistance in the system, the growth of germanium single crystals is carried out with a change in T 1 in accordance with the law: T 1 = T 1 (0) ± bt, where T 1 (0), K is the initial temperature value; t, s - time in the process; b is nν; v, m / s - pulling speed; n - is selected on the basis of numerical simulation and experiment, depending on the diameter of the crystal and the initial conditions formed by the seed, necessary to obtain the desired quality.

В отличие от [3] суммарная мощность секций ОТФ-нагревателя растет при увеличении радиуса кристалла, в том числе пропорционально квадрату радиуса кристалла.In contrast to [3], the total power of the sections of the OTP heater increases with increasing radius of the crystal, including in proportion to the square of the radius of the crystal.

Кроме того, в отличие от [3] управление теплоотводом через растущий кристалл ведется также путем выбора диаметра теплоотводящего блока 9 (фиг.1б), который выбирается в диапазоне 0.2-1.0 от диаметра тигля с целью получения оптимального отвода тепла от дна тигля с растущим кристаллом. Это необходимо также в связи с тем, что при большом диаметре кристалла требуется повышение надежности процесса затравливания, т.к. с возрастанием массогабаритных характеристик системы возрастает инерционность тепловых процессов.In addition, in contrast to [3], the heat sink through the growing crystal is also controlled by selecting the diameter of the heat sink block 9 (Fig. 1b), which is selected in the range 0.2-1.0 of the diameter of the crucible in order to obtain optimal heat removal from the bottom of the crucible with the growing crystal . This is also necessary due to the fact that with a large crystal diameter, an increase in the reliability of the seeding process is required, since with increasing mass-dimensional characteristics of the system, the inertia of thermal processes increases.

После размещения шихты над ОТФ-нагревателем камера печи закрывается и осуществляется нагрев установки. Плавление шихты обеспечивается распределением температуры в печи выше ОТФ-нагревателя. Затравливание происходит путем подплавления затравки при увеличении температуры дна ОТФ-нагревателя выше температуры плавления германия. Появление расплава под ОТФ-нагревателем характеризуется изменением усилия (нагрузки) на штоке, на котором крепится ОТФ-нагреватель, и его смещением вдоль вертикальной оси. Это изменение усилия или положения ОТФ-нагревателя фиксируется соответствующим датчиком 8 посредством штока 11 (фиг.1б). Таким образом, начало процесса затравливания контролируется независимо от температурных измерений. Первоначальная установка ОТФ-нагревателя на затравку и независимый от температурных измерений контроль процесса затравливания существенно облегчают и повышают надежность процесса затравливания. Особенно важно это при работе в небольших градиентах температуры, так как инструментальная погрешность используемых термопар может достигать пяти градусов, что при градиенте температуры 5 градусов/см даст ошибку в оценке толщины слоя расплава под ОТФ-нагревателем в 1 см. Это сопоставимо с толщиной используемых затравочных кристаллов и грозит полным расплавлением затравочного кристалла.After placing the charge over the OTP heater, the furnace chamber closes and the installation is heated. The charge is melted by the temperature distribution in the furnace above the OTF heater. Seeding occurs by melting the seed with an increase in the temperature of the bottom of the OTP heater above the melting temperature of germanium. The appearance of the melt under the OTF heater is characterized by a change in the force (load) on the rod on which the OTF heater is mounted, and its displacement along the vertical axis. This change in the force or position of the OTP heater is detected by the corresponding sensor 8 by means of the rod 11 (Fig. 1b). Thus, the start of the seeding process is controlled independently of temperature measurements. The initial installation of the OTF heater on the seed and the control of the seeding process independent of temperature measurements significantly facilitate and increase the reliability of the seeding process. This is especially important when working in small temperature gradients, since the instrumental error of the thermocouples used can reach five degrees, which, when the temperature gradient is 5 degrees / cm, will give an error in estimating the thickness of the melt layer under the OTF heater of 1 cm. This is comparable to the thickness of the used seed crystals and threatens the complete melting of the seed crystal.

Конкретный пример выращивания кристаллов Ge: Рост монокристаллов Ge в направлении [100] диаметром 100 мм, легированного Sb до концентрации 5×1017.A specific example of growing Ge crystals: The growth of Ge single crystals in the [100] direction with a diameter of 100 mm doped with Sb to a concentration of 5 × 10 17 .

