Спосіб вирощування монокристалів з розплаву за методом чохральського та пристрій для його здійснення

1. Пристрій для вирощування монокристалів з розплаву за методом Чохральського, що включає тепловий вузол, встановлений у ньому тигель на керамічній підставці, над яким розташований циліндричний тепловий екран, шток для витягування монокристалів і затравкоутримувач, закріплений на штоці з можливістю обертання й вертикального переміщення, індуктор у вигляді циліндричної спіралі, розміщений із зовнішньої сторони тигля, і C2 2 (19) 1 3 88579 4 плаву у процесі росту, яке приводить до подальциліндричної спіралі, розміщений із зовнішньої шого росту дефектного кристалу. сторони тигля, і джерело індукційного нагрівання. Ще однією істотною проблемою при вирощуДаний пристрій для вирощування монокриставанні монокристалів за класичним методом Чохлів за методом Чохральського з використанням ральського є низький термін служби тиглів внаслііндукційного нагрівання не забезпечує необхідний док корозійного впливу розплаву на матеріал прогрів дна тигля струмами високої частоти, у ретигля, що проявляється в поступовому розчиненні зультаті чого в розплаві в зоні близької до дна стінок тигля. Також, після закінчення росту кристастворюється високий радіальний температурний ла, у тиглі залишається від 40 до 50% розплаву, градієнт, що сприяє різкому збільшенню прогину що твердіє, у результаті чого при охолодженні тигфронту кристалізації до торкання кристалом до ля відбувається механічна деформація його стінок дна тигля при зниженні рівня розплаву на 70% у через різницю температурних коефіцієнтів стиску процесі росту - далі вирощування кристала вести матеріалу тигля й сировини. неможливо. До того ж високий радіальний градієнт Відомий пристрій для вирощування монокрисстворює термічні напруги в кристалі, що приводять талів з розплаву за методом Чохральського [пат. до його розтріскування. Таким чином, цей пристрій не дозволяє вироРФ №2222645, С 30 В 15/00], що включає теплощувати якісні кристали з масою більше 60% від вий вузол, виконаний у вигляді порожнього водоохолоджуваного циліндра з розміщеним усередині маси сировини, що використовується, й діаметром нього нагрівачем, зібраним з вигнутих за формою більше 0,6 від діаметра тигля. Сировина, що залишається у тиглі після росту, приводить до їх внутрішньої поверхні тигля U-образних ламелей, тигель для розплаву, причому нагрівач установледеформації, які служать не більше 8-10 процесів ний усередині тигля, шток для витягування моноросту. Відомий пристрій для вирощування монокрискристалів і затравкоутримувач, закріплений на талів з розплаву за методом Чохральського [А. с. штоці з можливістю обертання й вертикального СРСР №1332890, С 30 В 15/00], що містить теплопереміщення. вий вузол, установлений у ньому на підставці тиДо недоліків пристрою слід віднести безпосегель із благородного металу, усередині якого сиредній контакт нагрівача з розплавом під час росту метрично його осі розташовані не менш двох пар кристала, що приводить до забруднення розплаву електродів, які паралельно з'єднані із джерелом й поступового розчинення нагрівача. Крім того, при струму і мають можливість вертикального й горивирощуванні високотемпературних монокристалів зонтального переміщення, шток для витягування омічний нагрівач, що використовується у даному монокристалів і затравкоутримувач, закріплений пристрої, гріється вище температури плавлення на штоці з можливістю обертання й вертикального сировини (для забезпечення необхідної темперапереміщення, індуктор, розміщений із зовнішньої тури розплаву), що згодом приводить до його руйсторони тигля, і джерело індукційного нагрівання. нування під дією високої температури. При використанні відомого пристрою під час Відомий пристрій для вирощування монокрисросту монокристалу коректують температуру розталів з розплаву за методом Чохральського [паплаву плавним регулюванням величини струму, тент РФ №2202657, С 30 В 15/14], що включає який протікає між електродами в розплаві, що дотепловий вузол, розміщений усередині нього тизволяє підвищити якість вирощуваних монокрисгель із підставкою, що представляють собою одне талів і виключити перегрів стінок тигля, що збільціле, нагрівач із гнучкого матеріалу, що містить шує тим самим строк його служби. вуглець, у вигляді циліндра, торці якого закріплені між коаксиально розташованими твердими кільПроте, у даному пристрої дно тигля (особливо цями з вуглецевого матеріалу, приєднаними до