Пристрій для вирощування монокристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання

Пристрій для вирощування монокристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання методом Чохральського, який містить платиновий тигель для розплаву, механізм витягування кристалу, індукційний нагрівач, розташований навкруги тиглю, і розміщений на тиглі відбивний екран, який являє собою пластину з коаксіальним отвором в центральній її частині, який відрізняється тим, що екран виконаний у вигляді кільцевої пластини, зовнішній діаметр якої становить 0,960,98 від діаметра тиглю, а відстань між внутрішнім діаметром екрану і вирощуваним кристалом становить 4±0,5 мм. (19) (21) a200708432 (22) 23.07.2007 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) БОНДАР ВАЛЕРІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, КРИВОШЕІН ВАДИМ ІВАНОВИЧ, UA, СІДЛЕЦЬКИЙ ОЛЕГ ЦЕЗАРЕВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) JP 03153595 A, 01.07.1991 DE 10340753 A1, 25.03.2004 GB 1354495 B, 30.05.1974 US 6379460 B1, 30.04.2002 US 20060124052 A1, 15.01.2006 3 500°С, в якій в напівпровідникових кристалах велика вірогідність утворення структурних дефектів. Відстань між екраном і розплавом забезпечує ефективне видалення оксиду кремнію, що випаровується, з пристрою за допомогою потоку інертного газу, який також сприяє більшому охолоджуванню верхньої частини кристала, обдуваючи його поверхню. Використання екранів наведеної конструкції для вирощування кристалів з поганою прозорістю для теплового випромінювання, таких як вольфрамати, германати або силікати, не є можливим через недостатній тепловідвід від кристала, що вирощується, внаслідок нагріву його нижньої частини екраном, що призводить до зменшення вісьового градієнта в цій ділянці і зниження стійкості вирощування, сприяє виникненню дефектів структури, з одного боку, а з іншого боку - великий тепловідвід від поверхні розплаву, прилеглої до бічної поверхні кристала, який росте, спричиняє переохолодженню приповерхневого шару і збільшує радіальний градієнт в розплаві, що сприяє посиленню конвективних потоків в ньому і, у свою чергу, погіршує стійкість процесу вирощування. Крім того, різкий перепад температур нижньої (нагрітої) і верхньої (охолодженої) частин кристала, забезпечений як конструкцією екрану, так і примусовим обдуванням кристала, може призвести до виникнення в кристалі тріщин. Також існує небезпека забруднення ростової атмосфери домішками, що містяться в газі, який подається для охолодження кристала, і це може призвести до забруднення розплаву і погіршення якості вирощуваних монокристалів. Відомий пристрій для вирощування кристалів з розплаву методом Чохральського [пат. США №5 363 795, С30B 15/12], що містить тигель для розплаву, нагрівач, розташований навкруги тиглю, і механізм витягування кристала. Поблизу розплаву і співвісно вирощуваному кристалу встановлено (підвішено) під кутом 45° відбивний екран, виконаний у вигляді пластини, обернутої на контактну ділянку поверхні розплаву біля стінок тиглю. Відбивна пластина, спрямована на ділянку контакту, безперешкодно пропускає теплове випромінювання від поверхні розплаву і кристалу з тиглю повз пластини в оточуюче середовище, що, на відміну від наведеного аналога, забезпечує більш стійке вирощування за рахунок кращого охолоджування нижньої частини кристала в порівнянні із попереднім аналогом. Проте, при вирощуванні кристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання, перегрів розплаву біля стінок тиглю, що спричиняє збільшенню радіального градієнта температури в розплаві (особливо при індукційному нагріві тиглю), може викликати виникнення конвективних потоків і негативно впливати на стійкість процесу вирощування, а також одночасно спричинити переохолодження розплаву біля фронту кристалізації, що призводить до утворення різного типа дефектів в кристалі. Крім того, інтенсивне охолоджування поверхні кристала, що вирощується, може призвести до виникнення в ньому тріщин. Відомий пристрій для вирощування кристалів з 86135 4 розплаву методом Чохральського [акц. заявка Японії №6039351, С30В15/14], що містить тигель для розплаву, нагрівач, розташований навкруги тиглю, і механізм витягування кристала. Поблизу розплаву і співвісно вирощуваному кристалу (стрижню) встановлено циліндричний екран. З боку верхнього торця екран герметично сполучений з отвором в центрі верхньої поверхні камери витягування. Нижній торець екрану, спрямованого у бік поверхні розплаву в кварцевому тиглі, забезпечено відігнутим вгору конусоподібним (змінним) фланцем. Відстань між нижнім торцем екрану і поверхнею розплаву складає (5-50)мм, відстань між екраном і стрижнем - (5-100)мм, а найкоротша відстань між периферійною поверхнею фланця і поверхнею внутрішньої стінки або верхнім краєм тиглю досягає (5-100)мм. Судячи зі швидкості витягування монокристалічного стрижня (1,1мм/хв) установку і спосіб розроблено для кристалів з високою прозорістю для теплового випромінювання. При вирощуванні монокристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання (швидкості витягування кристала від 0,5мм/год до 3,0мм/год) в даному пристрої спостерігається зменшення вісьового градієнта над розплавом за рахунок теплового екранування кристала по всій його довжині, а також збільшення радіального градієнта (особливо при індукційному нагріванні тиглю) завдяки додатковому нагріву ділянки розплаву, контактуючої зі стінками тиглю, який утворюється при віддзеркаленні теплового випромінювання від конусоподібного фланця екрану на цю ділянку розплаву. Обидва фактори приводять до зниження стійкості процесу вирощування і підвищення вірогідності виникнення дефектів структури. Наведені конструкції відбивних екранів використовуються в пристроях для вирощування здебільшого кристалів кремнію, германію, тобто тих, що мають високу прозорість до теплового випромінювання. Відомий пристрій для вирощування кристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання з розплаву методом Чохральського [Journ Cryst Growth 76 (1986) 328-338], зокрема германату вісмуту (Bi4Ge3O12), що містить платиновий тигель для розплаву, індукційний нагрівач, розташований навкруги тиглю, і механізм витягування кристала. На тиглі з розплавом розміщений відбивний екран, що є пластиною з коаксіальним отвором в центральній її частині, через яке витягується вирощуваний кристал. Автори не наводять розмір внутрішнього діаметра вказаного отвору, а вказують діаметр кристала 35мм і довжину 150мм за умови, що використовується 85% розплаву, що знаходиться в тиглі. При цьому говорять про те, що наявність вказаного екрану завтовшки 0,3мм дозволила виростити кристали кращої якості, без «скручування», але за наявності гофрованої поверхні, що становить більше ніж 1/3 довжини кристалу (Фіг.5с) на відміну від вирощування кристалів без вказаного екрану (Фіг.5а), і використовувати 85% розплаву, що знаходиться в тиглі. Нами було використано аналогічну установку з 5 відбивним екраном наведеної конструкції при вирощуванні різних кристалів (див. табл.). Експерименти довели, що наявність вказаного екрану, зменшуючи тепловідвід від поверхні розплаву, зменшує і радіальний градієнт в приповерхневім шарі розплаву і, тим самим, знижує утворення конвективних потоків в ньому. Разом з тим, слабкий тепловідвід від нагрітих стінок тиглю призводить до збільшення радіального градієнта в розплаві, сприяючи посиленню конвективних потоків і погіршуючи стійкість процесу вирощування. Крім того, впливає і недостатній тепловідвід від кристала, що вирощується, внаслідок слабкої конвекції газу біля нього, оскільки відкритою залишається тільки поверхня розплаву біля вирощуваного кристала, що особливо важливо для кристалів з поганою прозорістю для теплового випромінювання. Він виявляється в тому, що в міру пониження рівня розплаву в тиглі в процесі вирощування кристала температура стінок тиглю збільшується, вісьовий градієнт температури поступово зменшується, знижується тепловідвід від фронту кристалізації і з якогось моменту процес вирощування стає нестійким, внаслідок чого є неможливим вирощувати злитки великої довжини і високої якості. Як прототип нами обрано останній з аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки пристрою для вирощування монокристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання, яке дозволило б одержувати кристали великої довжини високої якості по всій його довжині за рахунок забезпечення стійкого процесу вирощування, тобто збільшити коефіцієнт використання вирощуваних кристалів. Рішення задачі забезпечується тим, що в пристрої для вирощування кристалів з низькою прозорістю для теплового випромінювання методом Чохральського, що містить платиновий тигель, механізм витягування кристала, індукційний нагрівач, розташований навкруги тиглю, і розміщений на тиглі відбівний екран, що є пластиною з коаксіальним отвором в центральній її частині, згідно винаходу, екран виконаний у вигляді кільцевої пластини, зовнішній діаметр якої складає (0,960,98) діаметра тиглю, а відстань між внутрішнім діаметром екрану і вирощуваним кристалом складає (4±0,5)мм. Відстані між тиглем і екраном, а також між внутрішнім діаметром екрану і вирощуваним кристалом дозволяють створити природну конвекцію газу біля поверхні вирощуваного кристала і внутрішньої поверхні гарячих стінок тиглю, особливо, його верхнього краю. Конвективні потоки газу активно охолоджують стінки тиглю, в той же час конструкція екрану перешкоджає переохолодженню частини розплаву, прилеглої до поверхні кристала, що вирощується. В результаті створюється достатній тепловідвід від поверхні кристала, що росте, в той же час вісьові і радіальні градієнти в приповерхневім шарі розплаву є незначними. Такі температурні умови забезпечують