способ выращивания монокристаллов

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов из расплава по Чохральскому с программированием скоростей вращения тигля и затравки, отличающийся тем, что выращивание ведут под углом b к вертикали, соответствующей заданному кристаллографическому направлению, причем величину угла b определяют по формуле 0,2arcsin(h/d)b0,8arcsin(h/d), где d - диаметр кристалла; h - капиллярная постоянная; ; - поверхностное натяжение расплава; - плотность расплава; g - ускорение свободного падения.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов из расплавов по Чохральскому.

Уровень 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.

Недостатком этого способа является низкий выход годной части монокристалла, связанный с изменением состава расплава по мере уменьшения его количества в тигле и соответствующим изменением концентрации в расплаве легирующих или неконтролируемых примесей и связанным с этим изменением технических характеристик монокристалла.

Существует ряд способов выращивания из расплавов методом Чохральского монокристаллов кремния (RU 2077615 С1, 20.04.1997), германия (RU 97101248 А, 10.02.1999; RU 99123739 А, 20.01.2002). Сущность способов включает в том числе изменение скоростей вращения затравочного кристалла и тигля; результатом является повышение выхода годной продукции, качества материала за счет более однородного распределения примесей, более точного поддержания диаметра кристалла. Способ выращивания монокристаллов методом Чохральского (RU 2128250 С1, 27.03.1999) включает программирование скоростей вращения затравочного кристалла и тигля и позволяет стабилизировать процесс выращивания монокристаллов, повышая качество слитков, выход годной продукции.

Указанные способы выращивания монокристаллов имеют недостатки. Они не исключает возникновения “канальной” неоднородности, связанной с кристаллографическими свойствами вещества. В кристаллах появляется “канал” - пирамида роста особой грани; концентрация примесей в этом “канале” отличается от концентрации в остальной (“внеканальной”) части монокристалла. Этот эффект существенно снижает выход годной части. Другим недостатком способа является то, что он не исключает повышенной концентрации дефектов на границе “канальной” и “внеканальной” частей монокристалла. Это особенно опасно при возникновении в процессе роста включений второй фазы или пузырьков. Практика показала, что при выращивании монокристаллов для акустооптических применений, например, парателлурита (диоксида теллура) в ряде случаев из-за появления пузырьков вообще невозможно получить пригодные для применения монокристаллы.

Сущность изобретения

В основу изобретения поставлена задача повышения выхода годной продукции за счет получения монокристаллов, однородных по распределению примесей, с минимальной концентрацией дефектов, в частности, включений второй фазы и пузырьков, методом Чохральского при программировании скоростей вращения тигля и затравки, причем вытягивание ведут с отклонением направления вытягивания от вертикали, соответствующей заданному кристаллографическому направлению; величина отклонения равна углу, определяемому условием

0,2 arcsin (h/d)b0,8 arcsin (h/d),

где d - диаметр кристалла; h - капиллярная постоянная; ; - поверхностное натяжение расплава; - плотность расплава; g - ускорение свободного падения.

Краткое описание и чертежи

Изобретение поясняется прилагаемым чертежом, на котором представлена схема способа выращивания монокристаллов.

На чертеже изображены: кристалл 1, имеющий диаметр d; кристалл вращается с угловой скоростью ₁ и вытягивается со скоростью f; кристалл отклонен от вертикали на угол b. Тигель 2 с расплавом 3 вращается с угловой скоростью ₂.

При использовании способа на фронте кристаллизации растущего кристалла создаются условия, при которых каждый участок растущего монокристалла при вращении за один оборот проходит области с различной температурой (разными переохлаждениями) и с разными по глубине пограничными слоями (гидродинамическим и диффузионным). Это, в сочетании с программированием, приводит к усреднению легирующих и неконтролируемых примесей в объеме кристалла. Устраняется (или существенно сокращается) “канальная” неоднородность и исключается или уменьшается возникновение дефектов структуры (например, включений второй фазы). Для монокристаллов, у которых в связи с особенностями выращивания (состав вещества или атмосфера в установке) проявляется тенденция образования пузырьковых включений, такие включения устраняются или их количество существенно уменьшается.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Способ выращивания монокристаллов из расплава включает установку монокристаллической затравки, опускание затравки в содержащийся в тигле расплавленный материал, придание затравке и тиглю вращения с заданными скоростями, создание в расплаве требуемого переохлаждения и вытягивание затравки с заданной скоростью под углом к вертикали, соответствующей заданному кристаллографическому направлению. Угол между направлением вытягивания и вертикалью определяется по приведенной формуле. После выхода на диаметр начинают программирование по скорости вращения тигля. После достижения предельно возможной скорости вращения тигля программирование по скорости вращения тигля прекращают и начинают программирование по скорости вращения затравки. После достижения предельной скорости вращения затравки программирование прекращают и увеличивают скорости подъема затравки с целью отрыва монокристалла от расплава. На этом процесс вытягивания прекращают, и монокристалл охлаждают в камере установки. В связи с наличием заданного отклонения оси роста монокристалла от вертикали получают монокристалл с отсутствием или со сведением к минимуму “канальной” неоднородности и исключением связанных с ней дефектов структуры. Далее приводятся примеры для выращивания монокристаллов конкретных веществ - парателлурита (диоксида теллура), германия и кремния.

