УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ОСЕВОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ВБЛИЗИ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
FACILITY FOR SINGLE CRYSTALS GROWING BY METHOD OF AXIAL HEAT CURRENT NEARBY SOLID-MELT INTERFACE

Изобретение относится к выращиванию из расплава монокристаллов в температурном градиенте с использованием нагревательного элемента, погруженного в расплавленную зону.
Широко известны различные методы выращивания кристаллов (см. подробное описание, например, в патенте US [1]), в том числе с погруженным в расплав нагревательным элементом (см., например, патенты SU 374901, С30В 11/00, 1971 [2] и US 5047113, С30В 11/02, 1989 [3]). Эти методы, являющиеся, по сути, модификацией метода Бриджмена, были реализованы в соответствующих устройствах, описанных, например, в патентах SU 1401931, С30В 11/00, 1984 [4] и RU 1800854, С30В 11/00, 1990 [5] и в публикациях А. Острогорского [6-8]. При этом за исключением устройства по патенту RU 1800854, реализующего так называемый ОТФ метод роста кристаллов, в котором создается осевой тепловой поток вблизи фронта кристаллизации [9], в остальных устройствах применяется пассивный или неуправляемый нагревательный элемент, который не позволяет изменять величины аксиального и радиального градиентов температуры, а отсутствие термопар в корпусе нагревательного элемента и донышке тигля не позволяет контролировать эти величины. Таким образом, роль погруженного нагревательного элемента сводится, в первую очередь, к изменению характера течения расплава вблизи растущего кристалла. В целом, все традиционные методы и установки роста кристаллов в температурном градиенте позволяют контролировать некий усредненный градиент температуры по высоте печи либо изменение градиента температуры вблизи нагревательных секций теплового узла. Например, в патенте US 6409831, 117/204, 2002 [10] за счет набора таких секций по высоте печи и промежутков между ними для стока тепла создают желаемый градиент в печи и управляют границей раздела между кристаллом и расплавом. Контролю за величиной градиента в расплаве и кристалле в ОТФ методе способствует то, что, кроме всего прочего, в этом методе диаметр затравки берется близким к диаметру выращиваемого кристалла, равному внутреннему диаметру тигля. Благодаря этому имеется возможность дно тигля делать плоским почти на всем его сечении, а в донышке тигля, как это описано для ОТФ метода [5], разместить термопары. Вместе с термопарами, расположенными в погруженном нагревателе (ОТФ-нагревателе), имеется возможность контроля за температурой горячей и холодной границ системы расплав-кристалл между ОТФ-нагревателем и дном тигля и соответственно определения расчетом величин градиента температуры в расплаве и кристалле по известным теплофизическим свойствам кристалла и его расплава, в первую очередь их теплопроводности.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция установки для выращивания полупроводников, разработанная Острогорским (J.Crystal Growth 1997 [8]) на базе печи Меллена, предназначенной для выращивания кристаллов методом Бриджмена. Тепловой узел содержит многосекционный фоновый нагреватель, обеспечивающий необходимый уровень и градиент температуры в установке. Кристаллизатор состоит из тигля с конической внутренней частью внизу, на дне которой по аналогии с методами Бриджмена и Чохральского установлена затравка диаметром 5-7 мм, и погруженного в расплав пассивного нагревательного элемента (перегородки), описанного в [7]: герметичный его корпус без нагревателя (либо он не включается), в котором размещены термопары, перекрывает почти все сечение тигля так, что интенсивность конвекции в области между дном погруженного «нагревателя» и поверхностью растущего кристалла существенно снижена. Погруженный «нагреватель» зафиксирован относительно теплового узла. Тигель через подставку крепится на водоохлаждаемом штоке, который при кристаллизации вытягивается вниз вместе с растущим кристаллом.
По сравнению со своими предыдущими конструкциями, в которых использовался только односекционный фоновый нагреватель, а термопары в погруженном нагревателе отсутствовали (см., например, [6]), установка позволяет обеспечить создание нескольких температурных зон внутри теплового узла. При этом в зоне между погруженным нагревателем и дном тигля (называемой авторами [8] градиентной зоной) используемая конструкция обеспечивает только некоторую усредненную величину температурного градиента. Т.е. создать и контролировать градиенты температуры независимо в расплаве и растущем кристалле нет возможности, а это означает, что в общем случае, когда теплопроводности кристалла и расплава заметно отличаются друг от друга (например, для антимонида галлия и индия в 1.5 раза, для германия и кремния более чем в 2 раза), величина температурного градиента вблизи фронта кристаллизации, определяющая основные параметры растущего кристалла, меняется в процессе роста. Одновременно меняется и толщина слоя расплава под погруженным нагревателем, а вслед за этим, безусловно, и характер конвекции в слое и распределение примеси в нем и в выросшем кристалле. Как правило, теплопроводность кристаллического материала заметно отличается от теплопроводности материала тигля, поэтому по мере роста кристалла в описанной установке меняется и форма фронта кристаллизации. Т.е. добиться высокой однородности материала по всему объему кристалла не удается. Кроме того, в этой установке так же, как и в установках по методу Бриджмена, ниже зоны растущего кристалла (в холодной зоне) создается постоянное по высоте распределение температуры, т.е. близкий к нулю градиент температуры по высоте донышка тигля и подставки под ним. Несоответствие поддерживаемого градиента температуры в кристалле и донышке тигля (подставке) соотношению величин их теплопроводности приводит к значительному отклонению потока тепла, проходящего через кристалл, по своему характеру от осевого (радиальная компонента потока значительна). Это означает, что и температурное поле в кристалле заметно отличается от одномерного. Как следствие, возникают значительные термонапряжения, вызывающие появление таких дефектов как дислокации, двойники и блочность кристалла.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении контролируемого по высоте установки на ее оси градиента температуры в течение всего цикла кристаллизации, преимущественно осевого теплового потока, проходящего через растущий кристалл, оптимальной формы фронта кристаллизации и, как следствие, повышении качества кристаллов и увеличении выхода годной продукции.