стійкість процесу вирощування і отримання кристалів великих розмірів з високою якістю практично по всій його довжині. Зменшення зовнішнього діаметра екрану ме 86135 6 нше 0,96 діаметра тиглю зменшує теплове екранування поверхні розплаву і посилює конвекційні потоки газу над розплавом, що викликає виникнення великих вісьових градієнтів температури в розплаві і посилює конвекцію в ньому. Збільшення зовнішнього діаметра кристала більше 0,98 діаметра тиглю зменшує конвективні потоки газу над розплавом і не забезпечує достатнього тепловідводу від гарячих стінок тиглю, що призводить до збільшення радіального градієнта температури в розплаві і посилює конвекцію в ньому. Зменшення відстані між внутрішнім діаметром екрану і поверхнею вирощуваного кристала менше 3,5мм призводить до послаблення конвективних потоків газу і перегріву поверхні кристала. Крім того, висока вірогідність дотикання кристала, що обертається, і екрану, що може призвести до обірвання кристала або до порушення положення екрану. Збільшення вказаної відстані більше 4,5мм викликає інтенсивний тепловідвод від частини розплаву, прилеглої до поверхні кристала, що призводить до збільшення радіального і вісьового градієнта в розплаві і посилює конвекцію в ньому. На Фіг.1 наведено схему пристрою з конструкцією екрану, що заявляється; на Фіг.2 - вигляд зверху пристрою з екраном, що заявляється; на Фіг.3 - наведено фотографії кристалів, вирощених за допомогою пристрою-прототипу (а діаметр кристала 55мм, довжина 215мм) і пристрою, що заявляється (б - діаметр кристала 55мм, довжина 265мм). В таблиці наведено результати порівняльних випробувань вирощування різних кристалів в пристрої, що заявляється, і в пристрої - прототипі. Пристрій містить (Фіг.1) тигель 1, індукційний нагрівач 2, розташований навкруги тиглю 1, шток затравкоутримувача 3, що обертається, і відбивний екран 4, виконаний у вигляді кільцевої пластини. На Фіг.1 наведено також затравлюючий кристал 5 і вирощуваний кристал 6 з розплаву 7. Пристрій, що заявляється, працює таким чином. Після розплавлення сировини в тиглі 1 і отримання розплаву 7 затравлюючий кристал 5, закріплений на штоці 3, що обертається, переміщується вниз до дотикання з поверхнею розплаву 2. Переміщенням штоку 3 вгору і зміною потужності, що підводиться до індукційного нагрівача 2, створюються температурні умови для кристалізації розплаву 2 на затравлюючий кристал 5. Діаметр вирощуваного кристала 6 постійно підтримується системою автоматичного управління, яка контролює вагу кристала за допомогою датчика (не показаний на Фіг.1). Кільцева пластина 4, розташована на тиглі 1, створює конвекцію газу навколо вирощуваного кристала 6 і забезпечує достатній тепловідвід від його поверхні. При цьому поверхня кристала 6 надмірно не переохолоджується, запобігаючи утворенню в ньому тріщин. При збільшенні довжини кристала 6 рівень розплаву 7 в тиглі 1 знижується, і температура його стінок, що звільняються від контакту з розплавом 7, підвищується. Кільцева пластина 4, що є відбивним екраном, створює природну конвекцію, забезпечуючи достатній тепловідвід від нагрітих стінок тиглю 1, 7 що дозволяє уникнути: істотного зменшення градієнта температури над розплавом 7 і зростання температурних градієнтів і значних конвективних потоків в ньому і, отже, порушення стабільності процесу вирощування. Проведено порівняльні випробування (Фіг.3) по вирощуванню (по 50 вирощувань) кристалів германату вісмуту (BGO), силікату гадолінію (GSO), вольфрамату свинцю (PWO) однакового діаметру в пристрої, що заявляється, і в пристрої прототипі показали, що при вирощуванні вказаних кристалів в пристрої, що заявляється, довжина 86135 8 бездефектної частини (без тріщин і без спотворень циліндричної форми бічної поверхні), збільшилася на (10-17)%. Таким чином, як можна бачити з таблиці, запропонований пристрій дозволяє збільшити коефіцієнт використання вирощуваних кристалів на (1017)%, що є істотним внеском в зниження їх собівартості, особливо при промисловому виробництві, враховуючи, що вартість таких кристалів на світовому ринку складає від 10дол/см3 до 70дол/см3 залежно від типу кристала. Таблиця Прототип Діаметр Тип крискристалу, Внутрішній діаметр Довжина придатної талу частини кристалу, мм діафрагми, мм мм 40 55 232 40 55 235 55 70 205 55 70 208 BGO 65 80 147 65 80 146 65 80 149 75 90 115 75 90 118 30 45 125 зо 45 125 40 55 110 GSO 40 55 10 50 65 94 50 65 95 35 50 202 35 50 205 PWO 35 50 203 35 50 201 3 50 203 Спосіб, що заявляється Довжина придатної Збільшення корисночастини кристалу, го об'єму кристалу, % мм 256 10,3 259 10,2 226 10,3 231 11,0 172 17,0 171 17,1 172 15,4 127 10,4 132 11,9 139 11,2 138 10,4 124 15.9 128 16,4 108 14,8 108 13,7 226 11,8 228 11,2 227 11,8 227 12,9 228 12,3 9 86135 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 86135 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601