способ получения монокристаллов фосфида индия

Формула изобретения

1. Способ получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава в тигле под давлением инертного газа, включающий затравливание на затравку, разращивание монокристалла до заданного диаметра при одновременном вытягивании его конической части с заданной скоростью и последующее выращивание цилиндрической части кристалла, отличающийся тем, что при выращивании конической части монокристалла скорость вращения тигля и скорость вытягивания монокристалла увеличивают соответственно от 0÷2 об/мин и 0÷5 мм/ч при затравливании до 3÷6 об/мин и 15÷30 мм/ч при достижении заданного диаметра, а после получения заданного диаметра на конической части монокристалла скорость вытягивания увеличивают до 50÷150 мм/мин в течение 1,0÷6,0 с с последующим продолжением выращивания цилиндрической части монокристалла с заданной скоростью.

2.Способ по п.1, отличающийся тем, что затравка имеет кристаллографическую ориентацию оси роста <511>В.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в технологии получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского из-под слоя борного ангидрида.

Известен способ выращивания монокристаллов фосфида индия ориентации <111> и <100> методом Чохральского из-под слоя борного ангидрида с углами разращивания кристалла от затравливания до заданного диаметра 35°÷90° и выращивание цилиндрической части кристалла с плавным увеличением диаметра к концу кристалла [1].

Недостатками способа являются:

1. Данный способ позволяет успешно получать монокристаллы только ориентации <111>. Получение монокристаллов ориентации <100> крайне затруднительно и выход годных таких кристаллов очень низкий. Монокристаллы фосфида индия в основном используются для изготовления пластин ориентации (100). Такие пластины вырезают из кристаллов, выращенных в направлении <111> под углом 54°. Получают эллипсные пластины с большой неоднородностью электрофизических и структурных свойств по сечению, что не позволяет их использовать при изготовлении целого ряда приборов.

2. Высокая вероятность двойникования монокристалла при разращивании до заданного диаметра даже для кристаллов ориентации <111>.

3. Низкий выход годных монокристаллов ориентации <100>.

4. Низкий выход высококачественных пластин фосфида индия ориентации (100), полученных из выращенных кристаллов. Наиболее близким техническим решением является способ получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава под давлением инертного газа, включающий затравливание на затравку, разращивание монокристалла до заданного диаметра при одновременном вытягивании его конической части с заданной скоростью и последующее вытягивание цилиндрической части монокристалла из-под слоя борного ангидрида. Выращивание конической части монокристалла ведется с постоянной скоростью вытягивания 12,5÷17,5 мм/час таким образом, чтобы отношение диаметра растущего монокристалла к его длине не превышало 0,3577 [2].

Недостатками способа являются:

1. Данный способ позволяет успешно получать монокристаллы только ориентации <111>. Получение монокристаллов ориентации <100> крайне затруднительно, и выход годных таких кристаллов очень низкий. Монокристаллы фосфида индия в основном используются для изготовления пластин ориентации (100). Такие пластины вырезают из кристаллов, выращенных в направлении <111> под углом 54°. Получают эллипсные пластины с большой неоднородностью электрофизических и структурных свойств по сечению, что не позволяет их использовать при изготовлении целого ряда приборов.

2. Высокая вероятность двойникования монокристалла при разращивании до заданного диаметра для кристаллов ориентации <100>.

3. Большие потери времени и веса монокристалла на операции разращивания, особенно для кристаллов большого диаметра.

4. Низкий выход годных монокристаллов ориентации <100>.

5. Низкий выход высококачественных пластин фосфида индия ориентации (100), полученных из выращенных кристаллов. Целью изобретения является увеличение выхода годных и улучшение качества монокристаллов фосфида индия ориентации (111), (100) и (511) для изготовления высококачественных пластин ориентации (111), (100) и (511) за счет снижения вероятности двойникования на конической части монокристалла при его разращивании до заданного диаметра.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава в тигле под давлением инертного газа, включающем затравливание на затравку, разращивание монокристалла до заданного диаметра при одновременном вытягивании его конической части с заданной скоростью и последующее вытягивание цилиндрической части кристалла, при выращивании конической части монокристалла скорость вращения тигля и скорость вытягивания монокристалла увеличивают, соответственно, от 0÷2 об/мин и 0÷5 мм/час при затравливании до 3÷6 об/мин и 15÷30 мм/час при достижении заданного диаметра, а после получения заданного диаметра на конической части монокристалла скорость вытягивания увеличивают до 50÷150 мм/мин в течение 1,0÷6,0 сек с последующим продолжением выращивания цилиндрической части монокристалла с заданной скоростью.

