Спосіб вирощування монокристалів

Спосіб вирощування монокристалів дискретним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву, корекцією його температури по сигналу датчика рівня розплаву і підживленням розплаву вихідною сировиною, попередньо поданою у розташовану коаксіально тиглеві кільцеву ємність для розплавлення, при цьому задають висоту дискретного витягування монокристала і величину падіння рівня розплаву, тривалість робочого циклу вирощування монокристала і складових його стадій, у C2 2 (19) 1 3 безпосередньо з бункера, розташованого над ростовою піччю, а малими порціями розплаву з кільцевої ємкості, що знаходиться практично на одній висоті з тиглем. Відомим є спосіб вирощування МК [В.І. Горилецький, Б.В. Гриньов, Б.Г. Заславський та інш. "Рост кристаллов. Галогениды щелочных металлов", Харків: АКТА, 2002, С.318-320] дискретним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву шляхом корекції його температури по сигналу датчика рівня розплаву і підживлення розплаву первісною сировиною, яка попередньо подається для розплавлення у кільцеву ємність, що розташована коаксіально тиглеві, відповідно з яким задають висоту дискретного витягування МК (Dhs) і наступного змінення (Dh0) рівня розплаву, тривалість (t0) робочого циклу вирощування МК і стадій, що його складають, у тому числі, стадії дискретного витягування (t1) MK, стадії управління (t2), яка складається з операцій виміру падіння рівня розплаву (Dh) після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим (Dh0) і корекції температури розплаву згідно з результатом порівняння, стадії підживлення розплаву (t3) і стадії витримки після підживлення розплаву (t4), потім послідовно здійснюють ці стадії, після чого робочий цикл повторюють. Недоліком способу є те, що протягом робочого циклу вирощування МК здійснюється одне дискретне витягування, одне підживлення і одне управління за результатами змінення рівня розплаву після дискретного витягування, у наслідок чого виникають порушення стабільності гідродинамічних потоків, а коливання температури в кільцевій ємності не встигають цілком припинитися. Відомий спосіб [Україна, заявка №200608425 від 27.07.06p., рішення про видачу патенту від 04.09.07p.] вирощування МК дискретним витягуванням на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом з автоматичною підтримкою в тиглі постійного рівня розплаву шляхом корекції його температури по сигналу датчика рівня розплаву і підживлення розплаву первісною сировиною, яка попередньо подається для розплавлення у кільцеву ємність, що розташована коаксіально тиглеві, відповідно з яким задають висоту дискретного витягування МК (Dhs) і наступного змінення (Dh0) рівня розплаву, тривалість (t0) робочого циклу вирощування МК і стадій, що його складають, у тому числі, стадії дискретного витягування (t1) МК, стадії управління (t2), яка складається з операцій виміру падіння рівня розплаву (Dh) після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим (Dh0) і корекції температури розплаву згідно з результатом порівняння, стадії підживлення розплаву (t3) і стадії витримки після підживлення розплаву (t4), потім послідовно здійснюють ці стадії, після чого робочий цикл повторюють. При цьому на початку кожного робочого циклу вирощування МК виконують кілька додаткових локальних циклів, що складаються з операцій дискретного витягування, управління і підживлення розплаву, задаючи перед початком вирощування МК кількість локальних 87927 4 циклів (N) і їхню тривалість (tц). Крім того задають обмеження впливу по температурі (DT) при виконанні керування потужністю донного нагрівача. Головним же недоліком усіх приведених способів є те, що система керування діаметром МК не враховує особливості тепломасопереносу в процесі росту МК, насамперед, нелінійність цього процесу. При максимально граничних швидкостях вирощування МК на перший план виходить чутливість системи керування процесом кристалізації, тобто швидкість реагування системи керування на зміни температури розплаву на фронті кристалізації, що викликані зміною теплового балансу в печі. При цьому інерційність печі не дозволяє збільшити цю швидкість, тому обмеження впливу по температурі при виконанні керування потужністю донного нагрівача, що враховує зміну теплового балансу, э можливістю уникнути наслідків цієї зміни. Насамперед, це переохолодження розплаву на фронті кристалізації, локальна різка зміна формифронту кристалізації і, як наслідок, виникнення