RU2565701C1 - Способ выращивания монокристаллов германия - Google Patents

Способ выращивания монокристаллов германия Download PDF

Info

Publication number
RU2565701C1
RU2565701C1 RU2014148707/05A RU2014148707A RU2565701C1 RU 2565701 C1 RU2565701 C1 RU 2565701C1 RU 2014148707/05 A RU2014148707/05 A RU 2014148707/05A RU 2014148707 A RU2014148707 A RU 2014148707A RU 2565701 C1 RU2565701 C1 RU 2565701C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
crucible
melt
diameter
single crystals
Prior art date
Application number
RU2014148707/05A
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Александрович Каплунов
Александр Игоревич Колесников
Ольга Юрьевна Колесникова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority to RU2014148707/05A priority Critical patent/RU2565701C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2565701C1 publication Critical patent/RU2565701C1/ru

Links

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия из расплава методом Чохральского для изготовления оптических и акустооптических элементов инфракрасного диапазона длин волн, применяемых в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений и для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей. В процессе вытягивания линейное перемещение кристалла ведут со скоростями 0,6-0,9 мм/мин в циклическом режиме, при этом вытягивают монокристалл из расплава вверх, затем опускают монокристалл в расплав. Соотношение линейного перемещения вверх - вниз составляет 2:1. Величину абсолютного перемещения вверх h за один цикл рассчитывают согласно математической формуле отношений диаметра тигля к диаметру кристалла в мм: h меньше или равно 1,5Dтигля/Dкристалла. Способ позволяет получать кристаллы германия с низкой плотностью дислокаций - до 250 см-2. 4 пр.