центр) індукційними струмами не прогрівається, і джерела струму, шток для витягування монокриспри зниженні рівня розплаву прогин фронту кристалів і затравкоутримувач, закріплений на штоку з талізації буде збільшуватися. Тому у відомому можливістю обертання й вертикального переміпристрої неможливо виростити якісний кристал з щення. масою більше 60% від маси завантаження й не Відомий пристрій має досить обмежене застоменш 40% сировини залишається в тиглі, а, отже, сування. Так, при вирощуванні кристалів у атмосдеформація стінок тигля під час остигання істотна. фері з киснем нагрівач із матеріалу, що містить Відомий пристрій для вирощування монокристалів з розплаву за методом Чохральского [пат. вуглець, буде інтенсивно окислятися, руйнуючись і РФ №1568593, С 30 В 15/00], що містить тепловий забруднюючи розплав продуктами окислювання; вузол, установлений у ньому на підставці тигель у при вирощуванні високотемпературних кристалів з вигляді усіченого конуса зі зверненою нагору бітакого нагрівача буде «летіти» вуглець, забруднюючи не тільки розплав, але й конструкційні елельшою основою, шток для витягування монокрисменти пристрою. талів і затравкоутримувач, закріплений на штоці з Відомий пристрій для вирощування монокрисможливістю обертання й вертикального переміщення, індуктор у вигляді циліндричної спіралі, що талів з розплаву за методом Чохральського [А. с. виконана двошаровою у своїй нижній частині й СРСР №1603844, С 30 В 15/00], що містить тепловий вузол, установлений у ньому на керамічній розміщена із зовнішньої сторони тигля, і джерело підставці платиновий тигель, над яким розташоваіндукційного нагрівання. ний циліндричний тепловий екран, шток для витяВиконаний у такий спосіб індуктор дозволяє за гування монокристалів і затравкоутримувач, закрірахунок концентрації електромагнітного поля пеплений на штоці з можливістю обертання й реважно в тій частині, де індуктор двошаровий, вертикального переміщення, індуктор у вигляді ефективно нагріти нижню частину тигля, що збі 5 88579 6 льшує ефективний обсяг розплаву, який бере редину розплаву з захопленням великої кількості участь у вирощуванні, і поліпшує конвекційне педефектів (при відключенні обертання й охолоремішування розплаву, запобігаючи тим самим дженні розплаву) дозволяє практично виключити концентраційному переохолодженню розплаву на розтріскування кристала. Це пояснюється тим, що фронті кристалізації й підвищуючи якість вирощудефектна зона непрозора і відведення тепла від ваних монокристалів. Виконання тигля конічним нижньої частини кристала променистою теплопрорізко підвищує коефіцієнт теплопередачі від стінок відністю утруднене, що зменшує радіальний градітигля до розплаву за рахунок зменшення товщини єнт температури і зв'язані з ним термопружні наповерхневого шару, який "залипнув", що знижує пруги. теплові навантаження на тигель і збільшує строк Однак відомий спосіб не виключає деформайого служби. цію тиглів через повільне охолодження і затверДо недоліків пристрою слід віднести невисокий діння розплаву саме з поверхні (а не з денця чи з термін служби тигля, тому що в ньому після росту боків тиглю) внаслідок великого тепловідводу дозалишається не менш 30% розплаву внаслідок гори від дзеркала розплаву і підігріву останнього непрогрітого дна тигля. Крім того, конусна форма від бічної стінки тиглю. тигля істотно ускладнює процес вирощування криКрім того, у результаті охолодження розплаву сталів, особливо з діаметром більше 0,5 від діамепісля формування нижнього конуса часто спостерітра тигля. гається вирощування дефектної частини кристала, Спосіб вирощування монокристалів за допояка містить полікристалічні включення, що привомогою перерахованих вище відомих пристроїв дить до розтріскування кристала при наступному включає завантаження вихідного матеріалу в тивідділенні й охолодженні. Як прототип для пристрою по кількості загальгель, його плавлення в тиглі, витягування на заних ознак обраний третій з наведених аналогів. травку, що обертається, розрощування конусної Як прототип для способу як найбільш близьчастини до заданого діаметра й вирощування цикий за технічною суттю обраний останній з навеліндричної частини. дених аналогів. Істотним недоліком такого способу, як було В основу винаходу поставлене завдання розвідзначено, є неможливість вирощування якісних кристалів масою більше 60% від маси сировини, робки пристрою й способу вирощування монокристалів з розплаву за методом Чохральського, які що використовується, і діаметром більше 0,6 від дозволяють збільшити термін служби тигля й знидіаметра тигля, та, відповідно, невисокий термін зити собівартість вирощуваних монокристалів при служби тигля. збереженні високих якісних характеристик. Відомий спосіб вирощування монокристалів з Рішення поставленого завдання забезпечурозплаву за методом Чохральського [А.