Сущность изобретения состоит в том, что в процессе роста с помощью многосекционного фонового нагревателя и погруженного ОТФ-нагревателя создается и поддерживается требуемый градиент температуры в расплаве вблизи растущего кристалла, в самом кристалле и в подставке, на которой стоит тигель с кристаллом и расплавом, что позволяет сформировать осевой тепловой поток (ОТФ режим кристаллизации) на большей части кристалла по его сечению и высоте, т.е. в большем его объеме.
Реализуемое в этом случае близкое к одномерному температурное поле по существу с плоской формой фронта кристаллизации почти на всем сечении кристалла приводит к получению более однородных по составу монокристаллов с меньшим количеством дефектов, связанных с термонапряжениями в кристалле при кристаллизации и остывании.
Технический результат достигается в заявляемой установке для выращивания монокристаллов методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации, включающей водоохлаждаемую камеру с нижним и верхним фланцами, тепловой узел с многосекционным фоновым нагревателем и тепловой изоляцией, кристаллизатор, состоящий из тигля с крышкой, погруженного в тигель нагревателя в герметичном корпусе - ОТФ-нагревателя, содержащего термопары, и подставки под тиглем, закрепленной на водоохлаждаемом штоке и содержащей термопары, устройство для крепления ОТФ-нагревателя в верхнем фланце камеры, в которой фоновый нагреватель состоит, по меньшей мере, из двух секций I и II, имеющих общий вывод для подачи напряжения, а ОТФ-нагреватель размещен по высоте установки в пределах верхней секции II выше уровня, соответствующего положению упомянутого общего вывода в камере, на величину h, равную 5-30 мм в зависимости от толщины слоя расплава над кристаллом, при которой ведут кристаллизацию.
Чтобы обеспечить требуемый градиент температуры в расплаве под ОТФ-нагревателем и в растущем кристалле фоновый нагреватель должен иметь, по меньшей мере, две нагревательные секции I и II, размещенные по высоте установки так, чтобы фронт кристаллизации располагался строго между ними. Это необходимо для того, чтобы имелась возможность независимого тепловыделения по высоте камеры в области расплава над кристаллом и в области самого кристалла. Только в этом случае будет иметься возможность создания независимо в расплаве и кристалле различных по величине градиентов температуры. Это необходимо для обеспечения преимущественно осевого характера теплового потока, проходящего через систему расплав-кристалл, в условиях, когда величины теплопроводности выращиваемого материала в твердом и жидком состоянии, как правило, заметно отличаются друг от друга. Конструктивно это достигается тем, что погруженный ОТФ-нагреватель, закрепленный в верхнем фланце камеры, размещается по высоте камеры в пределах нагревательной секции II, в нижней ее части. При этом дно ОТФ-нагревателя располагается на 5-30 мм выше уровня, проходящего между двумя этими секциями I и II. Указанная величина в 5-30 мм соответствует высоте слоя расплава h вблизи растущего кристалла, обычно создаваемой в ОТФ методе в зависимости от типа выращиваемого кристалла и его диаметра (от 40 до 150 мм). Высота слоя расплава создается равной h в начале кристаллизации и поддерживается таковой в течение всего ростового цикла.
Для обеспечения требуемого по величине (оптимального для выращивания кристалла) градиента температуры также и в подставке, на которой закреплен тигель с кристаллом в конструкции установки по п.2 формулы изобретения, предусматривается размещение еще как минимум одной секции фонового нагревателя III. Эта секция располагается ниже секций I и II так, чтобы охватывать по высоте область кристаллизатора, соответствующую положению подставки на начало кристаллизации и во время нее. Ее высота поэтому выбирается примерно равной высоте выращиваемого кристалла. Высота нагревательной секции I выбирается так, чтобы она могла влиять на температурное поле в кристалле на наиболее ответственной стадии его формирования. Известно [11], что форма фронта и распределение температуры в смысле образования дефектов в зависимости от термонапряжений в кристалле оказывают влияние на растущий кристалл на глубину в пределах расстояния от фронта кристаллизации, равного диаметру кристалла. По этой причине высота секции I выбирается равной диаметру выращиваемого в установке кристалла. В ОТФ методе, как правило, используется 4-секционный фоновый нагреватель. Секция II предназначена для формирования температурного градиента в расплаве вблизи растущего кристалла (под ОТФ-нагревателем). А четвертая, расположенная выше первых трех, служит для расплавления шихты и поддержания в верхней части тигля температуры, при которой расплав не замерзает до самого конца ростового цикла. На практике установлено, что обе эти задачи могут решаться как с помощью одной нагревательной секцией II достаточной высоты, так и путем изготовления ее составной. Поэтому специальных ограничений на высоту нагревательной секции II в ОТФ методе не накладывается.
В ОТФ методе погруженный в расплав ОТФ-нагреватель закрепляется в камере на определенной высоте относительно секций фонового нагревателя. Непосредственно закреплять корпус ОТФ-нагревателя в верхнем фланце камеры нецелесообразно, поскольку материал, из которого он делается, конструкционно для этого не всегда пригоден. Например, графит, который используется при выращивании подавляющего числа полупроводниковых материалов, недостаточно прочен. Кроме того, он газопроницаем, что не позволяет создать необходимый вакуум в камере или газовую среду необходимого состава при его уплотнении во фланце. Наконец, встает вопрос об уплотнении выводов ОТФ-нагревателя и термопар, которое должно осуществляться независимо от уплотнения самого корпуса ОТФ-нагревателя. Конструкцией по п.3 формулы изобретения предусмотрено корпус ОТФ-нагревателя непосредственно к верхнему фланцу не крепить, а использовать дополнительный стержень. При этом указанный стержень уплотняется во фланце как ввод движения, например, по схеме Вильсона или в виде сальникового уплотнения в зависимости от диаметра стержня. Погруженный нагреватель соединен со стержнем. Такая конструкция позволяет разместить ОТФ-нагреватель на необходимой высоте в камере и, кроме того, легко реализовать быстрое перемещение ОТФ-нагревателя вдоль оси установки. Кратковременное его перемещение вниз на расстояние 5-30 мм и обратно вверх необходимо для измерения слоя расплава h до начала и во время кристаллизации.
