Монокристали карбіду кремнію алманіт, спосіб їх вирощування та пристрій для здійснення способу

Винахід, що заявляється, відноситься до технології отримання напівпровідникових та особливо чистих матеріалів, а саме до технології вирощування монокристалів карбіду кремнію (алманітів) високої якості до складу яких входять: кремній, який має рідку фазу і вуглець, який не має рідкої фази. Карбід кремнію є надзвичайно перспективним матеріалом, завдяки наявності великої кількості політипів (більше 100), високій дрейфовій швидкості носіїв струму, має широкий діапазон забороненої зони (від 2,2еВ для кубічного ЗС-SiC до 3еВ - гексагональна модифікація. Високий термічний коефіцієнт розширення, твердість (9,5 по шкалі Мосса) ближча до твердості алмаза (10), високий коефіцієнт заломлення (2,65), висока радіаційна стійкість дозволяють застосовувати його не тільки в напівпровідниковому приладобудуванні, але і в оптиці, порошкові металургії, ядерній і космічній техніці. Висока дрейфова швидкість носіїв струму відкриває широкі можливості застосування цього матеріалу для створення приладів, працюючих в міліметровому і субміліметровому діапазонах при високих рівнях потужності. Відомо декілька способів одержання монокристалів карбіду кремнію високої чистоти. Це: - CVD (хімічне осаджування парів) - метод , в якому реактивні гази введені у відповідний пристрій, формують кристали карбіду кремнію на відповідній підложці (патент ФРН, №2253411, 1977); - вирощування із рідкої фази (Дмитрієв В.А. Карбід-кремнієві структури, що одержані рідкофазною емісією, Листи вЖТФ, 1985, т.II, стор.238-241). - Найбільш поширеним способом вирощування монокристалів карбіду кремнію є сублімація із парової фази (Leiy... Patent USA №2854364), лише останнім часом суттєво удосконаленим Таіровим Ю.М. та Цветковим В. "Основні принципи вирощування монокристалів карбіду кремнію різних політипів", Jum. of Crystal Grouth 52 (1981) p.146-150 та Robert F. Carter I.I інші.(патент США №RE34,861, 1995). Всі згадувані вище способи мають суттєвий недолік. В них спочатку вирощується порошок полікристалічного карбіду кремнію, а потім сублімацією із цього порошка вирощують монокристали (див. фіг.1). На фіг.1 - тигель із графіту, або карбіду кремнію - 1; затравка карбіду кремнію - 2; полікристалічний карбід кремнію - 3. Відомі також способи вирощування монокристалів карбіду кремнію прямим синтезом із кремнію і вуглецю (Таіров Ю.М. та Цветков В. і інші), який дозволяє отримувати окремі монокристали карбіду кремнію, причому їх синтез і ріст практично не керовані. Недоліком вказаного пристрою є те, що в ньому можна лише вирощувати монокристали мошаніту з готового порошку полікристалів карбіду кремнію. Сам же порошок полікристалів карбіду кремнію необхідно одержувати в окремій посудині, потім перезавантажувати його в синтезатор-кристалізатор. Це призводить до неминучого попадання неконтрольованих домішок, які важко виключити. У відомому пристрої можна вирощувати одночасно лише один монокристал. Все це крім того ускладнює і здорожчує процес одержання монокристалів мошаніту. Технічне завдання - створення способу вирощування монокристалів карбіду кремнію алманіту, та пристрою для його здійснення, шляхом вирощування монокристалів карбіду кремнію прямим синтезом з кремнію і вуглецю, з використанням надлишкових парів кремнію, досягнення керованого вирощуваная одночасно великої кількості монокристалів карбіду кремнію бажаного політипу та заданих якісних показників, та створення пристрою для здійснення вказаного способу, шляхом використання однієї робочої зони без перезавантажень, добитися високих показників по чистоті і якості монокристалів. Алманіт - це монокристали особливо чистого карбіду кремнію із вмістом домішок 5х1015-5х1016см -3, який має біля основи грань у вигляді багатогранника (наприклад, шестигранника, характерного для політипу 6Н і багато дзеркальних граней, розташованих під різними кутами до осі росту кристалу, причому ці кути поступово збільшуються до 90°, а потім зменшуються, в результаті чого, кристали приймають різноманітні форми - форму кулі, форму яйця, і інші, які вирощують в глибокому вакуумі (10-5-10-6 мм.