с. СРСР ється тим, що в пристрої для вирощування моно№762257, С 30 В 15/00], що включає розплавленкристалів з розплаву за методом Чохральського, ня вихідного матеріалу в тиглі, витягування на защо містить тепловий вузол, установлений у ньому травку, що обертається, розрощування конусної частини кристала до заданого діаметра, витягуна керамічній підставці тигель, над яким розташовання його циліндричної частини, формування ваний циліндричний тепловий екран, шток для витягування монокристалів і затравкоутримовач, нижнього конусу зменшенням діаметра кристала закріплений на штоці з можливістю обертання й на 50-70% перед закінченням росту, припинення вертикального переміщення, індуктор у вигляді обертання і охолодження до кімнатної температуциліндричної спіралі, розміщений із зовнішньої ри. При цьому кристал "вмерзає" нижнім конусом у сторони тигля, і джерело індукційного нагрівання, розплав, який твердіє. відповідно до винаходу, під керамічною підставкою Такий прийом дозволяє зменшити деформарозташовані один під одним струмопровідний диск цію тигля і трохи продовжити термін його служби, діаметром 1,20-1,25 від діаметра тигля й товщиоднак не виключає цілком розтріскування кристаною 5-40мм, поміщений усередину індуктора, і лів як після закінчення вирощування, так і при їхдодаткова керамічна підставка діаметром не менньому відділенні від застиглого розплаву, що у 2-3 шим за діаметр струмопровідного диска. рази (по масі) знижує вихід придатних кристалів. Рішення поставленого завдання забезпечуВідомий спосіб вирощування монокристалів з ється також тим, що у способі вирощування монорозплаву за методом Чохральського [А. с. СРСР кристалів з розплаву за методом Чохральського, №1700954, С 30 В 15/00], що включає розплавякий включає розплавлення матеріалу в тиглі, вилення вихідного матеріалу в тиглі, витягування на затравку, що обертається, розрощування до задатягування на затравку, що обертається, розрощуного діаметра верхньої конусної частини кристалу, вання до заданого діаметра верхньої конусної частини кристалу, вирощування циліндричної частини витягування циліндричної частини кристалу, змекристалу, вирощування нижньої дефектної частиншення швидкості обертання до нуля протягом 5ни кристалу, відділення кристалу підвищенням 10с, вирощування нижнього конусу, продовження швидкості витягування з наступним повільним витягування кристала з одночасним зниженням охолодженням, згідно з винаходом, після розротемператури розплаву від 1090-1050°С на 30-40°С щування до заданого діаметра верхньої конусної (що відповідає зниженню потужності нагріву на 5частини зменшують швидкість обертання кристалу 7%) протягом 3-10 годин, відділення кристалу підвдвічі від W0 і здійснюють вирощення циліндричної вищенням швидкості витягування до 200мм/год з частини кристалу, після чого підвищують швиднаступним плавним охолодженням. У цьому способі формування дефектної зони кість обертання кристалу до 0,85 від W0 та швидкість витягування вдвічі від V0 і виконують виронижнього конуса шляхом "проростання" його все 7 88579 8 щення нижньої дефектної частини кристала, де W0 рощування кристала, і збільшення швидкості обе- початкова швидкість обертання для конкретного ртання кристала до 0,85 від W0 для вирощування типу кристала, a V0 - початкова швидкість витягунижньої дефектної частини, що забезпечує плосвання для конкретного типу кристала. кий фронт кристалізації, дає можливість вести В ході досліджень було встановлено, що викопроцес вирощування кристалів практично до самористання розташованого усередині індуктора під го дна тигля, а саме вирощувати кристали з вагою керамічною підставкою струмопровідного диска, 95-97% від маси вихідної сировини, вибираючи що має діаметр 1,20-1,25 від діаметру тигля та практично всю сировину з тигля під час росту, що, товщину 5-40мм, забезпечує такий прогрів дна в свою чергу, сприяє істотному збільшенню терміну служби тигля. тигля в процесі вирощування кристалів, який Збільшення швидкості витягування в 2 рази сприяє значному зниженню радіального темперавід V0 (де V0 - початкова швидкість витягування турного градієнта в розплаві. Електромагнітне