С целью поддержания заданного распределения температуры в печи и конкретных значений градиента температуры в расплаве, кристалле и подставке по п.4 формулы изобретения секции фонового нагревателя выполнены с возможностью регулирования температуры. Для реализации этой возможности в установке имеются термопары, расположенные как вблизи секций фонового нагревателя, как обычно это делается в методах, отличных от ОТФ, так и в погруженном ОТФ-нагревателе и в подставке. При этом для контроля за величиной градиента температуры в подставке дополнительно к имеющемуся и ниже его по высоте устанавливается еще по крайней мере одна термопара, так называемая градиентная термопара.
Для реализации конструкции установки по п.5 формулы изобретения прелагается тепловую изоляцию установки, которая изготавливается из плохо теплопроводящего материала, делать не постоянного сечения (диаметра) по высоте, а уменьшающегося по мере ее установки сверху вниз. Связано это с тем, что при росте кристаллов методом ОТФ температура по высоте камеры падает сверху вниз. Поэтому радиальный тепловой поток уменьшается, и можно использовать тепловую изоляцию меньшей толщины, т.е. такую конструкцию, в которой каждая такая секция тепловой изоляции вокруг каждой секции фонового нагревателя берется разного диаметра. Это особенно важно, когда надо обеспечить большой градиент температуры в печи с одним и тем же тепловым узлом. Маленький градиент может быть создан при дополнительном тепловыделении на нижних секциях фонового нагревателя, а большой градиент температуры при слишком большой толщине тепловой изоляции в нижней части камере обеспечить не удастся, особенно при больших скоростях роста, когда выделяется большое количество теплоты кристаллизации, и ее тоже необходимо отвести в нижнюю часть камеры
Конструкция установки по п.6 формулы изобретения предназначена обеспечить осевую симметрию температурного поля в растущем кристалле и расплаве, что чрезвычайно важно для формирования осесимметричного течения расплава, соответственно однородного распределения компонентов и примесей в расплаве и в выросшем кристалле. Для этого в установке обеспечивают центрирование всех элементов теплового узла и кристаллизатора относительно нижнего водоохлаждаемого штока, герметично уплотняемого во фланце камеры, т.е. фактически относительно оси камеры. Основным вспомогательным элементом конструкции является направляющий полый цилиндр. Этот цилиндр своим нижним концом установлен во фланце симметрично относительно его оси. В верхней и средней своей части направляющий цилиндр центрируется внешней поверхностью тигля, который жестко закреплен вместе с подставкой на нижнем штоке и установлен внутри направляющего цилиндра со скользящей посадкой. Фоновый нагреватель и тепловая изоляция в нижней своей части центрируются также в нижнем фланце. А в верхней части для их центровки относительно направляющего цилиндра используется дополнительный центрирующий элемент в виде диска с приточками или без них.
Погруженный ОТФ-нагреватель центрируется относительно внутренней поверхности тигля с помощью дополнительных элементов на нем, выполненных в виде выступов. Эти выступы равномерно распределены в зазоре между контейнером и тиглем, так, чтобы было достаточно места по сечению для протекания расплава из области над ОТФ-нагревателем в область под ним к растущему кристаллу. Размер их точно соответствует желаемому зазору для протекания расплава; при вытягивании тигля с кристаллом вниз эти элементы (выступы) скользят по внутренней поверхности тигля. Чтобы обеспечить полную соосность ОТФ-нагревателя тиглю и соответственно всем остальным элементам кристаллизатора и теплового узла, трубка герметичного корпуса погруженного нагревателя плотно со скольжением проходит через отверстие по центру крышки вверху тигля. При монтаже и во время кристаллизации из-за нагрева корпус установки в верхней части, в том числе верхний фланец камеры, могут оказаться, пусть и немного, несоосными нижнему фланцу и всем остальным элементам кристаллизатора и теплового узла. С учетом этого ОТФ-нагреватель верхней своей частью крепится к верхнему фланцу не жестко, а так, чтобы имелась возможность его смещения по горизонтали и небольшого наклона.
Если при кристаллизации используется графитовый тигель, то в соответствие с п.7 формулы изобретения направляющий полый цилиндр изготавливают также из графита.
