Способ выращивания монокристаллов изотопно-обогащенного кремния

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния ²⁸Si или ²⁹Si, или ³⁰Si, который является перспективным материалом для изготовления элементов спиновой наноэлектроники, квантовых компьютеров, радиационностойких детекторов ионизирующих излучений. Способ включает выращивание монокристаллов изотопнообогащенного кремния на монокристаллическую затравку длиной L, которую изготавливают методом бестигельной зонной плавки, при этом зону расплава создают сплавлением концевой части монокристаллической затравки из кремния природного изотопного состава с концевой частью поликристаллического слитка изотопнообогащенного кремния, а затем продвигают вдоль поликристаллического слитка изотопнообогащенного кремния на расстояние L, соответствующее длине затравки и определяемое по формуле ,

где U - длина расплавленной зоны, Cⁱ - концентрация изотопа в поликристаллическом слитке изотопнообогащенного кремния, Cⁿ - концентрация изотопа в затравке из кремния природного изотопного состава, С - требуемая концентрация изотопа на конце затравки, g - отношение массы расплавленного участка затравки из кремния природного изотопного состава к массе расплавленной зоны. Изобретение позволяет выращивать монокристаллы изотопнообогащенного кремния с низким, заранее заданным и контролируемым уровнем изотопного разбавления.

 

Заявляемое изобретение относится к технологии выращивания кристаллов и касается разработки способа выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si, который используются в полупроводниковой технике, микроэлектронике и др. Использование монокристаллов изотопнообогащенного кремния открывает новые области его применения. Например, монокристаллы изотопнообогащенного кремния могут быть использованы для изготовления элементов спиновой наноэлектроники, квантовых компьютеров, радиационностойких детекторов ионизирующих излучений. В большинстве методов выращивания монокристаллов используются монокристаллические затравки. Чтобы минимизировать изотопное разбавление при выращивании монокристаллов необходимо иметь затравку с изотопным составом, близким к изотопному составу выращиваемого монокристалла. Однако такие затравки отсутствуют, так как изотопнообогащенный кремний является новым и дорогим материалом, который пока получают в очень ограниченных количествах. Применение затравок из веществ с природным изотопным составом не позволяет полностью сохранить изотопный состав изотопнообогащенного поликристаллического материала. Учитывая, что изотопный состав изотопнообогащенного кремния является одной из его важнейших характеристик, возникла необходимость разработки способа выращивания монокристалла, минимизирующего его изотопное разбавление при выращивании кристалла.

Известен способ выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния по методу Чохральского, описанный (Kohei М. ITOH, Jiro КАТО, Masafumi UEMURA et. all. High Purity Isotopically Enriched ²⁹Si and ³⁰Si Single Crystals: Isotope Separation, Purification, and Growth //Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42 (2003) pp.6248-6251), который выбран в качестве прототипа.

Способ заключается в том, что остро заточенный конец монокристаллической затравки из кремния с природным изотопным составом приводят в соприкосновение с расплавом изотопнообогащенного кремния, в тигле из кварцевого стекла с внутренним покрытием из диоксида кремния, обогащенного кремнием-28, или кремнием-29, или кремнием-30, и вытягивают монокристалл изотопнообогащенного кремния.

Недостатком прототипа является то, что при выращивании монокристаллов изотопнообогащенного кремния происходит его изотопное разбавление в результате подплавления затравки из кремния природного изотопного состава. В прототипе показано, что при выращивании кристаллов кремния-29 описанным в прототипе способом происходит изменение содержания основного изотопа кремния-29 с 99,487% до 99,225%, что ограничивает практическое применение изотопнообогащенного кремния.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния, обеспечивающего выращивание монокристаллов с низким, заранее заданным и контролируемым уровнем изотопного разбавления.

Эта задача решается за счет того, что, в известном способе выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния на монокристаллическую затравку, согласно изобретению, затравку длиной L изготавливают методом бестигельной зонной плавки, при этом зону расплава создают сплавлением концевой части монокристаллической затравки из кремния природного изотопного состава с концевой частью поликристаллического слитка изотопнообогащенного кремния, а затем зону расплава продвигают вдоль поликристаллического слитка изотопнообогащенного кремния на расстояние L, определяемое по формуле

где

U - длина расплавленной зоны;

Cⁱ - концентрация изотопа в поликристаллическом слитке изотопнообогащенного кремния, определяемая экспериментально до начала выращивания монокристалла;

Cⁿ - концентрация изотопа в затравке из кремния природного изотопного состава - известная величина;

C - требуемая концентрация изотопа кремния ²⁸Si, или ²⁹Si, или ³⁰Si на конце затравки - задается требованиями практического применения выращиваемого монокристалла изотопнообогащенного кремния;

g - отношение массы подплавляемого участка затравки из кремния природного изотопного состава к массе расплавленной зоны.