структурних дефектів в об'ємі МК. Однакове, на протязі всього процесу росту МК, обмеження впливу по температурі не враховує зміну теплового балансу і не дозволяє уникнути її наслідків. Таким чином, відомі способи не дозволяють забезпечити необхідну якість МК унаслідок зазначених недоліків. Як прототип обраний останній з аналогів. В основу винаходу поставлена задача створення способу вирощування МК, що забезпечив би поліпшення якості монокристалів за рахунок зменшення похибок керування діаметром МК шляхом обмеження корекції донного нагрівача з урахуванням нестаціонарності процесу росту. Рішення задачі забезпечується тим, що в способі вирощування МК, в якому проводять дискретне витягування на затравку з нерухомого по вертикалі тигля з розплавом, автоматично підтримують в тиглі постійний рівень розплаву, корегують його температуру по сигналу датчика рівня розплаву і підживлюють розплав вихідною сировиною, яку попередньо подають у розташовану коаксіально тиглеві кільцеву ємність для розплавлення, при цьому задають висоту дискретного витягування монокристала і величину падіння рівня розплаву, тривалість робочого циклу вирощування МК і стадій, що його складають, зокрема стадію дискретного витягування МК, стадію керування, яку забезпечують операціями виміру падіння рівня розплаву після підйому МК, порівняння отриманого значення з заданим і корекції температури розплаву за результатом порівняння, стадію підживлення розплаву і стадію витримки після підживлення розплаву, потім послідовно здійснюють вказані стадії, після чого робочий цикл повторюють, а на початку робочого циклу стадії дискретного витягування, керування і підживлення розплаву виконують декілька разів, після чого здійснюють підживлення до досягнення постійного рівня розплаву в тиглі, при цьому перед початком вирощування МК задають кількість стадій і їх тривалість, а (також обмеження корекції температури донного нагрівача (DТд) в межах ±0,4°С), відповідно до винаходу, з початком росту МК в довжину 5 підсумовують величину дискретного витягування МК, а обмеження корекції температури донного нагрівача задають в залежності від відповідної довжини циліндричної частини (Іцил) МК згідно стадіям його росту наступним чином: - з початком росту МК в довжину і до виходу його циліндричної частини за верхній рівень бічної поверхні тигля: -0,4°С£DТд£+0,1°С; - після виходу циліндричної частини МК за верхній рівень бічної поверхні тигля і до 2/3 його загальної Іцил: -0,1°С£DТд£+0,4°С; - після досягнення 2/3 загальної Іцил МК і до кінця вирощування: -0,2°С£DТд£+0,2°С. Таким чином, у винаході, так само, як і в прототипі, послідовно виконують операції робочого циклу: декілька разів дискретного витягування МК, керування діаметром МК шляхом зміни температури донного нагрівача, підживлення розплаву і витримки після підживлення розплаву. Ці операції є основними. Однак, як показали дослідження, в процесі вирощування зливка автоматична корекція температури донного нагрівача відображає по суті зміну теплового балансу в системі "нагрівач-розплавкристал-стінки печі" і підрозділяється на три стадії (Фіг.1). Особливості тепломасопереносу в процесі росту мають нелінійний характер. Ігнорування нестаціонарності процесу вирощування МК та похибка цього впливу може призвести до порушення монотонності зміни, аж до стрибкоподібної, теплових умов кристалізації, що призведе до виникнення дефектів в об'ємі кристалу. Дійсно, зміна геометричного положення циліндричного МК великого діаметру поперечного перерізу щодо тигля (внаслідок зміни довжини МК у процесі його росту) істотно впливає на умови теплопередачі в системі "нагрівач-розплав-кристал-стінки печі", тому на відміну від прототипу, корекція температури донного нагрівача обмежена не тільки по величині, але й відповідно стадіям росту МК, виходячи із відповідної довжини циліндричної частини МК, що підсумовується з початку росту МК в довжину. На першій стадії, коли МК цілком перебуває у середині тигля - на стадії росту МК зі змінним діаметром (область, що заштрихована, на Фіг.1) та подальшого росту МК постійного діаметру до виходу зливка за межі тигля (Іцил МК = 50-100мм, в залежності від розмірів тигля), процес кристалізації потребує постійного ініціювання його шляхом зниження температури донного нагрівача. При цьому здійснюють кероване зниження температури донного нагрівача від моменту включення керування з початком переходу до росту МК в довжину до мінімального значеннятемператури донного