Использование направляющего цилиндра (п.6 формулы изобретения) из материала, имеющего высокую теплопроводность, например 40-50 Вт/м·К для графита или 80-100 Вт/м·К для молибдена в диапазоне температур 700-1000°С, приводит к тому, что интенсивность отвода теплоты кристаллизации от фронта кристаллизации вдоль стенки тигля увеличивается, т.к. к ее толщине (обычно 2-4 мм) добавляется толщина стенки направляющего цилиндра (примерно 5-10 мм). В условиях, когда теплопроводность самого кристалла значительно меньше: от 7 до 20 Вт/м·К для таких полупроводников, как антимониды галлия, индия и их смесей, германия, это приводит к прогибу фронта кристаллизации вблизи стенок тигля. Фронт становится вогнутым в кристалл, что приводит к появлению блочности кристалла и его двойникования, что недопустимо. Для устранения этого недостатка в п.8 формулы изобретения предлагается полый цилиндр делать составным, включающим вставку в области, прилегающей к стенке тигля, а саму вставку делать из материала, имеющего теплопроводность, меньшую, чем теплопроводность направляющего полого цилиндра. В этом случае тепловой поток от фазовой границы проходит через кристалл. Форма фронта кристаллизации становится близкой к плоской, а поток более близким к осевому. Расчеты показали, что такая вставка в направляющем цилиндре должна находиться не на всей высоте, соответствующей высоте тигля, а только там, где расположен растущий кристалл. Поэтому в соответствии с п.9 формулы изобретения вставка размещается по высоте установки ниже дна погруженного ОТФ-нагревателя на 5-30 мм, что соответствует толщине слоя расплава h, при которой растят кристалл. Если в качестве материала для направляющего цилиндра используют графит (п.7 формулы изобретения), то такую вставку по п.10 формулы изобретения можно изготовить из графитового войлока, теплопроводность которого мала и составляет примерно 0.5-0.7 Вт/м·К в указанном диапазоне температуры. В соответствии с п.11 формулы изобретения предлагается войлок дополнительно графитизировать, чтобы увеличить его теплопроводность и сделать близкой к теплопроводности выращиваемого кристалла. Готовую вставку дополнительно пропитывают графитом в процессе пиролиза в парах углерода, увеличивают плотность материала и соответственно его теплопроводность, доводя ее до 10-45% от теплопроводности графитового направляющего цилиндра. При совпадении теплопроводностей кристалла и вставки тепловой поток по сечению кристалла становится наиболее однородным. Наконец, по п.12 формулы изобретения предлагается вставку делать из композиционного графитового материала с анизотропными теплофизическими свойствами таким образом, чтобы теплопроводность материала вставки вдоль оси цилиндра (в направлении отвода тепла вниз от фронта кристаллизации) была близкой к теплопроводности выращиваемого кристалла, а в поперечном сечении - к теплопроводности графитовой стенки тигля. Увеличение теплопроводности вставки в поперечном направлении позволяет уменьшить тепловыделение секций I и III фонового нагревателя, необходимое для поддержания заданного распределения температуры в тигле. Рекомендуемые параметры теплопроводности вставки вдоль оси установки составляют 40-85% от теплопроводности графитового направляющего цилиндра и 10-30% от этой величины в перпендикулярном направлении в зависимости от свойств выращиваемого кристалла.
Если тигель сделан из материала, который трудно обрабатывается, и нет возможности добиться идеальной цилиндричности его внутренней и внешней поверхностей или придать тиглю другую правильную форму, то реализовать предложенную по п.6 формулы изобретения конструкцию установки невозможно. Например, тигли из кварцевого стекла, как правило, имеют неправильную форму: эллипсность, эксцентриситет и т.д. В этом случае необходимо раздельно осуществлять центрирование тигля относительно теплового узла, а ОТФ-нагревателя относительно тигля как это предлагается по п.13 формулы изобретения. В отличие от конструкции по п.6 формулы изобретения, ОТФ-нагреватель жестко закреплен по оси дополнительного фланца камеры, который центрируется относительно нижнего фланца с помощью направляющих стержней. Выбор такой конструкции связан, во-первых, с тем, что сложно обеспечить надежную центровку верхнего фланца, одновременно выполняющего функцию съемной крышки камеры, относительно нижнего фланца. Главным же аргументом является то, что центровка ОТФ-нагревателя относительно тигля должна обеспечиваться и во время монтажа кристаллизатора: при загрузке тигля шихтой и установке его в исходное положение в печи. Для этого и служат направляющие, по которым скользит дополнительный фланец при сборке и разборке установки одновременно с перемещением нижнего штока с тиглем. А верхний фланец изготовлен так, что имеет достаточный люфт в горизонтальном направлении относительно камеры и направляющих стержней, необходимый для установки верхнего фланца при сборке камеры на ее корпус без перекоса ОТФ-нагревателя относительно тигля.
Использование конструкционных элементов (по п.п.6 и 13 формулы изобретения), обеспечивающих симметрию температурного поля в установке, не позволяет перед проведением цикла кристаллизации осуществлять их сборку и демонтаж фронтальным образом, например через боковую дверцу камеры. Необходимо эти элементы либо последовательно, начиная с тепловой изоляции и заканчивая фоновым нагревателем и направляющим цилиндром, поднимать вверх вдоль оси установки, чтобы освободить доступ к тиглю, либо тигель переместить вверх выше всех элементов теплового узла. В установке для роста кристаллов ОТФ методом выбран второй вариант. Он является практически безальтернативным в случае, когда требуется осуществление центровки ОТФ-нагревателя относительно тигля в случае его неправильной формы (см. п.13 формулы изобретения). В этом случае необходимым условием является закрепление ОТФ-нагревателя по оси установки в верхней части камеры в течение всего процесса монтажа, включающего загрузку шихты в тигель с ОТФ-нагревателем внутри него. Т.е. поднять элементы теплового узла и временно удалить их из установки не представляется возможным. В соответствии с п.14 формулы изобретения предлагается нижний шток изготовить достаточной длины так, чтобы при его перемещении вверх тигель мог быть поднят выше верхнего среза камеры или, по крайней мере, выше тепловой изоляции для установок с большим диаметром (свыше 250-300 мм) камеры. При этом встает вопрос размещения термопар, установленных на тигле и в подставке внутри камеры, и их вывода из камеры. При небольших перемещениях тигля, соответствующих высоте кристалла в 100-150 мм, выращиваемого в установке ОТФ методом, можно сами термопары скручивать вокруг штока, а вывод концов осуществить через уплотнения в корпусе камеры так же, как это делается, например, для термопар, размещенных в погруженном ОТФ-нагревателе или установленных рядом с секциями фонового нагревателя. Однако при перемещениях штока, сравнимых с высотой всей установки, а это может составить от 300 до 500 мм в зависимости от высоты выращиваемого кристалла, требуется делать слишком много витков в ограниченном пространстве между подставкой тигля и нижним фланцем корпуса. Это, а также многократное свертывание и развертывание термопары приводят к быстрому ее выходу из строя. Поэтому согласно данному пункту формулы изобретения термопары размещают внутри водоохлаждаемого штока, который изготавливается полым, и уплотняют в нижней его части вне камеры.