Затравку из монокристалла Ge изготавливают в виде диска диаметром 100 мм и высотой 15-20 мм. Затравку располагают на дне графитового тигля. На затравку ставят ОТФ-нагреватель. Сверху ОТФ-нагревателя загружают необходимое количество шихты Ge с легирующей примесью. Камеру ростовой установки откачивают до давления 10-1-5×10-2 мм рт.ст. и нагревают тигель с шихтой до температуры 300-400°С для удаления влаги и паров воды. Затем в камеру подают аргон, создавая избыточное давление 0.5 атм. Повышением температуры в ростовой камере выше температуры плавления германия в области выше расположения затравки расплавляют шихту германия. При этом осевой градиент температуры поддерживается постоянным. Далее затравку расплавляют сверху на несколько миллиметров, контролируя начало проплавления по усилию на штоке, на котором крепится ОТФ-нагреватель, или по его перемещению. Варьируя мощности секций фонового и секций ОТФ-нагревателя, устанавливают начальные значения величин температуры ОТФ-нагревателя, радиального температурного перепада на ОТФ-нагревателе, осевого градиента температуры в печи, задавая начальную форму фронта кристаллизации, толщину слоя расплава и характер массопереноса в расплаве. После выдержки в течение часа начинают кристаллизацию, опуская тигель с кристаллом вниз в холодную зону со скоростью протяжки 8 мм/час. Кристаллизацию ведут в осевом температурном градиенте в печи, равном 5°С/см, поддерживая путем программного изменения температуры (мощности) секций фонового нагревателя значения Th1-4(t), °C в соответствии с законами: Th1(t)=Th1(0)+a1t, Th2(t)=Th2(0)+a2t, Th3(t)=Th3(0)+a3t, Th4(t)=Th4(0)+a4t, где t, час - время; a1=-1.8°С/час, a2=-1.8°С/час,The seed from a Ge single crystal is made in the form of a disk with a diameter of 100 mm and a height of 15-20 mm. The seed is placed at the bottom of the graphite crucible. An OTP heater is placed on the seed. On top of the OTP heater, the required amount of Ge charge with a dopant is loaded. The growth chamber is pumped out to a pressure of 10 -1 −5 × 10 −2 mm Hg. and heat the crucible with the mixture to a temperature of 300-400 ° C to remove moisture and water vapor. Then argon is introduced into the chamber, creating an overpressure of 0.5 atm. An increase in the temperature in the growth chamber above the melting point of germanium in the region above the location of the seed melts the germanium charge. In this case, the axial temperature gradient is kept constant. Next, the seed is melted on top by several millimeters, controlling the beginning of penetration by force on the rod on which the OTP heater is mounted, or by its movement. By varying the power of the background sections and the sections of the OTP heater, the initial values of the temperature of the OTP heater, the radial temperature difference on the OTP heater, the axial temperature gradient in the furnace are set, setting the initial shape of the crystallization front, the thickness of the melt layer and the nature of mass transfer in the melt. After holding for one hour, crystallization begins, lowering the crucible with the crystal down into the cold zone with a drawing speed of 8 mm / hour. Crystallization is carried out in an axial temperature gradient in the furnace equal to 5 ° C / cm, maintaining by the program change in temperature (power) of the sections of the background heater the values of Th 1-4 (t), ° C in accordance with the laws: Th 1 (t) = Th 1 (0) + a 1 t, Th 2 (t) = Th 2 (0) + a 2 t, Th 3 (t) = Th 3 (0) + a 3 t, Th 4 (t) = Th 4 ( 0) + a 4 t, where t, hour - time; a 1 = -1.8 ° C / hour, a 2 = -1.8 ° C / hour,

а3=0, a4=0. При этом температуру ОТФ-нагревателя поддерживают в соответствии с законом: T1=T1(0)+bt, где b=0.a 3 = 0, a 4 = 0. In this case, the temperature of the OTP heater is maintained in accordance with the law: T 1 = T 1 (0) + bt, where b = 0.