подля конкретного типу кристала) для вирощування ле високої частоти, яке утворюється індуктором, нижньої дефектної частини кристала дозволяє збуджує у струмопровідному диску електричний значно знизити непродуктивний час при вирощуструм і тепло, яке виділяється диском, через кеванні кристалів - час, коли не росте якісна товарна рамічну підставку передається дну тигля, в речастина кристала. зультаті чого поліпшується однорідність нагріву На фігурі зображено конструкцію пристрою, розплаву. Відповідно, знижується ефект зміни тещо заявляється. плових умов при зменшенні рівня розплаву в проПристрій включає тепловий вузол 1, установцесі росту, що дозволяє збільшити масу якісної частини кристалу, який вирощується, до 70% від лений у ньому на керамічній підставці 2 тигель 3, маси завантаженої сировини. над яким розташований циліндричний тепловий Зменшення діаметру та товщини струмопровіекран 4, шток 5 для витягування монокристалів і дного диска (менше ніж 1,20 від діаметру тигля і затравкоутримувач 6, закріплений на штоці з можменше ніж 5мм товщиною) не забезпечує необхідливістю обертання й вертикального переміщення, ний прогрів дна тигля, а збільшення діаметру та індуктор 7 у вигляді циліндричної спіралі, розмітовщини (більше за 1,25 від діаметру тигля і більщений із зовнішньої сторони тигля 3. Під керамічше ніж 40мм товщиною) - недоцільно, тому що це ною підставкою 2 розташовані один під одним призводить до перегріву дна тигля та порушенню струмопровідний диск 8 і додаткова керамічна підстійкого росту кристалів. ставка 9. Тигель 3 і диск 8 зі струмопровідного Використання додаткової керамічної підставки, матеріалу перебувають усередині індуктора 7, діаметр якої має бути не меншим за діаметр струпідключеного до джерела індукційного нагрівання мопровідного диску, сприяє запобіганню втрат (на фіг. не показаний). тепла від нього. Спосіб вирощування монокристалів з розплаву за методом Чохральского, що заявляється, й роЯк показали експериментальні дані, зменшення швидкості обертання кристалу у два рази від боту пропонованого пристрою реалізують на наW0 (де W0 - початкова швидкість обертання для ступних прикладах. конкретного типу кристалу) після розрощення до Приклад 1. Вирощування монокристалів герзаданого діаметру верхньої конусної частини крисманату вісмуту. талу, дозволяє вирощувати монокристали з діамеЗвичайно для вирощування кристалів герматром до 0,85 від діаметру тигля, що пояснюється нату вісмуту за класичним методом Чохральського відсутністю турбулентних потоків та не пов'язаних використовують швидкість обертання 35-45об/хв одна з одною зон в розплаві, які виникають як прата швидкість витягування 0,5-2мм/год. Для привило, при зниженні радіального градієнту за допокладу обрано W0=40об/хв. та V0=1мм/год. могою швидкості обертання кристала, який вироЗавантажують у платиновий тигель розмірами щують. Вирощення кристалів указаного діаметру Ø96x130мм сировину германату вісмуту в кількості дозволяє значно знизити їх собівартість за рахунок 6000г (наплав шихти або бій кристалів), збирають можливості використання тиглів меншого розміру. кристалізаційний вузол. Далі підвищують потужБуло встановлено, що збільшення швидкості ність джерела індукційного нагрівання для розплавлювання сировини й доведення його до темпераобертання кристала до 0,85 від W0 для вирощення нижньої дефектної частини кристала дозволяє тури затравлення. Опускають затравочний кристал вирощувати дефектну нижню частину, яка має германату вісмуту, що обертається зі швидкістю менше механічних напруг, тому що таким чином 40об/хв, в розплав за допомогою штока, що пересуттєво знижується радіальний температурний міщається, і при безперервному витягуванні зі градієнт та виключається збільшення прогину швидкістю 1мм/год здійснюють розрощування крифронта кристалізації при зниженні рівня розплаву стала до діаметра 75мм регулюванням потужності (тобто фронт кристалізації стає більш пласким). джерела індукційного нагрівання, після чого зниТака дефектна частина, що практично не має межують швидкість обертання до 20об/хв і проводять ханічних напруг і ефективно підігріває якісну часвирощування якісної циліндричної частини до матину за рахунок поглинання випромінювання від си 4200-4500г. Далі збільшують швидкість обертання й швидкість вирощування відповідно до стінок тигля, запобігає розтріскуванню кристала 34об/хв і 2мм/год і проводять вирощування дефекпри відриві та охолодженні до кімнатної температної частини кристала