В ОТФ методе, как правило, загрузку шихты осуществляют, когда погруженный ОТФ-нагреватель уже находится внутри тигля. Однако закладывать шихту без какого-либо диска, обеспечивающего центровку ОТФ-нагревателя относительно тигля, нельзя. Иначе ОТФ-нагреватель перекосит, и кристаллизатор собрать не удастся. В соответствии с п.15 формулы изобретения такой специальный диск устанавливается взамен крышки, которая на время загрузки шихты вынимается из тигля. В диске имеются отверстия для загрузки шихты и вырезанный сегмент для установки диска и его удаления после заполнения тигля шихтой.
При использовании резистивного нагрева секции фонового нагревателя изготавливают, навивая проволоку из сплавов высокого сопротивления или тугоплавкого металла на непроводящий каркас, например на алундовую трубу. Таким образом, нагревательные секции представляют собой спираль определенной высоты и диаметром, близким к диаметру трубы. Каждая такая секция имеет два вывода для подачи, как правило, переменного напряжения: на один вывод подают фазу, например, ⌀220 В, а другой соединяют с нулевой точкой системы силового питания. Между выводами разных секций оставляют технологические промежутки высотой 3-10 мм в зависимости от атмосферы в камере, в которой осуществляют нагрев, чтобы исключить электрический пробой. В установке по п.16 формулы изобретения предлагается фазу (напряжение в 220 В) подавать на внешние выводы секций. Соответственно выводы с нулевыми точками оказываются рядом друг с другом. Их объединяют в один общий вывод, а сами секции навивают одним проводом без разрыва. Такая конструкция позволяет исключить наличие ненагреваемого участка вблизи фазовой границы, положение и форма которой, а также градиенты температуры в расплаве и кристалле вблизи нее контролируются, что позволяет делать это с более высокой точностью. В соответствии с п.17 формулы изобретения предлагается при выращивании кристаллов ОТФ методом использовать четыре нагревательные секции: две внутренние I и II и две внешние, расположенные соответственно под секцией I и над секцией II. Напряжение на выводы секций подается так, что одноименные фазы подсоединяют к ближайшим выводам соседних секций. Такая конструкция позволяет существенно снизить риски пробоя напряжения между секциями фонового нагревателя, на которые подается близкое по величине напряжение, и практически исключить пробой полностью между нагревателем в целом и торцевыми экранами из тугоплавких металлов и центрующими элементами из графита, устанавливаемыми внутри теплового узла до тепловой изоляции.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 представляет собой общий вид ростовой ОТФ установки.
Фиг.2 представляет собой схематичное изображение тигля и погруженного ОТФ-нагревателя, поясняющее конструкцию их центрирования относительно друг друга.
Фиг.3 представляет собой дополнительный вариант реализации ростовой ОТФ установки.
Фиг.4 представляет собой схему для пояснения конструкции некоторых узлов установки.
Фиг.5 представляет собой конструкцию одного из элементов установки.
Фиг.6 представляет собой схему изготовления фонового нагревателя ОТФ установки и подключения напряжения силового питания к выводам нагревательных секций.
Фиг.7 представляет собой схему расчетной области установки (а) и иллюстрирует осевой характер теплового потока и температурное поле в кристалле, выращиваемом ОТФ методом (б).
В предлагаемой конструкции установки (см. Фиг.1) водоохлаждаемая камера с нижним 1 и верхним 2 фланцами содержит тепловой узел, кристаллизатор и устройства для их фиксации в камере и перемещения необходимых деталей кристаллизатора. Тепловой узел состоит из тепловой изоляции 3 и многосекционного фонового нагревателя 4, обеспечивающего автономное тепловыделение по каждой из секций и поддержание заданного распределения температуры по высоте камеры. Тигель 5 с кристаллом 6 и расплавом 7 находится на подставке 8, которая закреплена на водоохлаждаемом штоке 9, проходящем через нижний фланец 1. При этом погруженный в расплав ОТФ-нагреватель 10 закреплен относительно теплового узла неподвижно на определенной высоте относительно секций фонового нагревателя. Термопара 11, находящаяся внутри герметичного корпуса 13 погруженного нагревателя, и термопара 12, размещенная в подставке 8, измеряют температуру вблизи дна ОТФ-нагревателя и дна тигля соответственно. Для измерения температуры в нижней части подставки служит термопара 14, установленная на расстоянии L от термопары 12. Сам нагревательный элемент ОТФ-нагревателя 10 вместе с термопарами 11 защищен от расплава и его паров герметичным корпусом 13 в виде контейнера в его нижней части и трубки 15, через которую выводятся из тигля и теплового узла токоподводы ОТФ-нагревателя и выводы термопар. Корпус ОТФ-нагревателя верхним концом трубки 15 крепится к верхнему фланцу 2 с помощью дополнительного стержня 16. Направляющий полый цилиндр 17, своим нижним концом установленный в нижнем фланце 1 симметрично относительно его оси, служит для центрирования всех элементов теплового узла и кристаллизатора относительно нижнего водоохлаждаемого штока 9. Тигель 5 установлен внутри направляющего цилиндра 17 со скользящей посадкой. Диск 18 служит для центровки фонового нагревателя 4 и тепловой изоляция 3 в верхней части цилиндра 17. Тепловая изоляция 3 является составной и включает в себя вставку 19.