1. Парателлурит (диоксид теллура).

1.1. Выращивание без применения изобретения.

В установке “Редмет-8” выращен монокристалл согласно приведенному прототипу способом Чохральского вытягиванием из вращающегося платинового тигля вертикально вверх на вращающуюся ориентированную вертикально затравку. Заданное кристаллографическое направление [110].

Размеры монокристалла:

Длина - 58 мм; диаметр - 60 мм.

Технические характеристики процесса:

Скорость вращения тигля 1,0-3,0 об/мин.

Скорость вращения затравки 6,0-16,0 об/мин.

Скорость вытягивания 0,3 мм/час.

Технические характеристики монокристалла (без применения изобретения):

1. Плотность дислокации - 4,2·10⁴ см ^-2.

2. Аномальная оптическая двуосность 1°20.

3. Поляризационный контраст на 30 мм - 18000.

4. Наличие дефектов: имеются две зоны мелких пузырьков и несколько крупных пузырьков, имеются свили.

5. Интерференционные искажения волновых фронтов - для длины волны 0,53-0,18 мкм.

6. Выход годной продукции - 12,0%.

1.2. Выращивание с применением изобретения

В той же установке, при тех же технических характеристиках процесса получен монокристалл парателлурита с такими же размерами. Отличием было то, что вытягивание велось под углом 1° к вертикали, соответствующей кристаллографической оси [110].

Расчет угла между вертикалью и направлением вытягивания осуществлялся следующим образом:

Поверхостное натяжение расплава диоксида теллура - =110 дин/см; плотность расплава - =5,0 г/см^-3. Величина капиллярной постоянной . Для величины диаметра кристалла парателлурита d=6 см, выбранная величина угла отклонения направления вытягивания затравки от вертикали соответствует заявляемому условию:

0,2 arcsin (h/d)b0,8 arcsin (h/d); 0,40°<1°<1,62°.

Технические характеристики монокристалла (с применением изобретения):

1. Плотность дислокации 1,8·10⁴ см^-2 .

2. Аномальная оптическая двуосность - 26.

3. Поляризационный контраст на 30 мм - 25000.

4. Наличие дефектов - пузырьков нет, свилей нет.

5. Интерференционные искажения волновых фронтов - для длины волны 0,53-0,05 мкм.

6. Выход годной продукции - 25,0%.

Таким образом, все технические характеристики значительно улучшены.

2. Германий

2.1. Выращивание без применения изобретения

В установке “Редмет-10” выращен монокристалл германия согласно приведенному прототипу способом Чохральского вытягиванием из графитового тигля вертикально вверх на вращающуюся вертикально ориентированную затравку. Кристаллографическое направление [111].

Размеры монокристалла:

Длина - 250 мм; диаметр - 80 мм.

Технические характеристики процесса:

Скорость вращения тигля - 2,0-5,0 об/мин.

Скорость вращения затравки - 15,0-40,0 об/мин.

Скорость вытягивания - 1,0 мм/мин.

Технические характеристики монокристалла (без применения изобретения).

1. Плотность дислокаций - 9,0·10³ см^-2.

2. Неоднородность радиального распределения удельного электросопротивления - 18,0%.

3. Неоднородность показателя преломления - 2,1·10 ^-4.

4. Деформация волнового фронта для длины волны 10,6-2,8 мкм.

5. Категория по оптической однородности - III.

6. Выход годной продукции - 25,0%.

2.2. Выращивание с применением изобретения

В той же установке, с теми же техническими ростовыми характеристиками получен монокристалл германия с такими же размерами. Отличие заключалось в том, что вытягивание велось под углом 1,5° к вертикали, соответствующей кристаллографической оси [111].