После завершения кристаллизации температуру в печи медленно снижают с темпом 50 К/час до температуры 400-500 градусов. Далее нагреватели выключают и печь охлаждается естественным образом. Выращенный кристалл извлекают из тигля.After crystallization is complete, the temperature in the furnace is slowly reduced at a rate of 50 K / h to a temperature of 400-500 degrees. Then the heaters are turned off and the furnace cools naturally. The grown crystal is removed from the crucible.

В результате получены монокристаллы германия диаметром 100 мм, имеющие разброс поперечной неоднородности в распределении сопротивления на уровне 5-10%. Процент выхода годных с одного цикла составляет 80%.As a result, germanium single crystals with a diameter of 100 mm were obtained, having a scatter of transverse inhomogeneity in the distribution of resistance at the level of 5-10%. The percentage of yield from one cycle is 80%.

Источники информацииInformation sources

1. A.Ostrogorsky, H.J.Sell, S.Scharl and G.Muller. Convection and segregation during growth of Ge and InSb crystals by the submerged heater method. Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206.1. A. Ostrogorsky, H. J. Sell, S. Scharl and G. Muller. Convection and segregation during growth of Ge and InSb crystals by the submerged heater method. Journal of Crystal Growth, 128 (1993) 201-206.

2. Метод направленной кристаллизации монокристаллов, патент US 5047113 С30В 11/02, 1989.2. The method of directional crystallization of single crystals, patent US 5047113 C30B 11/02, 1989.

3. Патент по заявке №2006119535/15 (021235) "Способ выращивания монокристаллов германия методом ОТФ", авторы Быкова С.В., Голышев В.Д., Гоник М.А., Цветовский В.Б.3. Patent on application No. 2006119535/15 (021235) "Method for growing germanium single crystals by the OTF method", authors Bykova SV, Golyshev VD, Gonik MA, Tsvetovsky VB

4. Устройство для выращивания кристаллов, патент РФ №1800854, C30B 11/00, 1990.4. Device for growing crystals, RF patent No. 1800004, C30B 11/00, 1990.

5. S.V.Bykova, I.V.Frjazinov, V.D.Golyshev, М.А.Gonik, M.P.Marchenko, V.B.Tsvetovsky. Features of mass transfer for the laminar melt flow along the interface. J. Crystal Growth, 2002, vols. 237-239, pp.1886-1891.5. S.V. Bykova, I.V. Frjazinov, V. D. Golyshev, M. A. Gonik, M. P. Marchenko, V. B. Tsvetovsky. Features of mass transfer for the laminar melt flow along the interface. J. Crystal Growth, 2002, vols. 237-239, pp. 1886-1891.

6. М.П.Марченко, И.В.Фрязинов, В.Д.Голышев, М.А.Гоник, В.Б.Цветовский. Численное моделирование выращивания монокристаллов ОТФ1-методом в условиях микрогравитации // Физика кристаллизации. К столетию Г.Г.Лемлейна. - М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2002. - С.304-316.6. M.P. Marchenko, I.V. Fryazinov, V. D. Golyshev, M. A. Gonik, V. B. Tsvetovsky. Numerical simulation of growing single crystals by the OTF1-method under microgravity // Physics of crystallization. By the centenary of G.G. Lemlein. - M.: Publishing House of Physical and Mathematical Literature, 2002. - S.304-316.

7. V.D.Golyshev, M.P.Marchenko, I.V.Frjasinov. Influence of the boundary temperature conditions on the shape of the phase interface, on melt flow and dopant distribution in single crystals grown by the AHP method. Proceeding of the 4th Int. Conference on single crystal growth and heat & mass transfer, Obninsk, Russia, 24-28 September, 2001, Vol.3, p.715-724.7. V.D. Golyshev, M.P. Marchenko, I.V. Frjasinov. Influence of the boundary temperature conditions on the shape of the phase interface, on melt flow and dopant distribution in single crystals grown by the AHP method. Proceeding of the 4th Int. Conference on single crystal growth and heat & mass transfer, Obninsk, Russia, 24-28 September, 2001, Vol. 3, p. 715-724.