Description

Изобретение относится к способам выращивания из расплава совершенных монокристаллов германия, применяемых для изготовления оптических и акустооптических элементов инфракрасного диапазона длин волн, в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений, для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей.
Из уровня техники известен способ получения монокристаллов вытягиванием из расплавов по Чохральскому (Нашельский А.Я. Технология полупроводниковых материалов. 1987, С. 88-104), включающий плавление исходного материала в тигле и кристаллизацию его на монокристаллической затравке, поднимающейся в вертикальном направлении с вращением или без вращения.
Существенным недостатком способа является необходимость создания таких температурных условий выращивания, которые обеспечат получение монокристаллов с низким и контролируемым уровнем дефектов кристаллической структуры, возникающих в результате наличия неоднородного температурного поля. Для устранения таких эффектов применяют различного типа устройства и способы, обеспечивающие низкие градиенты температур в кристалле и расплаве на фронте кристаллизации, линейную зависимость градиента температур вблизи фронта кристаллизации, термообработку кристаллов после выращивания.
Известен способ выращивания монокристаллов германия из расплава методом Чохральского с использованием дополнительной термообработки монокристалла (Gafhi G., Azoulay М., Shiloh С. et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. V. 28. №9. P. 1003-1007). Монокристаллы германия для оптического применения (инфракрасная оптика) диаметром до 200 мм выращиваются методом Чохральского и затем термообрабатываются. Цель термообработки заключается в повышении оптической однородности материала и уменьшении оптических потерь, для чего в монокристаллах анализируются оптические характеристики. Цель достигается путем применения отжига оптических образцов, который проводится путем нагрева до температуры 450°С, выдержки при этой температуре в течение нескольких дней и дальнейшем охлаждением до комнатной температуры со скоростью 2°С в минуту.
Однако авторами не проводился анализ структурных характеристик монокристаллов, не анализировалось распределение и количество дислокаций и других дефектов. Используемый авторами низкотемпературный (450°С) отжиг не может влиять на дислокационную структуру (уменьшая их количество), такое влияние может быть существенно только в области пластичности германия (при температурах выше 600°С), максимальный эффект будет наблюдаться вблизи температуры плавления (943°С). (Smirnov Yu. M., Ivanova A.I., Kaplunov I.A. Dislocation Formation and Motion in Germanium Single Crystals // Crystallografy Reports. 2008. V. 53. N7. P. 1133-1136.)
Известно, что дислокационная структура германия (дислокации и дислокационные дефекты типа малоугловых границ, линий скольжения) может приводить к существенному ухудшению рабочих параметров оптических изделий тепловизионной техники на основе германия (в частности, рассеянию инфракрасного излучения). При превышении уровня плотности дислокаций более 300 см-2 монокристаллы практически не применимы для изготовления на их основе подложек для самых эффективных в настоящее время фотоэлектрических преобразователей - каскадных многослойных фотоэлементов, в которых на подложку из совершенного монокристалла германия (диаметром 100 или 150 мм) осаждают полупроводниковые слои на основе А3В5.
Существует ряд способов выращивания из расплава методом Чохральского монокристаллов кремния (RU 2077615 С1, опубл. 20.04.1997), германия (RU 97101248 А, опубл. 10.02.1999; RU 99123739 А, опубл. 20.01.2002). Сущность способов включает, в том числе, изменение кинетических параметров процесса (скоростей вращения затравочного кристалла и тигля); результатом является повышение качества материала за счет более однородного распределения примесей, более точного поддержания диаметра кристалла.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ выращивания монокристаллов методом Чохральского, включающий программирование скоростей вращения затравочного кристалла и тигля и позволяющий существенно стабилизировать процесс выращивания монокристаллов, повышая качество кристаллов, выход годной продукции (RU 2128250 С1, опубл. 27.03.1999).
Указанные способы выращивания монокристаллов, так же, как и прототип, имеют недостатки - способы напрямую не влияют на количество дислокаций и дислокационных дефектов.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения выхода годной продукции за счет получения монокристаллов с минимальной концентрацией дефектов структуры.
Данная задача решается за счет того, что заявленный способ выращивания монокристаллов германия из расплава по Чохральскому включает программирование скоростей вращения тигля и затравки, при этом линейное перемещение кристалла может вестись со скоростями 0,6-0,9 мм/мин в циклическом режиме, включающем вытягивание из расплава - опускание в расплав монокристалла с соотношением перемещения вверх - вниз 2:1 при значении абсолютного перемещения вверх h за один цикл, рассчитанном согласно формуле: h≤1,5Dтигля/Dкристалла, где h - величина перемещения вверх, мм; Dтигля - диаметр тигля, мм; Dкристалла - диаметр кристалла, мм.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение дефектов кристаллической структуры в монокристаллах германия (величины плотности дислокаций), выращиваемых из расплава, до средней величины 250 см-2.