Детали конструкции центрирования погруженного ОТФ-нагревателя показаны на Фиг.2. Контейнер 13 герметичного корпуса ОТФ-нагревателя центрируется относительно внутренней поверхности тигля 5 с помощью дополнительных элементов, изготовленных на корпусе контейнера в виде выступов 20. Соосность ОТФ-нагревателя в верхней части тигля обеспечивается тем, что трубка 15 плотно со скольжением проходит через отверстие по центру крышки 21 вверху тигля. Крышка в тигле установлена жестко и соосно с ним за счет приточки. Трубка 15 в своей верхней части (см. Фиг.1) крепится к стержню 16 так, чтобы имелась возможность ее смещения по горизонтали и небольшого наклона относительно верхнего фланца. Для этого используется устройство, которое состоит из узла 22 для юстировки (смещения) трубки в направлении, по существу перпендикулярном оси установки, и сильфона 23, закрепленного в верхнем фланце камеры для компенсации наклона трубки.
На Фиг.3 показан вариант конструкции ОТФ установки, когда тигель имеет неправильную форму и его центровка непосредственно относительно погруженного нагревателя невозможна. Аналогично основному варианту конструкции установки тигель 5 на подставке, жестко связанной с водоохлаждаемым штоком 9, центруется относительно нижнего фланца 1. Фоновый нагреватель 4 и тепловая изоляция 3 осесимметрично закреплены на этом же фланце, а вверху центрируются между собой с помощью диска 18, выполненного без дополнительной приточки под направляющий цилиндр. Трубка 15 ОТФ-нагревателя в верхней части жестко закреплена со стержнем 16, который проходит (уплотнен) по центру не верхнего фланца 2 камеры, а дополнительного 24, который центрируется относительно нижнего фланца 1 с помощью направляющих стержней 25. Приточка в верхнем фланце под корпус камеры и отверстия в нем под направляющие стержни выполнены так, что фланец может свободно смещаться в горизонтальном направлении в пределах нескольких миллиметров.
Детали конструкции установки, обеспечивающие ее монтаж и разборку, поясняет Фиг.4. Водоохлаждаемый шток 9 изготовлен достаточной длины, которая обеспечивает перемещение вверх тигля 5 с подставкой 8, по крайней мере, выше тепловой изоляции 3 так, чтобы имелась возможность монтажа тигля и подставки вместе с термопарами на штоке. Сами термопары 12 размещены внутри водоохлаждаемого штока 9, который изготавливается полым, и уплотнены в нижней его части 26 вне камеры. Для загрузки шихты 27 используют специальный диск 28, который устанавливается вместо крышки 21 в тигель 5 и центрирует трубку 15 ОТФ-нагревателя 10, установленного внутри тигля. Диск 28 (см. Фиг.5) имеет отверстия 28 для загрузки шихты 26 вовнутрь тигля и вырезанный сегмент 29 шириной, чуть большей, чем диаметр трубки 15.
Конструкция фонового нагревателя 4 более детально поясняется схемой на Фиг.6. Нагревательные секции представляют собой спирали, навитые проволокой из сплава высокого сопротивления или тугоплавкого металла на алундовой трубе. Каждая секция имеет два вывода для подачи переменного напряжения: на один вывод подают фазу ⌀, а другой соединяют с нулевой точкой 0. Между выводами секций предусмотрены технологические промежутки высотой 3-10 мм в зависимости от атмосферы в камере, в которой осуществляют нагрев, чтобы исключить электрический пробой между ними. Внутренние секции I и II навивают одним проводом без разрыва. Они имеют один общий вывод 31, а фазы подаются на внешние выводы 32 и 33. Две наружные секции расположены под секцией I и над секцией II. Фазы ⌀ напряжения подаются на выводы 34, 35, а нулевой провод 0 соединен с выводами 36, 37.
Установка работает следующим образом.
гор
хол
хол
градиент
расплав
гор
пл
кристалл
пл
хол
пл
подставка
хол
град
Тигель 5 с затравочным кристаллом в виде диска диаметром, равным внутреннему диаметру тигля, и высотой 10-20 мм на донышке тигля устанавливают на подставку 8, которая закреплена на водоохлаждаемом штоке 9 и на момент сборки и загрузки тигля шихтой находится выше тепловой изоляции 3 камеры ОТФ установки. В тигель загружают шихту, опускают ОТФ-нагреватель и закрывают его крышкой 20. За счет опускания штока вниз тигель устанавливают в исходное положение так, чтобы ОТФ-нагреватель оказался по высоте камеры на необходимом уровне относительно общего вывода 31 нагревательных секций I и II. Трубку ОТФ-нагревателя в верхней части камеры соединяют со стержнем 16 с помощью юстировочного устройства 22, компенсируя небольшой эксцентриситет между трубкой и стержнем. После этого опускают верхний фланец 2 (крышку) на место и уплотняют ее с корпусом камеры. Камеру откачивают, заполняют газом до необходимого давления и разогревают до заданных значений температуры. Контроль и автоматическое поддержание заданных значений температуры осуществляют по термопарам 11, находящимся в ОТФ-нагревателе, и 12, 14, установленным в подставке. В процессе ОТФ кристаллизации тигель на подставке вместе со штоком опускается вниз, в холодную зону. При этом температуру ОТФ-нагревателя Т поддерживают постоянной, управляя секцией II по термопаре 11, а температуру на донышке тигля T меняют, управляя секцией I по термопаре 12, по определенному закону в зависимости от оптических свойств кристалла и расплава (например, для полупроводников Т снижают линейно от времени) так, чтобы слой расплава под ОТФ-нагревателем оставался постоянным h=const. Аналогичным образом меняют и температуру на градиентной термопаре 14 Т, управляя секцией III. В этом случае установленные в начале кристаллизации градиенты температуры в расплаве (на фронте растущего кристалла) GradТ=(Т-T)/h и кристалле GradT=(Т-Т)/Н, где Т - температура плавления, Н - высота кристалла, поддерживаются по существу неизменными в течение всего цикла кристаллизации. Также постоянный градиент температуры GradТ=(Т-T)/L и, следовательно, постоянный осевой тепловой поток устанавливаются и поддерживаются в подставке. Таким образом, рост кристалла осуществляется при постоянных тепловых условиях и сохранении характера и других параметров течения расплава вблизи фронта кристаллизации, что соответствует ОТФ режиму кристаллизации. После завершения процесса выращивания, когда ОТФ-нагреватель полностью выходит из расплава, тигель с кристаллом охлаждают, поднимают выше тепловой изоляции в камере. Крышку снимают, удаляют ОТФ-нагреватель и достают кристалл.