8. S.V.Bykova, V.D.Golyshev, M.A.Gonik, V.B.Tsvetovsky, E.Balikci, A.Deal, R.Abbaschian, M.P.Marchenko, Igor.V.Frjazinov, V.N.Vlasov. The experimental-numerical investigation of instability of faceted Ge doped by Sb growth on the base of AHP method. Journal of Crystal Growth, 275 (2005), 229-236.8. S.V. Bykova, V. D. Golyshev, M. A. Gonik, V. B. Tsvetovsky, E. Balikci, A. Deal, R. Abbaschian, M. P. Marchenko, Igor. V. Frjazinov, V. N. Vlasov. The experimental-numerical investigation of instability of faceted geopedoped by Sb growth on the base of AHP method. Journal of Crystal Growth, 275 (2005), 229-236.

Claims (10)

1. Способ выращивания легированных монокристаллов германия из расплава в тигле, размещенном на теплоотводящем блоке, на кристаллографически ориентированную затравку, диаметром, равным внутреннему диаметру тигля, в условиях осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации - методом ОТФ, с использованием многосекционного фонового нагревателя и погруженного в расплав многосекционного нагревателя - ОТФ-нагревателя, поддерживаемого при постоянной температуре T1, путем перемещения тигля с затравкой и растущим кристаллом в холодную зону печи относительно ОТФ-нагревателя, при разных начальных концентрациях легирующей примеси C1 в зоне кристаллизации W1 с высотой расплава h и C2 в зоне подпитки W2 и при уменьшении в ходе перемещения тигля температуры дна тигля T4(t) в соответствии с законом: T4(t)=T40-a·t, где Т40 - начальное значение температуры, a=v(λp·gradTp+Q)/λкр, v - скорость вытягивания кристалла, λр - теплопроводность расплава германия, gradTp - осевой градиент температуры в расплаве, при котором выращивают кристалл, Q - теплота кристаллизации, λкр - теплопроводность кристалла германия, отличающийся тем, что для получения равномерно легированных в поперечном сечении монокристаллов германия диаметром до 150 мм осуществляют управление переносом массы расплава в зоне кристаллизации, которое ведут за счет выбора оптимального соотношения между осевым градиентом температуры в расплаве gradTp, радиальным распределением температуры вдоль ОТФ-нагревателя, высотой слоя расплава h и скоростью вытягивания v, при этом рост монокристаллов германия в кристаллографических направлениях [111] и [100] ведут в зависимости от диаметра кристалла и требуемого качества при следующих параметрах: h=5-30 мм, gradTp=3-50°C/cм, v=2-30 мм/ч, разнице температур ОТФ-нагревателя T2-T1=0-6°C, разнице температур между боковой поверхностью тигля Т3 и температурой ОТФ-нагревателя Т2, равной T3-T2=1-20°С.1. A method of growing doped germanium single crystals from a melt in a crucible placed on a heat-removing block onto a crystallographically oriented seed with a diameter equal to the inner diameter of the crucible under axial heat flux near the crystallization front using the OTF method using a multi-section background heater and immersed in the melt multiple stage heater - OTF heater maintained at a constant temperature T 1, by moving the crucible and a seed crystal growing in cold h Well furnace relatively OTF-heater, at different initial concentration of dopant C 1 in the crystallization zone W 1 with a height h and C 2 melt zone Drains W 2 and decreasing during displacement T 4 (t) of the crucible bottom temperature of the crucible in accordance with by law: T 4 (t) = T 4 0 -a · t, where T 4 0 is the initial temperature value, a = v (λ p · gradTp + Q) / λ cr , v is the crystal drawing speed, λ p is the thermal conductivity germanium melt, gradTp - axial temperature gradient in the melt in which the crystal is grown, Q - heat of crystallization, λ cr - thermal conductivity of the crystal n mania, characterized in that in order to obtain germanium single crystals uniformly alloyed in cross section with a diameter of up to 150 mm, the melt mass transfer in the crystallization zone is controlled by selecting the optimal ratio between the axial temperature gradient in the gradTp melt and the radial temperature distribution along the OTP heater , the height of the melt layer h and the drawing speed v, while the growth of single crystals of germanium in the crystallographic directions [111] and [100] is carried out depending on the diameter Stull and desired quality for the following parameters: h = 5-30 mm, gradTp = 3-50 ° C / cm, v = 2-30 mm / h, difference in OTF heater temperature T 2 -T 1 = 0-6 ° C , the temperature difference between the side surface of the crucible T 3 and the temperature of the TFT heater T 2 equal to T 3 -T 2 = 1-20 ° C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что загрузку шихты осуществляют в два приема: сначала ОТФ-нагреватель ставят на затравку, а затем шихту помещают сверху ОТФ-нагревателя.2. The method according to claim 1, characterized in that the charge is loaded in two steps: first, the OTP heater is placed on the seed, and then the mixture is placed on top of the OTP heater. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для фиксации начала плавления затравки контролируют начало перемещения ОТФ-нагревателя вдоль вертикальной оси.3. The method according to claim 1, characterized in that to fix the beginning of the melting of the seed control the beginning of the movement of the OTP heater along the vertical axis. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для фиксации начала плавления затравки контролируют усилие, оказываемое ОТФ-нагревателем на датчик веса или давления.4. The method according to claim 1, characterized in that to fix the onset of melting of the seed, the force exerted by the OTF heater on the weight or pressure sensor is controlled. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что рост монокристаллов германия, легированных сурьмой и галлием, осуществляют путем поддержания заданных зависимостей от времени температуры или мощности секций фонового нагревателя Th1-Th4, с помощью автоматической системы управления.5. The method according to claim 1, characterized in that the growth of single crystals of germanium doped with antimony and gallium is carried out by maintaining predetermined time dependences of the temperature or power of the background heater sections Th 1 -Th 4 using an automatic control system. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что рост монокристаллов германия осуществляют при изменении температур Th1-Th4 в соответствии со следующими законами: Th1(t)=Th1(0)+a1t, Th2(t)=Th2(0)+a2t, Th3(t)=Th3(0)+a3t, Th4(t)=Th4(0)+a4t, где a1=0÷(±3v·gradT), a2=0÷(±3v·gradT), а3=0÷(±vgradT), a4=0÷(±vgradT), t - время в процессе, gradT - осевой градиент температуры в печи, v - скорость вытягивания тигля, Th1-4(0) - начальные значения температур.6. The method according to claim 5, characterized in that the growth of single crystals of germanium is carried out with a change in temperature Th 1 -Th 4 in accordance with the following laws: Th 1 (t) = Th 1 (0) + a 1 t, Th 2 (t ) = Th 2 (0) + a 2 t, Th 3 (t) = Th 3 (0) + a 3 t, Th 4 (t) = Th 4 (0) + a 4 t, where a 1 = 0 ÷ (± 3v · gradT), a 2 = 0 ÷ (± 3v · gradT), and 3 = 0 ÷ (± vgradT), 4 = 0 ÷ (± vgradT), t is the time in the process, gradT is the axial temperature gradient in the furnace, v is the crucible pulling speed, Th 1-4 (0) are the initial temperatures. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что рост монокристаллов германия, легированных сурьмой и галлием, осуществляют при изменении температуры или мощности секций ОТФ-нагревателя.7. The method according to claim 1, characterized in that the growth of single crystals of germanium doped with antimony and gallium is carried out when the temperature or power of the sections of the OTP heater is changed. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что рост монокристаллов германия осуществляют при изменении T1 в соответствии с законом: T1(0)±bt, где T1(0) - начальное значение температуры, t - время в процессе, b=nv, v - скорость вытягивания, n - выбирается исходя из диаметра кристалла и начальных условий, сформировавшихся при затравлении.8. The method according to claim 7, characterized in that the growth of single crystals of germanium is carried out with a change in T 1 in accordance with the law: T 1 (0) ± bt, where T 1 (0) is the initial temperature, t is the time in the process, b = nv, v is the drawing speed, n is selected based on the diameter of the crystal and the initial conditions formed during seeding. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что рост монокристаллов германия осуществляют при увеличении суммарной мощности секций ОТФ-нагревателя в соответствии с увеличением радиуса кристалла, в том числе пропорционально квадрату радиуса кристалла.9. The method according to claim 1, characterized in that the growth of single crystals of germanium is carried out with an increase in the total power of the sections of the OTP heater in accordance with an increase in the radius of the crystal, including in proportion to the square of the radius of the crystal. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для отвода тепла от дна тигля используют теплоотводящий блок, диаметр которого находится в диапазоне 0,2-1,0 от диаметра тигля. 10. The method according to claim 1, characterized in that for the removal of heat from the bottom of the crucible using a heat sink unit, the diameter of which is in the range of 0.2-1.0 from the diameter of the crucible.
RU2008119071/15A 2008-05-15 2008-05-15 METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD RU2381305C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008119071/15A RU2381305C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008119071/15A RU2381305C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008119071A RU2008119071A (en) 2009-11-20
RU2381305C1 true RU2381305C1 (en) 2010-02-10