до маси 5700-5850г, після тури за рахунок того, що кристал не піддається чого здійснюють відділення кристала від розплаву високим термічним напругам. прискореним переміщенням штока. Потім, зменТаким чином, використання струмопровідного шуючи потужність нагрівання, здійснюють постудиска, що знижує вплив «холодного» дна на ви 9 88579 10 пове зниження температури до кімнатної й провотури затравлення. Опускають затравочный дять вивантаження кристала. кристал йодиду натрію, що обертається зі швидкіПриклад 2. Вирощування монокристалів силістю 20об/хв, в розплав за допомогою штока, що кату гадолінію. переміщається, і при безперервному витягуванні зі Звичайно для вирощування кристалів силікату швидкістю 1 мм/год здійснюють розрощування гадолінію за класичним методом Чохральського кристала до діаметра 68мм регулюванням потужвикористовують швидкість обертання 30-35об/хв ності джерела індукційного нагрівання, після чого та швидкість витягування 1-2мм/год. Для прикладу знижують швидкість обертання до 10об/хв і провообрано W0=30об/хв. та V0=1мм/год. дять вирощування якісної циліндричної частини до Завантажують у іридієвий тигель розмірами маси 1400-1450г. Далі збільшують швидкість оберØ86х90мм сировину силікату гадолінію в кількості тання й швидкість вирощування відповідно до 3200г (наплав шихти або бій кристалів), збирають 17об/хв і 2мм/год і проводять вирощування дефеккристалізаційний вузол. Далі підвищують потужтної частини кристала до маси 1900-1950г, після ність джерела індукційного нагрівання для розплачого здійснюють відділення кристала від розплаву влювання сировини й доведення його до темпераприскореним переміщенням штока. Потім, зментури затравлення. Опускають затравочний кристал шуючи потужність нагрівання, здійснюють постусилікату гадолінію, що обертається зі швидкістю пове зниження температури до кімнатної й прово30об/хв, в розплав за допомогою штока, що передять вивантаження кристала. міщається, і при безперервному витягуванні зі Запропоноване технічне рішення дозволяє вирощувати монокристали з розплаву за класичним швидкістю 1,5мм/год здійснюють розрощування методом Чохральского зі збільшеною масою якіскристала до діаметра 65мм регулюванням потужної частини до 70% від маси завантаження сироності джерела індукційного нагрівання, після чого вини, тому що при прогріві дна тигля знизу значно знижують швидкість обертання до 15об/хв і провознижується ефект зміни теплових умов при змендять вирощування якісної циліндричної частини до шенні рівня розплаву, що приводить до росту демаси 2300-2400г. Далі збільшують швидкість обертання й швидкість вирощування відповідно до фектного кристала. Використання струмопровідного диска для пі25,5об/хв і 2мм/год і проводять вирощування дедігріву дна тигля не ускладнює керування прифектної частини кристала до маси 3050-3100г, строєм, тому що до струмопровідного диска не після чого здійснюють відділення кристала від потрібно підводити електричний струм і потужність розплаву прискореним переміщенням штока. Понагрівання диска контролюється разом з потужністім, зменшуючи потужність нагрівання, здійснюють тю джерела індукційного нагрівання. поступове зниження температури до кімнатної й Таким чином, додатковий підігрів дна тигля, проводять вивантаження кристала. Приклад 3. Вирощування кристалів йодиду назменшення швидкості обертання кристалу перед вирощуванням циліндричної частини кристалу й трію. збільшення швидкості обертання й витягування Звичайно для вирощування кристалів йодиду після вирощування циліндричної частини дозвонатрію за класичним методом Чохральського виляють вирощувати якісні монокристали з діаметкористовують швидкість обертання 15-25об/хв та ром до 0,85 від діаметра тигля, знизити непродукшвидкість витягування 1-3мм/год. Для прикладу тивний час при вирощуванні кристалів і вибирати обрано W0=20об/хв. та V0=1мм/год. практично всю сировину (95-97% маси) з тигля, що Завантажують у платиновий тигель розмірами забезпечує істотне зниження собівартості вирощуØ86x100мм сировину йодиду натрію в кількості ваних кристалів і збільшення в 2-3 рази терміну 2000г (наплав шихти або бій кристалів), збирають служби тиглів за рахунок не допущення кристалікристалізаційний вузол. Далі підвищують потужзації й остигання сировини в тиглі. ність джерела індукційного нагрівання для розплавлювання сировини й доведення його до темпера 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 88579 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