Конкретные примеры выращивания кристаллов методом ОТФ на заявляемой установке.
Пример 1. Перед началом подготовки ростового цикла получения монокристалла Ge нижний шток с графитовой подставкой 8 находятся выше тепловой изоляции теплового узла установки. Затравку из монокристаллического германия диметром 46 мм и высотой 15 мм устанавливали на подставку, которая играет роль донышка в составном графитовом тигле 5. Тигель собирали, соединяя графитовый цилиндр наружным диаметром 54 мм и высотой 180 мм с подставкой (по резьбовому соединению). В тигель укладывали часть шихты с лигатурой и после юстировки верхнего конца графитовой трубки ОТФ-нагревателя с помощью устройства 22, в котором трубка 15 крепится в верхней части камеры, размещали в тигле ОТФ-нагреватель. Перед загрузкой оставшейся части шихты крышку тигля 21 перемещали вверх по трубке корпуса ОТФ-нагревателя, а вместо нее в верхнюю часть тигля устанавливали специальный диск 28, используя паз 30, который центрирует ОТФ-нагреватель вверху тигля. Внутри тигля ОТФ-нагреватель центрировался выступами 20, которые скользят по внутренней поверхности тигля. Шихту (бой германия марки ГПЗ) засыпали в тигель доверху через отверстия в диске, при этом сам диск постепенно поворачивали (вращали), чтобы шихта в тигле была распределена более равномерно. Диск убирали, на его место в тигле устанавливали крышку. Тигель медленно опускали вниз, при этом стержень 16, слабо уплотненный в верхнем фланце камеры, перемещался относительно этого фланца вместе с ОТФ-нагревателем и юстировочным устройством. Перемещение нижнего штока прекратили, когда уровень ОТФ-нагревателя (его донышко) оказался на h=10 мм выше уровня общего (среднего) вывода нагревательных секций I и II, намотанных молибденовой проволокой диаметром 2 мм на алундовой трубе внешним диаметром 100 мм (внутренним 80 мм) и высотой 420 мм. После этого верхний фланец (крышку камеры) установили на место; камеру уплотнили, в том числе стержень 16 в сальниковом уплотнении в верхнем фланце.
-2
-3
Камеру откачивали до давления 10-10 мм рт.ст. и нагревали тигель с шихтой до температуры 450-500°С в вакууме для удаления влаги и кислорода. Затем напустили аргон с избыточным давлением 0.3-0.4 атм и разогревали камеру с помощью четырехсекционного фонового нагревателя так, чтобы шихта над ОТФ-нагревателем и под ним расплавилась полностью. Контроль за температурой вели по 4 вольфрамрениевым термопарам диаметром 0.35 мм в керамике из оксидов бериллия и алюминия, размещенным внутри корпуса ОТФ-нагревателя по центру и на его периферии, по 6 таким же термопарам, расположенным в подставке, и по 4 хромель-алюмелевым термопарам диаметром 0.5 мм в чехлах из оксида алюминия, расположенным посередине каждой секции фонового нагревателя. Четыре из термопар в подставке находились вблизи донышка тигля по центру и его периферии, а две (градиентные) - ниже на L=10 мм по оси подставки. Регулирование по температуре с помощью автоматизированной системы велось верхней секцией по термопаре, расположенной вблизи этой секции, секцией II - по термопаре внутри ОТФ-нагревателя на периферии, секцией I - по термопаре в подставке в центре у донышка, секцией III - по градиентной термопаре в подставке.
Затем включали ОТФ-нагреватель и расплавляли часть затравки в 5 мм сверху так, чтобы толщина слоя расплава была h=10 мм, при которой потом и вели кристаллизацию. При этом регулирование температуры ОТФ-нагревателем вели по термопаре, расположенной внутри и по центру ОТФ-нагревателя. Контроль за величиной h вели, проводя расчет по формуле:
р
кр
гор
пл
пл
хол
град
гр
где λ=39 и λ=17 Вт/м·К - теплопроводность расплава и кристалла, d - расстояние между дном ОТФ-нагревателя и дном тигля (поверхностью) подставки, а также экспериментально, быстро опуская ОТФ-нагреватель до упора в поверхность кристалла и возвращая его обратно в исходное положение за счет перемещения стержня 16, уплотненного в верхнем фланце. Задавая при высоте оставшейся части затравки Н=10 мм значения температуры Т=Т+10°С (перегрев на 10°С выше Т=937°С для германия) по центру и на периферии ОТФ-нагревателя, Т=914°С, найденное расчетом из соотношения (1), Т=905.3°С, взятое с учетом теплопроводности графита λ=45 Вт/м·К, добились установления требуемой величины градиента температуры в расплаве (на фронте кристаллизации) в 10 К/см и постоянного по величине осевого теплового потока в кристалле.