Затравка имеет кристаллографическую ориентацию оси роста <511>В.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При выращивании монокристаллов фосфида индия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава (LEC) образование двойников наиболее частая причина брака. Вероятность образования двойников монокристаллов фосфида индия зависит от кристаллографической ориентации. Если выращивание монокристаллов осуществляется в направлении [111]А, то к расплаву оказываются обращенными три наклонные грани {111}В. Следовательно, если двойникование монокристаллов происходит по граням {111}В, то двойники должны зарождаться на трех таких гранях. Поэтому с целью предотвращения двойникования затравку целесообразно ориентировать наоборот, то есть к расплаву должна быть обращена лишь одна грань (111) В, на которой крайне редко образуются 90°-двойники.

При ориентации [001] к расплаву обращены четыре наклонные грани (111)В, (111)В, (111)А и (111)А. Поэтому при прочих равных условиях вероятность зарождения двойников при ориентации по направлению [001] должна быть больше, чем при ориентации [111]В, если при этом на грани (111)А двойники не образуются. Нетрудно заметить, что если затравку повернуть к расплаву другим концом, то получится то же самое.

При ориентации затравки по направлению [211] грани (111)В и (111)А параллельны оси вытягивания монокристалла, наклонные грани (111)В, (111)В и (111)А обращены к расплаву, грани же (111)А, (111)А и (111)В - от расплава.

Если затравку повернуть обратным концом, то к расплаву будет обращена только наклонная грань (111)В и грани (111)А, (111)А. Такая ориентация по вероятности образования двойников подобна тому, когда затравка ориентирована по направлению [111]В.

Таким образом, вероятность образования двойников по ряду ориентаций [111]В - [211]В - [100] должна возрастать слева направо.

Следовательно, выращивание монокристаллов ориентации [h11]В имеет меньшую вероятность образования двойников, чем монокристаллов с ориентацией [100]. Среди ориентации [h11]B наибольший интерес для получения подложек фосфида индия ориентации (100) представляет ориентация [511]В (отклонение от [100] составляет 18°). При меньших углах разориентации влияние этого фактора на вероятность двойникования практически незаметна. В последнее время большой интерес для эпитаксиальных процессов представляют пластины ориентации (511), получение которых лучше проводить из монокристаллов с ориентацией [511]В.

При выращивании цилиндрической части монокристалла образование двойников значительно менее вероятно, чем при разращивании монокристалла, и образование этих двойников лишь незначительно снижает выход годных монокристаллов.

При разращивании монокристалла с углом разращивания 30-90° при переходе с конической на цилиндрическую часть монокристалла угол разращивания меняется от 30-90° до 0°. Именно здесь возникает до 90% всех двойников, пересекающих ось монокристалла и меняющих его ориентацию. Следует отметить, что при переходе к цилиндрической части монокристалла наблюдается выход зеркальных плоскостей (111), которые и определяют огранку кристалла. Двойники чаще всего появляются через 3-7 мм длины кристалла после появления этой огранки. Кратковременное (1-6) секунд увеличение скорости вытягивания до 50-150 мм/мин при достижении заданного диаметра на конической части монокристалла приводит к мгновенному переходу к его цилиндрической части без образования двойников. При этом эта операция приводит лишь к незначительному изменению фронта кристаллизации и скорости кристаллизации за счет поверхностного натяжения расплава. Измерение электрофизических и структурных свойств монокристалла через 1 мм после указанной выше операции показывает идентичность свойств с монокристаллом, где эта операция не проводилась. В связи с тем, что после выращивания монокристалла необходимо отрезать с верхней и нижней частей слитка контрольные пластины для измерения параметров и для ориентации торцов, то это не приводит к потере годной части монокристалла.

Двойники могут возникать и на конической части монокристалла. Из-за асимметрии теплового поля при выращивании конической части монокристалла происходят микроколебания диаметра монокристалла. Скорость роста монокристалла не превышает 30 мм/час и в течение нескольких секунд происходит кратковременное увеличение и уменьшение диаметра кристалла при общей тенденции к разращиванию кристалла. При этом даже незначительное уменьшение диаметра монокристалла приводит к образованию двойника. Чем больше диаметр монокристалла, тем сильнее проявляется этот эффект. Избежать этого можно увеличивая теплоотвод через растущий монокристалл за счет увеличения скорости вытягивания от 0÷5 мм/час при затравливании до 15÷30 мм/час при достижении заданного диаметра монокристалла и выравнивая тепловое поле за счет увеличения скорости вращения тигля от 0÷2 об/мин при затравливании до 3÷6 об/мин при достижении заданного диаметра.

