Способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому
CZOCHRALSKI'S METHOD OF GROWING PARATELLURITE MONOCRYSTALS FROM LIQUID MELT

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому.
Известны метод ускоренного вращения ростовой ампулы (ACRT) - (Accelerated Crucible Rotation Technique), а также близкий к нему по назначению и физической сущности метод реверсивного вращения кристалла в тигле, в настоящее время применяющиеся при получении монокристаллов широкого класса соединений различными способами [Scheel H.J., Shulz-Du Bois Е.О. Flux growth of accelerated crucible rotation technigue // J. Crystal Growth. 1971. V. 8. P. 304-306.; Shulz-Du Bois Е.О. Accelerated crucible rotation: hydrodynamics and stirring effect // J. Crystal Growth. 1972. V. 12. P. 81-87; Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138]: Бриджмена-Стокбаргера, Чохральского, зонной плавки, раствора в расплаве и др.
Известны также способы, в которых для управления конвекцией расплава при выращивании кристаллов по Чохральскому используется магнитное поле [Патент US 4040895, B01J 17/18, 1977; Современная кристаллография // Под ред. Б.К. Вайнштейна, А.А. Чернова, Л.А. Шувалова М.: Наука, 1980. Т. 3. 346 с.; Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности. М.: Мир. 1991. 143 с.]. Применяется также наложение низкочастотных вибраций на вытягиваемый из расплава кристалл [Верезуб Н.А., Жариков Е.В., Мольдун А.З., Простомолотов А.И., Толочко Н.К. Исследование течения расплава при НЧ вибрациях кристалла в методе Чохральского // Кристаллография. 1996. Т. 41. №1. С. 162-169.; Edited by H.J, Scheel and T. Fukuda. Crystal Growth Technology // John Wiley & Sons. Ltd. 2003. 667 pp.], периодическое включение вращения тигля в сторону, противоположную вращению кристалла (RU №2193079, опубл. 14.04.1999), а также изменение соотношений между скоростями вращения кристалла и тигля [Ремизов О.А. Способ получения монокристаллического кремния. Патент РФ №2278912, 20.01.2005].
Все эти усовершенствования классических способов выращивания направлены на подавление воздействия случайных, плохо контролируемых факторов - таких как нестационарная и нерегулярная конвекция, фоновые гармонические и ангармонические колебания ростовых установок, приводящих к неравномерному захвату примесей и неоднородному распределению примесей и других дефектов структуры кристаллов. И указанные способы являются попыткой организации принудительных контролируемых воздействий на ростовую систему, превосходящих по своему уровню воздействия случайные факторы [Edited by H.J, Scheel and T. Fukuda. Crystal Growth Technology // John Wiley & Sons. Ltd. 2003. 667 pp.]. Достаточно близким по идее к предлагаемому техническому решению является изменение скорости вращения в одну и ту же сторону контейнера с кристаллизуемым веществом от минимального значения (20 об/мин) до максимального (60 об/мин), осуществляемого по пилообразному закону, описанное в [Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138.]. Недостатки всех указанных способов заключаются в том, что создаваемые с их помощью воздействия на расплав и (или) кристалл не дают устойчивых, длительных по времени эффектов, а конвекция расплава остается при их применении нестационарной и нерегулярной. Это приводит к неравномерному захвату примесей материалом и генерации дефектов структуры всех остальных размерностей и, в первую очередь, дислокаций.
-1
2
-1
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому, описанный в патенте RU №2338816, опубл. 03.04.2007, принятый за прототип. В этом способе выращивание монокристаллов из расплава производится из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, и после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=ωr(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см⋅с), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава. Способ позволяет улучшить структурное совершенство кристаллов при одновременном увеличении их размеров. Получаемые согласно данному способу кристаллы обладают высокой оптической однородностью, минимальным уровнем рассеяния излучения и имеют минимальные концентрации структурных дефектов. Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что несмотря на малые в целом концентрации различных структурных дефектов в выращиваемых кристаллах парателлурита, распределение дефектов по радиусу кристалла во всей его цилиндрической части не является идеально однородным. Вследствие образования под центральной частью фронта кристаллизации гидродинамически застойной области, занимающей приблизительно 1/5-1/3 от его радиуса, концентрации примесей и других структурных дефектов в соответствующем объеме выращиваемого кристалла оказываются более высокими, чем в остальном объеме кристалла. Это подтверждается данными экспериментальных зависимостей радиального распределения дислокаций, примесей и обусловленных ими рассеивающих включений в кристаллах парателлурита. В ряде случаев радиальные неоднородности распределения примесей могут наблюдаться визуально (фиг. 1).
Целью предлагаемого изобретения является улучшение радиальной однородности структурных характеристик монокристаллов парателлурита, выращенных способом Чохральского.