Family

ID=41477611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008119071/15A RU2381305C1 (en) 2008-05-15 2008-05-15 METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2381305C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791646C1 (en) * 2022-05-13 2023-03-13 Михаил Александрович Гоник Method of crystallization of large-sized alloyed germanium ingots in the form of disks and plates and a device for its implementation

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108130596A (en) * 2018-01-18 2018-06-08 北京大学 A kind of twin crystal prepares hot pressing furnace and its control method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BYKOVA S.V. et al, The experimental-numerical investiganion of instability of faceted Ge doped by Sb growth on the base of AHP method, "Journal of Crystal Growth", 2005, vol.275, № 1-2, p.229-236. BYKOVA S.V. et al. Features of mass transfer for the laminar melt flow along the interface, "Journal of Crystal Growth", 2002, v.237-239. Part 3, p.1886-1891. MEYER S. et al. Forced convection in vertical Bridgman configuration with the submerged heater, "Journal of Crystal Growth", 1997, v.171, p.566-576. MARCHENKO M.P. et al, Dynamics of 111 Ge facet and dopant distribution at laminar melt flow crystal growth, "Journal of Crystal Growth", 2007, v.303, № 1, p.297-301. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791646C1 (en) * 2022-05-13 2023-03-13 Михаил Александрович Гоник Method of crystallization of large-sized alloyed germanium ingots in the form of disks and plates and a device for its implementation
RU2791643C1 (en) * 2022-05-13 2023-03-13 Михаил Александрович Гоник Method for growing germanium or silicon single crystals and a device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008119071A (en) 2009-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fujiwara et al. In situ observation of Si faceted dendrite growth from low-degree-of-undercooling melts
KR20180120076A (en) METHOD FOR PRODUCING SiC SINGLE CRYSTAL AND PRODUCTION DEVICE
US10443149B2 (en) Method of producing crystal
KR101385997B1 (en) Apparatus for producing single crystal and method for producing single crystal
JP4830312B2 (en) Compound semiconductor single crystal and manufacturing method thereof
RU2434976C2 (en) PROCEDURE FOR GROWTH OF Cd1-XZnXTe BY METHOD OF AHF (AXIAL HEAT FRONT), WHERE 0≤x≤1 OF DIAMETRE TO 150 mm
RU2330126C2 (en) METHOD OF GROWING Cd1-xZnxTe, WHERE 0≤х≤1
Hofmann et al. Growth of 2 inch Ge: Ga crystals by the dynamical vertical gradient freeze process and its numerical modelling including transient segregation
RU2381305C1 (en) METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD
JP2020114802A (en) Method for manufacturing silicon single crystal
US20160024686A1 (en) Method of designing a passage through a weir for allowing dilutions of impurities
JP5262346B2 (en) Method for producing silicon single crystal
RU2330127C2 (en) Method of germanium single crystals growing by otf method
US6554895B2 (en) Crystallogenesis method with magnetic field
RU2320791C1 (en) Crystal growing method and apparatus for performing the same
JP6969230B2 (en) Single crystal growth method and single crystal growth device
JP3812573B2 (en) Semiconductor crystal growth method
JP7349100B2 (en) Seed crystal for FeGa single crystal growth and method for producing FeGa single crystal
JP2002060296A (en) Crucible and apparatus for producing single crystal, and method of producing single crystal using the same
JPH0259494A (en) Production of silicon single crystal and apparatus
JPH02172885A (en) Production of silicon single crystal
JP2006213554A (en) Crystal growth method and its apparatus
Strelov et al. Development of the Growth Technology of Highly Homogeneous Semiconductor Crystals
JP2022020187A (en) METHOD FOR PRODUCING FeGa ALLOY SINGLE CRYSTAL
RU2199614C1 (en) Method of growing crystals

Legal Events

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

Effective date: 20140516

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150227

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180516