Расчет угла между вертикалью и направлением вытягивания осуществлялся следующим образом:

Поверхостное натяжение расплава германия - =605 дин/см; плотность расплава - =5,57 г/см^-3. Величина капиллярной постоянной . Для величины диаметра кристалла германия d=8 см, выбранная величина угла отклонения направления вытягивания затравки от вертикали соответствует заявляемому условию:

0,2 arcsin (h/d)b0,8 arcsin (h/d); 0,67°<1,5°<2,69°.

Технические характеристики монокристалла (с применением изобретения):

1. Плотость дислокаций - 4,0·10³ cм^-2 .

2. Неоднородность радиального распределения удельного электросопротивления - 11,0%.

3. Неоднородность показателя преломления - 1,3×10⁴.

4. Деформация волнового фронта для длины волны 10,6-1,5 мкм.

5. Категория по оптической неоднородности - I.

6. Выход годной продукции - 34,0%.

Таким образом, все технические характеристики значительно улучшены

3. Кремний

3.1. Выращивание без применения изобретения

В модифицированной установке “Редмет-15” выращен монокристалл кремния согласно приведенному прототипу способом Чохральского - вытягиванием из кварцевого тигля в атмосфере аргона на вращающуюся вертикально ориентированную затравку.

Кристаллографическое направление - [111].

Размеры монокристалла:

Диаметр - 52 мм; длина - 200 мм.

Технические характеристики процесса:

Скорость вращения тигля - 2,0-6,0 об/мин.

Скорость вращения затравки - 22,0-40,0 об/мин.

Скорость вытягивания - 1,2 мм/мин.

Технические характеристики монокристалла (без применения изобретения):

1. Плотность дислокаций - 2·10⁴.

2. Неоднородность радиального распределения удельного сопротивления - 24,0%.

3. Неоднородность показателя преломления - 3,0-10^-4.

4. Деформация волнового фронта для длины волны 3,39-1,65 мкм.

5. Категория по оптической неоднородности - IV.

6. Выход годной продукции - 18,0%.

3.2. Выращивание с применением изобретения

В той же установке, с теми же техническими ростовыми характеристиками получен монокристалл кремния с такими же размерами. Отличие заключалось в том, что вытягивание велось под углом 2° к вертикали, соответствующей кристаллографической оси [111].

Расчет угла между вертикалью и направлением вытягивания осуществлялся следующим образом:

Поверхостное натяжение расплава кремния - =750 дин/см; плотность расплава - =2,2 г/см^-3. Величина капиллярной постоянной . Для величины диаметра кристалла кремния d=5,2 см, выбранная величина угла отклонения направления вытягивания затравки от вертикали соответствует заявляемому условию:

0,2 arcsin (h/d)b0,8 arcsin (h/d); 1,84°<2°<7,37°.

Технические характеристики монокристалла (с применением изобретения):

1. Плотность дислокаций - 2·10⁴ см^-2 .

2. Неоднородность радиального распределения удельного электросопротивления - 15,0%

3. Неоднородность показателя преломления - 1,3·10^-4.

4. Деформация волнового фронта для длины волны 3,39-0,40 мкм.

5. Категория по оптической неоднородности - II.

6. Выход годной продукции - 34,0%.

Таким образом, почти все технические характеристики существенно улучшены.

Промышленная применимость

Применение способа позволило в несколько раз улучшить оптические параметры монокристаллов парателлурита, применяемых в акустооптических устройствах. Очень важным является устранение таких дефектов, как пузырьки и свили, делающих оптические элементы из парателлурита непригодными для применения. В монокристаллах германия и кремния применение способа улучшило не только оптические характеристики, но и электрофизические. По разбросу удельного электросопротивления увеличен выход годной части монокристаллов, применяемых в функциональной микроэлектронике.

Монокристаллы германия и кремния, полученные по предлагаемому способу, использованы, соответственно, в качестве материала для линз и окон тепловизионных устройств и солнечных элементов с улучшенными параметрами. Монокристаллы парателлурита, выращенные с использованием данного способа, применены для изготовления акустооптических фильтров в планетарных проектах "Марс-Экспресс" и "Венера-Экспресс". Улушение характеристик парателлурита обеспечило изготовление фильтра с относительным спектральным разрешением свыше 1500 в ближнем ИК-диапазоне и, соответственно, рекордные параметры малогабаритного бортового спектрофотометра данного класса.