-1
2
-1
Данная задача достигается за счет того, что в способе выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, при котором после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=100-150, рассчитанных согласно формуле Re=ωr(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см⋅с), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава применяют с периодом 600-800 с реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания, причем равномерное уменьшение скорости вращения, переключение направления вращение и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения осуществляют за 200-240 с.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 представлено проявление радиальной неоднородности распределения примесей в виде рассеивающих включений в центральной области крупногабаритного (диаметр 82 мм) монокристалла парателлурита, выращенного согласно прототипу.
На фиг. 2 представлен график изменения скорости вращения кристалла парателлурита согласно заявляемому способу.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются улучшенные оптическое качество и структурное совершенство монокристаллов парателлурита и увеличенные размеры кристаллов и выход годной продукции.
Согласно изобретению, после установления в тигле с расплавом и вращающимся кристаллом описанного в прототипе гидродинамического режима, соответствующего двум обращающимся в том же направлении вокруг кристалла конвективным ячейкам (вихрям Тейлора) с более холодным расплавом, применяют периодическое реверсивное изменение направления вращения. При этом скорость вращения за определенное время сначала линейно уменьшается до нуля и за такое же время линейно возрастает до прежнего абсолютного значения, но уже в противоположном направлении. Далее в течение некоторого времени скорость вращения не изменяется. Такой режим реверса, согласно принятой терминологии, называется симметрично-трапецеидальным [Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138]. Оптимальные параметры реверса: Τ - период реверса и τ - время, за которое изменяется скорость вращения, - определены экспериментально при испытаниях реверса в ходе процессов выращивания крупногабаритных монокристаллов парателлурита. Наилучшая однородность радиального распределения структурных дефектов (дислокаций, примесей и др.) при сохранении их в среднем малых концентраций, характерных для использования прототипа, достигаются при значениях периода реверса Τ в пределах 600-800 с и значениях τ времени изменения скорости вращения в пределах 200-240 с. Оптимальный режим изменения скорости вращения кристалла парателлурита представлен на фиг. 2.
Примеры применения прототипа и заявляемого способа.
Пример 1. Крупногабаритный монокристалл парателлурита выращивался из расплава по Чохральскому в соответствии со способом-прототипом. При этом применялись следующие параметры процесса:
- Скорость вытягивания - 0,17 мм/час.
- Скорость вращения кристалла - 18 об/мин (при выходе на диаметр 83 мм; 13 об/мин - при росте цилиндрической части були).
- Диаметр тигля - 100 мм.
- Высота тигля - 140 мм.
Технические характеристики монокристалла, полученного согласно прототипу:
-2
- Плотность дислокаций - /4,7-103 см;
- Аномальная оптическая двуосность - менее 20';
- Поляризационный оптический контраст на длине 30 мм - 24000;
- Длина кристалла - 57 мм;
- Диаметр кристалла - 83 мм;
- Наличие дефектов структуры: пузырьков и свилей не обнаружены;
- Класс по рассеянию: категории А, В;
- Выход годной продукции (по объему) - 49%.
Пример 2. Крупногабаритный монокристалл парателлурита выращивался согласно предлагаемому изобретению из расплава по Чохральскому в той же ростовой установке. При этом применялись следующие параметры процесса:
- Диаметр тигля - 100 мм;
- Высота тигля - 140 мм;
- Скорость вытягивания -0,17 мм/час;
- Скорость вращения изменялась следующим образом:
- Максимальное значение - 13 об/мин;
- Минимальное значение - 13 об/мин в противоположную сторону.
С периодом 600-800 с применялось реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания цилиндрической части кристалла, причем равномерное увеличение скорости вращения, переключение направления вращения и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения осуществлялось за 200-240 с.
Технические характеристики монокристалла, полученного согласно представленному изобретению:
-2
- Плотность дислокаций - 1,8-10 см;
- Аномальная оптическая двуосность - менее 17';
- Поляризационный оптический контраст на длине 30 мм - 29000;
- Длина кристалла - 63 мм;
- Диаметр кристалла - 84 мм;
- Наличие дефектов структуры: пузырьков и свилей не обнаружены;
- Класс по рассеянию: категория А;
- Выход годной продукции (по объему) - 67%.
Таким образом, при применении предлагаемого способа существенно улучшены оптическое качество и структурное совершенство монокристаллов парателлурита и увеличены размеры кристаллов и выход годной продукции. Монокристаллы парателлурита, выращенные согласно предлагаемому способу, использованы при изготовлении светозвукопроводов (СЗП) уникальных акустооптических устройств нового поколения и успешно испытаны в следующих устройствах: АОДЛ (адаптивных дисперсионных линий задержки) для сверхмощных импульсных фемтосекундных лазерных систем; в системах лазерного наведения; в электронно-перестраиваемых фильтрах для микроскопов медицинского диагностического назначения; в модуляторах излучения мощных технологических оптоволоконных лазеров; в акустооптических дефлекторах для коммутации каналов оптоволоконных систем связи; в акустооптических спектрометрах излучения астрофизических объектов, устанавливаемых на наземных телескопах и искусственных спутниках Земли.