рт.ст.) Поставлене технічне завдання вирішується способом вирощування монокристалів карбіду кремнію алманіту, який полягає у тому, що монокристали карбіду кремнію вирощують із особливо чистих кремнію і вуглецю (вміст домішок не більше 1х1016см -3, причому кремній використовують у вигляді розплаву, нагрітого до температури випаровування (1750°С), а вуглець у вигляді графіту з якого виготовлені всі деталі синтезатора, кришка синтезатора, кристалізатор і тигель з розплавом кремнію, нагрітих до температури синтезу (біля 2000°С) карбіду кремнію, при цьому для формування зародків в заданих місцях на внутрішній поверхні синтезатора механічним шляхом створюють голкоподібні піраміди (фіг.2) На вістрі голкоподібних пірамід перш за все зароджуються затравки, а потім на них ростуть монокристали майже перпендикулярно до площини основи пірамід (фіг.3). При цьому спостерігається ріст монокристалів алманіту як на затравках, розташованих на внутрішній стінці кристалізатора, так і на зернах графіту, при цьому на зовнішній поверхні стінки кристалізатора ростуть монокристали, навколо котрих росте фон із полікристалічного карбіду кремнію, а на внутрішніх стінках кристалізатора, монокристали ростуть без полікристалічного фону. Кристалізатор виконується у вигляді багатогранної (найчастіше шестигранної) піраміди, що зібрана з однакових пластин, причому в одній грані закріплюється по 2 графітові пластини, на яких на зовнішніх сторонах також механічним шляхом сформовані піраміди, крок між якими повинен бути вдвічі більшим, ніж величина вирощуваного монокристалу. Найбільш широке розповсюдження при одержанні монокристалів карбіду кремнію мошаніту одержав модифікований спосіб Лелі (патент США №RE34,861, 1995), обраний прототипом, за яким осадженням у замкнутій системі одержують монокристали з парів карбіду кремнію, нагрітого до температури випару, який, у свою чергу, одержують прямим синтезом із кремнію і вуглецю або CVD методом. Цей спосіб, як і інші, зазначені вище способи, передбачають двох-ступеневий процес одержання монокристалів карбіду кремнію. Спочатку одержують порошок або зерна полікристалічного карбіду кремнію, поміщають їх у графітову посудин у (синтезатор-кристалізатор), де нагрівають полікристали до пароподібного стану. На кришці посудини закріплюють підложку-зародок, що має температуру тро хи нижчу від температури нагрітих зерен (порошку) карбіду кремнію. Пари карбіду кремнію піднімаються до підложки, осідають на ній, за рахунок чого і відбувається вирощування кристалів. Температура нагрівання полікристалічного карбіду кремнію при цьому повинна бути не нижче 2250°С в атмосфері аргону при тиску не менше 10мм рт.ст. (див.також фіг.1). Такий двохступеневий спосіб одержання монокристалів має ряд недоліків: - необхідно мати окрему установку для одержання полікристалічного карбіду кремнію високої чистоти. При вийманні цих кристалів і завантаженні в установку для вирощування монокристалів карбіду кремнію мошаніту важко виключити появу неконтрольованих домішок; - при високих (більше 2250°С) температурах кремній випаровується швидше, ніж випаровується карбід кремнію. У результаті цього в зоні росту монокристалів відбувається збагачення парів карбіду кремнію вуглецем. Це призводить до того, що вільний вуглець попадає на підложку, утворюючи так звані, включення графіту; - графіт високої чистоти, з якого виготовляють посудину для вирощування монокристалів карбіду кремнію, завжди містить ряд неконтрольованих домішок, особливо атомів тугоплавких металів. При температурах більше 2250°С ці метали випаровуються, забруднюючи монокристали. При цьому вони не тільки призводять до появи матовості кристала, але і часто до зриву монокристалічності, наявності дислокації та інших дефектів кристалічної решітки; - наявність атмосфери інертного газу завжди спричиняє присутність домішок, що входять в особливо чистий аргон, нехай навіть у незначних (