Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ выращивания монокристаллов

Классы МПК:C30B15/36 отличающееся затравочным кристаллом, например его кристаллографической ориентацией
C30B15/20 управление или регулирование
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):ООО МНПП "Кристалл" (RU),
Смирнов Юрий Мстиславович (RU),
Колесников Александр Игоревич (RU),
Каплунов Иван Александрович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2003-06-30
публикация патента:

Изобретение предназначено для выращивания из расплавов монокристаллов методом Чохральского. Сущность изобретения: выращивание осуществляют с программированием процесса роста по скоростям вращения тигля и затравки, при этом процесс вытягивания монокристалла ведут под углом b к вертикали, соответствующей заданному кристаллографическому направлению, причем величина угла b определяется условием 0,2 arcsin (h/d)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8 arcsin (h/d), где d - диаметр кристалла; h - капиллярная постоянная, способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 ; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - поверхностное натяжение расплава; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - плотность расплава; g - ускорение свободного падения. Получают монокристаллы однородные по распределению примесей и с минимальной концентрацией дефектов. 1 ил.

способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792

Рисунки к патенту РФ 2241792

способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792

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)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8 arcsin (h/d),

где d - диаметр кристалла; h - капиллярная постоянная; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 ; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - поверхностное натяжение расплава; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - 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 способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 1 и вытягивается со скоростью f; кристалл отклонен от вертикали на угол b. Тигель 2 с расплавом 3 вращается с угловой скоростью способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 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°20способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792.

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 - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=110 дин/см; плотность расплава - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=5,0 г/см-3. Величина капиллярной постоянной способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 . 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)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8 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 - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=605 дин/см; плотность расплава - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=5,57 г/см-3. Величина капиллярной постоянной способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 . 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)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8 arcsin (h/d); 0,67°<1,5°<2,69°.

Технические характеристики монокристалла (с применением изобретения):

1. Плотость дислокаций - 4,0·103-2 .

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 - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=750 дин/см; плотность расплава - способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792=2,2 г/см-3. Величина капиллярной постоянной способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 . 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)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8 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.

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)способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792bспособ выращивания монокристаллов, патент № 22417920,8arcsin(h/d), где d - диаметр кристалла; h - капиллярная постоянная; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 ; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - поверхностное натяжение расплава; способ выращивания монокристаллов, патент № 2241792 - плотность расплава; g - ускорение свободного падения.


Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B15/36 отличающееся затравочным кристаллом, например его кристаллографической ориентацией

Патенты РФ в классе C30B15/36:
способ выращивания монокристаллов германия -  патент 2493297 (20.09.2013)
способ выращивания монокристаллов литий-магниевого молибдата -  патент 2487968 (20.07.2013)
способ получения крупногабаритных монокристаллов антимонида индия -  патент 2482228 (20.05.2013)
способ получения монокристаллов фосфида индия -  патент 2462541 (27.09.2012)
способ и установка для выращивания монокристалла сапфира с ориентацией в с-плоскости -  патент 2436875 (20.12.2011)
способ выращивания монокристаллов сапфира из расплава -  патент 2350699 (27.03.2009)
сплав для монокристаллических затравок -  патент 2255130 (27.06.2005)
монокристалл со структурой галлогерманата кальция для изготовления дисков в устройствах на поверхностно-акустических волнах и способ его получения -  патент 2250938 (27.04.2005)
способ выращивания кристаллов -  патент 2248418 (20.03.2005)
способ получения кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой -  патент 2208068 (10.07.2003)

Класс C30B15/20 управление или регулирование

Патенты РФ в классе C30B15/20:
сапфир с r-плоскостью, способ и устройство для его получения -  патент 2448204 (20.04.2012)
способ выращивания монокристалла сапфира на затравочном кристалле, остающемся в расплаве, в автоматическом режиме -  патент 2423559 (10.07.2011)
способ выращивания монокристалла сапфира на затравочном кристалле, остающемся в расплаве в процессе выращивания -  патент 2417277 (27.04.2011)
способ выращивания монокристаллов с заданным распределением примесей по его длине -  патент 2402646 (27.10.2010)
способ выращивания монокристаллов сапфира -  патент 2355830 (20.05.2009)
способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по чохральскому -  патент 2338816 (20.11.2008)
способ выращивания оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната -  патент 2328560 (10.07.2008)
способ получения монокристаллов -  патент 2293146 (10.02.2007)
способ получения монокристаллического кремния (варианты) -  патент 2278912 (27.06.2006)
способ выращивания монокристаллов из расплава методом амосова -  патент 2261297 (27.09.2005)

Наверх