нагрівача, при якому МК починає виходити за верхній рівень бічної поверхні тигля. На цьому етапі (Фіг.1, стадія І) потрібно обмежити величину впливу на температуру донного нагрівача при керуванні діаметром МК: при зниженні температури донного нагрівача - до 0,4°С; при підвищенні - до 0,1°С. На другій стадії росту МК, з виходом його за верхній рівень бічної поверхні тигля та до 2/3 Іцил МК, зливок починає активно віддавати тепло стінкам печі, тобто охолоджуватися. На цьому етапі процес кристалізації потребує постійного стриму 87927 6 вання його шляхом підвищення температури донного нагрівача, тому від мінімального значення температури донного нагрівача до виходу на ділянку стаціонарного росту - 2/3 Іцил МК (Фіг.1, стадія II), потрібно обмежити величину впливу на температуру донного нагрівача при керуванні діаметром МК: при зниженні температури донного нагрівача до 0,1°С; при підвищенні - до 0,4°С. На третій (кінцевій) стадії росту МК, з досягненням 2/3 Іцил МК та до кінця вирощування тепловий баланс в системі "нагрівач-розплав-кристалстінки печі" добуває лінійності і процес кристалізації не потребує ані його ініціювання, ані стримування (плато на Фіг.1, стадія III), тому потрібно обмежити величину впливу на температуру донного нагрівача при керуванні діаметром МК: при зниженні або підвищенні температури донного нагрівача до 0,2°С. Вихід за граничні значення обмежень, що заявляються, призводить на всіх стадіях росту до часткового підплавлення зливка у випадку більших значень та переохолодження розплаву у випадку менших значень. В свою чергу це збільшує коливання діаметру МК та порушує монотонність зміни теплових умов, що, насамперед, збільшує появу в об'ємі МК структурних макродефектів, внаслідок чого весь такий зливок не може бути придатним до виготовлення з нього великогабаритних заготівель або ж значно зменшується вихід малогабаритних заготівель з цього ж зливка. На Фіг.1 приведено зміну температури донного нагрівача в процесі росту МК Nal(Tl) на промисловій установці "РОСТ". Область, що заштрихована, є стадією радіального росту. Пунктирними вертикальними лініями відокремлено три стадії аксіального росту; на Фіг.2 представлено інтервал коливання температур донного нагрівача при керуванні діаметром МК в процесі вирощування зливка: а) по способі-прототипові; б) запропонованому способі. Пунктирними вертикальними лініями відокремлено три стадії аксіального росту; у таблиці приведено характеристики великогабаритних МК для способу, що заявляється, та прототипу. Пропонований винахід реалізують на промислових установках типу "РОСТ" у такий спосіб. Для вирощування МК натрію йодистого, активованого талієм [Nal(Tl)], діаметром 420мм і висотою 500мм циліндричний тигель діаметром 500мм і висотою 150мм поміщають у ростову піч з розмірами Æ950´1300мм. Коаксіально верхній частині тигля розташована кільцева ємність висотою 70мм, із внутрішнім і зовнішнім діаметрами 500 і 600мм, що має з тиглем загальну стінку з отворами [А.с. СРСР №374902, В01 J 17/18]. Тигель із сировиною нагрівають донним (потужністю 8кВт) і бічним (потужністю 6кВт) нагрівачами. У тигель завантажують сіль натрію йодистого в кількості 50кГ, а в бункер - 27кГ (у процесі кристалізації використовують 10 бункерів) висушеної вихідної сировини з рівномірно перемішаним йодистим талієм у кількості 1,6кГ. Вакуумирують об'єм ростової камери і сушать сировину при відкачці з нагріванням до 500°С протягом 24 годин. Потім підвищують тем 7 пературу нагрівачів і розплавляють сировину в тиглі. Після розплавлення сировини стикають затравку з розплавом, оплавляють її і підбирають рівноважну температуру, при якій плавлення затравки припиняється (~830°С). Витримують затравку в контакті з розплавом при цій температурі протягом однієї години. Потім шляхом зниження температури зі швидкістю до 2°С/год., радіально розрощують МК до заданого діаметра 420мм протягом 25¸30год. По досягненні заданого діаметра МК стикають щуп датчика рівня розплаву, що є стандартним вузлом (заявка №200506063 від 21.06.05, С30 В15/20, Україна, розрішальна здатність ~1мкм), застосовуваним на установках "РОСТ", з поверхнею розплаву. Потім при початку росту МК у довжину включають усю систему автоматизованого управління ростом МК. При цьому в обчислювальному пристрої (регулятор діаметра типу РПМД-3.0) задають наступні параметри: Dhs - висота дискретного витягування МК; у конкретному прикладі Dhs=0,33мм (контроль величини переміщення з точністю