гор
хол
После выдержки в течение двух часов начали проводить кристаллизацию, опуская тигель с кристаллом вниз в холодную зону со скоростью v=10 мм/ч. При этом температуру на ОТФ-нагревателе T с помощью автоматизированной системы поддерживали постоянной, а на донышке Т линейно снижали по формуле:
где J - теплота кристаллизации, ρ - плотность расплава, что составило примерно 22.8 К/ч.
3
-2
После завершения кристаллизации тигель с кристаллом находился в нижней части фонового нагревателя, спроектированного так, что его самая нижняя секция имеет достаточный запас по мощности, чтобы поддерживать необходимую температуру кристалла при выключенных остальных секциях. Меняя мощность ОТФ-нагревателя и секций фонового нагревателя, устанавливали равномерное распределение температуры на кристалле и медленно с темпом 25 К/ч его охлаждали. Выращенный кристалл высотой 88 мм достали из тигля. Нижнюю часть кристалла отрезали для использования повторно в качестве затравки. Анализ верхней части кристалла позволил сделать вывод о высокой осевой симметрии теплового поля в процессе кристаллизации, т.к. затвердевшая конусообразная часть кристалла, образующаяся при выходе ОТФ-нагревателя из расплава и отрыве от него, находилась точно по центру полученного слитка. Изучение условий кристаллизации: распределение температуры и потоков тепла проводили с помощью численных расчетов глобальной тепловой задачи с использованием накопленных в ростовом цикле данных по температуре. Вычисления выполняли с помощью программного пакета CGSim фирмы Софт-Импакт, г.Петербург. Видно, что в ОТФ установке были реализованы практически плоский фронт кристаллизации и плоские в большей части кристалла изотермы. Соответственно поток почти на всем сечении кристалла был направлен по его оси. Такой режим способствует росту кристалла с образованием малого количества дефектов. Исследования полученного слитка показали высокую однородность кристалла с распределением легирующей примеси в пределах ±7% и плотностью дислокации, не превышающих исходный уровень затравочного материала в 5·10 см.
Пример 2. Монокристалл CsI (TI) выращивали в кварцевом тигле, который, как правило, имеет эллипсоидную форму. Поэтому центрирование ОТФ-нагревателя в кристаллизаторе осуществляли не относительно тигля, а во вспомогательной схеме: ОТФ-нагреватель закрепляли в дополнительном фланце 24 над верхним фланцем, являющимся крышкой камеры и герметично с ним соединенным. Дополнительный фланец двигается по направляющим стержням соосно с нижнем штоком установки. Перед загрузкой шихты тигель поднят выше корпуса камеры ОТФ установки. В тигель с внутренним диаметром приблизительно 56 мм на дно устанавливали затравку, засыпали часть шихты с активатором и опускали ОТФ-нагреватель в тигель, который перемещается по оси установки вместе с дополнительным фланцем, в котором он уплотнен жестко (без возможности перемещения относительно него). Досыпали шихту, тигель закрывали кварцевой крышкой. Тигель устанавливали на исходную позицию, опуская нижний шток, на котором он установлен. При этом под действием собственного веса дополнительный фланец вместе с ОТФ-нагревателем двигаются вниз вместе с тиглем. После этого верхний фланец уплотняли с корпусом камеры и далее выполняли все операции, описанные в предыдущем примере.
-1
-2
Кроме основного отличия, связанного с системой центрирования, установки отличаются по некоторым параметрам конструкции и технологического режима. ОТФ-нагреватель в графитовом корпусе использовался с 2 хромель-алюмелевыми термопарами в чехле из кварцевого стекла. Фоновый нагреватель представлял собой 4 секции общей высотой около 300 мм, намотанные жаропрочной проволокой диаметром 1 мм на алундовой трубе с внутренним диаметром 100 мм. Камеру откачивали до давления 10-5×10 мм рт.ст. и нагревали тигель с шихтой в вакууме до температуры плавления для удаления влаги и паров воды. Избыточное давление аргона составляло 0.2-0.5 атм. Величину температурного градиента на фронте кристаллизации устанавливали в 50°С/см. Кристаллизацию вели, опуская тигель со скоростью 4 мм/ч. Выращенный кристалл диаметром около 56 мм и высотой 48 мм вынули из тигля. Нижнюю часть кристалла отрезали для использования повторно в качестве затравки.
Источники, принятые во внимание
1. Process for controlling the growth of a crystal (US Patent 5868831), 1999.
2. Способ выращивания монокристаллов (SU 374901), С30В 11/00, 1971.
3. Метод направленной кристаллизации монокристаллов (US 5047113), С30В 11/02, 1989.
4. Устройство для выращивания кристаллов из расплава (SU 1401931), С30В 11/00, 1984.
5. Устройство для выращивания кристаллов (RU 1800854), С30В 11/00, 1990.
6. A.G.Ostrogorsky, Numerical simulation of single crystal growth by submerged heater method J. of Crystal Growth 104, 233-238, 1990.
7. A.G.Ostrogorsky, Z.Dragojlovic, "Model of convection and segregation during growth by the submerged baffle method, Proceedings of International Aerospace Congress (IAC'94), Moscow, Russia, August 17, 1994, pp.443-452.
8. S.Meyer and A.G.Ostrogorsky, "Forced Convection in Vertical Bridgman Configuration with the Submerged Heater" J.Crystal Growth 171 (1997), 566-576.
9. Н.Г.Бураго, Голышев В.Д., Гоник М.А., В.И.Полежаев, В.Б.Цветовский. Характер вынужденной и естественной конвекции и его влияние на распределение примеси в кристалле при росте методом ОТФ 1а. Труды III Межд. конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура и применение», Александров, 20-24 октября 1997, т.1, с.239-259.
10. Apparatus for fabricating single crystal (US Patent 6409831), 117/204, 2002.
11. М.Г.Мильвидский, В.Г.Освенский. В кн. Рост кристаллов. Т.XII. - Изд-во Ереванского государственного университета, 1977. С.257-269.