Значения U и g были подобраны опытным путем. Очевидно, чем меньше эти величины, тем меньше будет изотопное разбавление кристалла изотопнообогащенного вещества и тем меньше расход дорогостоящего материала на изготовление затравки. Значения упомянутых величин подбираются экспериментально с учетом технических характеристик установки для зонной плавки.

На полученную монокристаллическую затравку выращивают монокристалл изотопнообогащенного кремния любым известным методом.

Новым в способе является изготовление монокристаллической затравки, при этом существенное значение имеет ее длина L, определяемая по формуле (1), на которую выращивают монокристалл изотопнообогащенного кремния.

Использование затравки длиной L, определяемой по формуле (1), обеспечивает решение поставленной задачи - выращивание монокристалла с минимальным, заранее заданным и контролируемым изотопным разбавлением. При длине затравки меньше, чем определяемая по формуле, изотопное разбавление монокристалла выше допустимого. Более длинную затравку использовать нецелесообразно, т.к. это приводит к неоправданному расходу дорогостоящего изотопнообогащенного вещества.

Пример 1

Для выращивания монокристалла изотопнообогащенного кремния-28 используют затравку из кремния природного изотопного состава с содержанием изотопа кремния-28 92,23%. Диаметр затравки составляет 6 мм. В исходном поликристалле изотопнообогащенного кремния-28 содержание 28-го изотопа составляло 99,99%. Посредством индукционного нагрева концы затравки из кремния природного изотопного состава и поликристалла изотопнообогащенного кремния-28 сплавляют с образованием зоны расплава U длиной 10 мм. Отношение массы подплавляемого участка затравки из кремния природного изотопного состава к массе расплавленной зоны g составляет 0,5. Для минимизации изотопного разбавления была задана концентрация изотопа кремния-28 на конце затравки, равная 99,98%. Согласно расчетам по формуле (1) такая концентрация изотопа кремния-28 достигается на расстоянии 60 мм от конца затравки из кремния природного изотопного состава. Путем перемещения поликристаллического слитка и затравки из кремния природного изотопного состава относительно индуктора расплавленную зону перемещают вдоль поликристаллического слитка на расстояние 60 мм. При этом выращивают монокристаллический стержень диаметром 5 мм и длиной 60 мм с градиентом изотопного состава по длине. На конце выращенного стержня значение концентрации изотопа кремния-28, определенное масс-спектрометрическим методом, составляет 99,98%, что полностью согласуется с расчетом по формуле (1). Затем, используя его в качестве затравки, выращивают целевой монокристалл изотопнообогащенного кремния. Результаты измерения изотопного состава полученного целевого монокристалла изотопнообогащенного кремния-28 показали, что содержание основного изотопа в нем составляет 99,99%, что соответствует его содержанию в исходном поликристалле. Предлагаемый способ может быть использован для выращивания монокристаллов изотопнообогащенного германия, сплавов кремний-германий, изотопнообогащенных металлов.

Способ выращивания монокристаллов изотопно-обогащенного кремния на монокристаллическую затравку, отличающийся тем, что затравку длиной L изготавливают методом бестигельной зонной плавки, при этом зону расплава создают сплавлением концевой части монокристаллической затравки из кремния природного изотопного состава с концевой частью поликристаллического слитка изотопно-обогащенного кремния, а затем продвигают вдоль поликристаллического слитка изотопно-обогащенного кремния на расстояние L, соответствующее длине затравки и определяемое по формуле

где U - длина расплавленной зоны,
Cⁱ - концентрация изотопа в поликристаллическом слитке изотопно-обогащенного кремния,
Cⁿ - концентрация изотопа в затравке из кремния природного изотопного состава,
С - требуемая концентрация изотопа на конце затравки,
g - отношение массы расплавленного участка затравки из кремния природного изотопного состава к массе расплавленной зоны.