Задача была реализована за счет применения специально разработанного цикла линейного перемещения верхнего штока с растущим кристаллом: использовалось цикличное вытягивание - опускание растущего монокристалла, причем соотношение линейной величины перемещений вверх - вниз составляло 2:1.
Термоупругие напряжения, которые являются причинами образования дислокаций, возникают в монокристаллах при выращивании в неоднородном температурном поле, которое характеризуется величиной градиентов температуры и величиной соотношения осевого и радиального температурных градиентов (наиболее существенное влияние оказывает величина радиального температурного градиента). Температурное поле в ростовой системе определяется конструкцией оснастки печи, геометрическими размерами кристалла, кинетическими характеристиками процесса (которые определяют скорость изменения тепловых потоков в системе расплав-кристалл-окружающая среда). Высокие скорости вытягивания приводят к появлению дислокаций; после возникновения отдельные дислокации способствуют генерации новых дислокаций, что обычно приводит к увеличению плотности дислокаций от верха кристалла к нижней его части.
Применение режима выращивания, связанного сначала с подъемом, а затем опусканием кристалла в расплав снижает вероятность образования и развития дислокаций в монокристаллах, а также способствует удалению из кристалла части дислокаций и равномерному распределению по кристаллу оставшихся дислокаций. Кристалл при опускании подплавляется, скрытая теплота кристаллизации влияет на перераспределение тепловых потоков. Это обеспечивает, во-первых, дополнительный отжиг участков кристалла вблизи фронта кристаллизации (при отжиге часть дислокаций выходит из кристалла). Во-вторых, такой процесс приводит к поддержанию низкого значения радиального температурного градиента в кристалле - до 0,5-1,0 К/см.
Таким образом, применяемый режим цикличного вытягивания - опускания кристалла обеспечивает получение монокристаллов с низкой плотностью дислокаций.
Технологический цикл выращивания монокристаллов германия с отжигом состоит в следующем. В графитный тигель установки загружают предварительно химически протравленный зонноочищенный германий. В затравкодержатель устанавливают монокристаллическую затравку, ориентированную в требуемом кристаллографическом направлении (обычно 〈111〉 или 〈100〉). Установку выращивания герметично закрывают. Включают подачу охлаждающей воды, в установке создают необходимый вакуум. Включают нагреватель сопротивления. Германий расплавляют. Температуру расплава снижают до температуры, соответствующей процессу затравления, выдерживают в таком состоянии 15-20 минут, после чего затравочный кристалл опускают в расплав. Путем снижения температуры и постепенного вытягивания монокристалла при угле конуса вытягивания 30° диаметр монокристалла доводят до требуемого, после чего производят рабочее выращивание монокристалла в осевом направлении.
Вытягивание кристалла производят со скоростью 0,6-0,9 мм/мин на заданную величину линейного перемещения, затем кристалл опускают в расплав с такой же скоростью на величину в 2 раза меньше.
При выращивании монокристаллов необходимо учитывать размеры оснастки, в частности размеры тигля. Экспериментально установленная величина перемещения кристалла зависит от соотношения диаметров тигля и кристалла и составляет примерно h≤1,5Dтигля/Dкристалла, где h - величина перемещения вверх, мм; Dтигля - диаметр тигля, мм; Dкристалла - диаметр кристалла, мм.
Циклы повторяют до достижения кристаллом заданной длины. Истинная скорость роста, таким образом, составляет примерно 0,2-0,3 мм/мин.
Вытягивают монокристалл до заданной длины, которая для таких процессов составляет обычно 100-150 мм, и производят отрыв кристалла от расплава с формированием нижнего конуса с углом примерно 30°. Затем температуру снижают, причем снижение до 730-750 К осуществляют со скоростью не более 60-80 К/ч. После полного остывания монокристалл извлекают, обрабатывают, определяют требуемые технические характеристики.
Примеры реализации заявляемого способа при выращивании монокристалла германия из тигля диаметром 230 мм.
Пример 1.
Монокристалл без применения изобретения:
диаметр - 90 мм; длина - 100 мм;
плотность дислокаций в верхней части 5000 см-2;
плотность дислокаций в нижней части верхней части 6000-7000 см-2;
скорость вытягивания: 0,9 мм/мин.
Пример 2.
Монокристалл без применения изобретения:
диаметр - 150 мм; длина - 110 мм;
плотность дислокаций в верхней части 4000-5000 см-2;
плотность дислокаций в нижней части верхней части 6000-7500 см-2;
скорость вытягивания: 0,7 мм/мин.
Пример 3.
Монокристалл с применением изобретения (с цикличным режимом вытягивания):
диаметр - 95 мм; длина - 110 мм;
плотность дислокаций в верхней части 200-210 см-2;
плотность дислокаций в нижней части верхней части 240-250 см-2;
скорость вытягивания (результирующая): 0,3 мм/мин;
величина перемещения вверх за цикл: 3,5 мм;
величина перемещения вниз за цикл: 1,75 мм.
Пример 4.
Монокристалл с применением изобретения (с цикличным режимом вытягивания):
диаметр - 150 мм; длина - 120 мм;
плотность дислокаций в верхней части 200-220 см-2;
плотность дислокаций в нижней части верхней части 210-250 см-2;
скорость вытягивания: 0,25 мм/мин.
величина перемещения вверх за цикл: 2,2 мм;
величина перемещения вниз за цикл: 1,1 мм.
Применение способа позволило существенно снизить плотность дислокаций в монокристаллах, применяемых в оптике, акустооптике и для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей.
Предложенный способ выращивания монокристаллов возможен к применению не только в опытных производствах, но и при серийном производстве в промышленности.