После образования двойника в монокристалле другие двойники, как правило, не образуются, что связано с энергией образования двойников. При выращивании кристаллов ориентации (511)В при углах разращивания 72°÷90° очень часто образуется двойник, плоскость двойникования которого находится под углом 72° к оси роста монокристалла. После образования этого двойника другие двойники не образуются. В связи с тем, что после выращивания монокристалла необходимо отрезать с верхней и нижней частей слитка контрольные пластины для измерения параметров и для ориентации торцов, то это не приводит к потере годной части монокристалла.

При увеличении скорости вытягивания менее 40 мм/мин после получения заданного диаметра на конической части монокристалла возникает огранка монокристалла, и появляются двойники, пересекающие ось монокристалла.

При увеличении скорости вытягивания более 160 мм/мин после получения заданного диаметра на конической части монокристалла происходит отрыв монокристалла от расплава и процесс выращивания монокристалла прекращается.

При увеличении скорости вытягивания до 50÷150 мм/мин в течение менее 0,5 сек после получения заданного диаметра на конической части монокристалла возникает огранка монокристалла, и появляются двойники, пересекающие ось монокристалла.

При увеличении скорости вытягивания до 50÷150 мм/мин в течение более 7,0 сек после получения заданного диаметра на конической части монокристалла происходит отрыв монокристалла от расплава, и процесс выращивания монокристалла прекращается.

При увеличении скорости вращения тигля более 2 об/мин при затравливании не удается создать оптимальные условия, препятствующие образованию двойников. При этом возникают двойники, пересекающие ось монокристалла, и двойники, выходящие на цилиндрическую поверхность монокристалла. Последние резко уменьшают длину годной части монокристалла.

При увеличении скорости вращения тигля менее 3 об/мин при достижении заданного диаметра не удается создать оптимальные условия, препятствующие образованию двойников, пересекающих ось монокристалла.

При увеличении скорости вращения тигля более 6 об/мин при достижении заданного диаметра не удается создать оптимальные условия, препятствующие образованию двойников. При этом возникают двойники, пересекающие ось кристалла, и двойники, выходящие на цилиндрическую поверхность монокристалла. Последние резко уменьшают длину годной части кристалла.

При выращивании конической части монокристалла при увеличении скорости вытягивания более 5 мм/час не удается получить необходимые тепловые условия и возникают двойники.

При выращивании конической части монокристалла при увеличении скорости вытягивания менее 15 мм/час при достижении заданного диаметра не удается получить необходимые тепловые условия и возникают двойники.

При выращивании конической части монокристалла при увеличении скорости вытягивания более 30 мм/час при достижении заданного диаметра часто получается поликристалл, и резко ухудшаются электрофизические и структурные параметры монокристалла.

Пример 1. Выращивают монокристалл фосфида индия методом Чохральского на установке "Фотон" с тепловым узлом для кварцевого тигля диаметром 135 мм и высотой 75 мм. Исходная загрузка: фосфид индия - 2000 г, борный ангидрид - 300 г. Режимы выращивания: скорость вытягивания 2÷15 мм/час, скорость вращения затравки 10 об/мин, скорость вращения тигля 1÷3 об/мин. Давление азота в камере 55 атм. Затравка имеет кристаллографическую ориентацию <111> В. После затравливания выращивают коническую часть монокристалла, плавно изменяя скорость вращения тигля от 1 об/мин до 3 об/мин и скорость вытягивания монокристалла от 2 мм/час до 15 мм/час. При достижении диаметра монокристалла 50 мм на 3 с увеличивают скорость вытягивания кристалла до 70 мм/мин. Дальнейшее выращивание цилиндрической части монокристалла проводят со скоростью вытягивания 15 мм/час и скоростью вращения тигля 3 об/мин. В результате получают монокристалл фосфида индия ориентации [111] диаметром 51÷60 мм и весом 1640 г. После отрезания контрольных шайб и образцов для измерений электрофизических и структурных свойств монокристалла слиток калибруют до диаметра 51 мм. В результате получают монокристалл весом 1180 г (выход годных монокристаллов составил 59% от исходной загрузки). По этим режимам проведено 25 процессов выращивания монокристаллов. Получено 2 двойниковых кристалла.

Выход годных монокристаллов без двойников составил 92%. Выход годных монокристаллов от загрузки составил 54%.