Claims (1)

  1. Способ выращивания монокристаллов германия из расплава по Чохральскому, включающий программирование скоростей вращения тигля и затравки, отличающийся тем, что линейное перемещение кристалла ведут со скоростями 0,6-0,9 мм/мин в циклическом режиме, включающем вытягивание из расплава - опускание в расплав монокристалла с соотношением перемещения вверх - вниз 2:1 при значении абсолютного перемещения вверх h за один цикл, рассчитанном согласно формуле: h≤1,50Dтигля/Dкристалла, где h - величина перемещения вверх, мм; Dтигля - диаметр тигля, мм; Dкристалла - диаметр кристалла, мм.
RU2014148707/05A 2014-12-03 2014-12-03 Способ выращивания монокристаллов германия RU2565701C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148707/05A RU2565701C1 (ru) 2014-12-03 2014-12-03 Способ выращивания монокристаллов германия

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148707/05A RU2565701C1 (ru) 2014-12-03 2014-12-03 Способ выращивания монокристаллов германия

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2565701C1 true RU2565701C1 (ru) 2015-10-20

Family

ID=54327307

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014148707/05A RU2565701C1 (ru) 2014-12-03 2014-12-03 Способ выращивания монокристаллов германия

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2565701C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2241792C1 (ru) * 2003-06-30 2004-12-10 ООО МНПП "Кристалл" Способ выращивания монокристаллов
CN101063227A (zh) * 2007-05-24 2007-10-31 北京有色金属研究总院 降埚直拉法生长低位错锗单晶工艺及装置
US20110143091A1 (en) * 2009-12-13 2011-06-16 Axt, Inc. Germanium ingots/wafers having low micro-pit density (mpd) as well as systems and methods for manufacturing same
RU2534103C1 (ru) * 2013-06-28 2014-11-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" Устройство для выращивания монокристаллов из расплава методом чохральского

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2241792C1 (ru) * 2003-06-30 2004-12-10 ООО МНПП "Кристалл" Способ выращивания монокристаллов
CN101063227A (zh) * 2007-05-24 2007-10-31 北京有色金属研究总院 降埚直拉法生长低位错锗单晶工艺及装置
US20110143091A1 (en) * 2009-12-13 2011-06-16 Axt, Inc. Germanium ingots/wafers having low micro-pit density (mpd) as well as systems and methods for manufacturing same
RU2534103C1 (ru) * 2013-06-28 2014-11-27 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" Устройство для выращивания монокристаллов из расплава методом чохральского

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOSKOVSKIN V.A. et al, The low thermal gradient CZ technique as way of growing of dislocation-free germanium crystal, "Journal of Crystal Growth", 1 September 2014, Vol.401, p.p.767-771. GUOJIAN WANG et al, Development of large size high-purity germanium crystal growth, "Journal of Crystal Growth", 2012, Vol.352, No.1, p.p.27-30 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI522500B (zh) 矽單結晶及其製造方法
CN108779577B (zh) 单晶硅的制造方法
JP3552278B2 (ja) シリコン単結晶の製造方法
CN107109686A (zh) 用于制造单晶硅锭的方法、以及通过该制备方法制备的单晶硅锭
JP2008508187A (ja) 溶融物から単結晶を成長させる方法
CN110042461B (zh) 一种增加热传递大尺寸磷化锗锌晶体的生长方法
KR101862157B1 (ko) 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 및 장치
DE10393635B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers
RU2565701C1 (ru) Способ выращивания монокристаллов германия
JP5088338B2 (ja) シリコン単結晶の引き上げ方法
CN107949665A (zh) 单晶制造装置
JP5375636B2 (ja) シリコン単結晶の製造方法
US10066313B2 (en) Method of producing single crystal
CN104711676B (zh) 一种宝石单晶生长方法
KR20150062278A (ko) 사파이어 초고온 단결정 성장로 단열 구조
WO2010103594A1 (ja) 単結晶の製造方法
CN114481329A (zh) 全向多段加热控制的碲锌镉晶体生长炉及晶体生长方法
KR100946558B1 (ko) 커스프 자기장을 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 방법
US10100431B2 (en) Method for growing monocrystalline silicon and monocrystalline silicon ingot prepared thereof
RU2261295C1 (ru) Способ выращивания монокристаллов германия
JP2016130205A (ja) サファイア単結晶の製造方法
JP4134800B2 (ja) 単結晶製造用黒鉛ヒーター及び単結晶製造装置ならびに単結晶製造方法
JP2014058414A (ja) 評価用シリコン単結晶の製造方法
RU2631810C1 (ru) Способ радиального разращивания профилированных монокристаллов германия
RU2560402C1 (ru) Способ выращивания монокристаллов из расплава

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20170220