Пример 2. Выращивают монокристалл фосфида индия методом Чохральского на установке "Фотон" с тепловым узлом для кварцевого тигля диаметром 135 мм и высотой 75 мм. Исходная загрузка: фосфид индия - 2000 г, борный ангидрид - 300 г. Режимы выращивания: скорость вытягивания 3÷20 мм/час, скорость вращения затравки 10 об/мин, скорость вращения тигля 1÷3 об/мин. Давление азота в камере 55 атм. Затравка имеет кристаллографическую ориентацию <100>. Затравливание проводят при скорости вытягивания 3 мм/час и скорости вращения тигля 1 об/мин. После затравливания выращивают коническую часть монокристалла, плавно увеличивая скорость вытягивания до 20 мм/час и скорость вращения тигля до 3 об/мин. При достижении диаметра кристалла 76 мм на 4 с увеличивают скорость вытягивания кристалла до 100 мм/мин. Дальнейшее выращивание цилиндрической части монокристалла проводят со скоростью вытягивания 20 мм/час и скоростью вращения тигля 3 об/мин. В результате получают монокристалл фосфида индия ориентации [100] диаметром 77÷80 мм и весом 1580 г. После отрезания контрольных шайб и образцов для измерений электрофизических и структурных свойств монокристалла слиток калибруют до диаметра 76 мм. В результате получают кристалл весом 1002 г (выход годных составил 50% от исходной загрузки). По этим режимам проведено 10 процессов выращивания монокристаллов. Получен 1 двойниковый кристалл. Выход годных монокристаллов без двойников составил 90%. Выход годных монокристаллов от загрузки составил 45%.

Пример 3. Выращивают монокристалл фосфида индия методом Чохральского на установке "Фотон" с тепловым узлом для кварцевого тигля диаметром 135 мм и высотой 75 мм. Исходная загрузка: фосфид индия - 2000 г, борный ангидрид - 300 г. Режимы выращивания: скорость вытягивания 3÷15 мм/час, скорость вращения затравки 10 об/мин, скорость вращения тигля 2÷3 об/мин. Давление азота в камере 55 атм. Затравка имеет кристаллографическую ориентацию <511> В. После затравливания выращивают коническую часть монокристалла, плавно увеличивая скорость вытягивания до 15 мм/час и скорость вращения тигля до 3 об/мин. При достижении диаметра монокристалла 100 мм на 5 с увеличивают скорость вытягивания кристалла до 60 мм/мин. Дальнейшее выращивание цилиндрической части кристалла проводят со скоростью вытягивания 15 мм/час и скоростью вращения тигля 3 об/мин. В результате получают монокристалл фосфида индия ориентации [511] диаметром 101÷106 мм и весом 1720 г. После отрезания контрольных шайб и образцов для измерений электрофизических и структурных свойств монокристалла слиток калибруют до диаметра 51 мм. В результате получают кристалл весом 1008 г (выход годных монокристаллов составил 50% от исходной загрузки). По этим режимам проведено 7 процессов выращивания монокристаллов. Все кристаллы получены без двойников в годной части кристалла. Выход годных монокристаллов без двойников составил 100%. Выход годных монокристаллов от загрузки составил 50%.

Остальные примеры приведены в таблице. Из примеров 1÷17 видно, что поставленная цель достигается. В примерах 18÷27 показан выход за пределы, заявляемые в формуле. Примеры 28÷29 выполнены по прототипу.

Использование предлагаемого способа получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского обеспечивает следующие преимущества:

- выход годных монокристаллов без двойников возрастает в 2÷12 раз;

- выход годных монокристаллов возрастает в 5÷10 раз;

- можно получать бездвойниковые монокристаллы любой ориентации;

- использование кристаллов с ориентацией <511> для получения пластин ориентации(100) с разориентацией 5°÷15° в направлении <011>, при этом выход годных бездвойниковых кристаллов сравним с выходом годных кристаллов ориентации <111>.

Литература

1. Large diameter Sn-doped indium phosphide single crystal growth by LEC method

Niefeng Sun, Luhong Мао, Xiaolong Zhou, Xiawan Wu, Weilian Guo, Ming Hu, Lingxia Li, Mi Xiao, Bin Liao, Guangyao Yang, Jiande Fu, Zhihong Yao, Yanjun Zhao, Kewu Yang, Tongnian Sun.

Indium Phosphide and Related Materials, 2004. 16th IPRM.

2004 International Conference on

Publication Date: 31 May-4 June 2004.

On page(s): 595 - 598.

ISSN: 1092-8669.

Print ISBN: 0-7803-8595-0.

INSPEC Accession Number: 8436857.

Digital Object Identifier: 10.1109/ICIPRM.2004.1442795.

Date of Current Version: 18 July 2005 - аналог.

2. Патент США 4299651, С30В 15/36, С30В 15/00 1981 - прототип.