Устройство для выращивания кристаллов вертикальным методом бриджмена

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов полупроводников вертикальным методом Бриджмена. Устройство содержит корпус 1 с размещенной внутри него теплоизоляцией 2, два последовательно установленных нагревателя 3, 5 и тигель 6 с рабочей камерой, имеющий возможность осевого перемещения, при этом устройство дополнительно содержит третий - средний нагреватель 4 высотой hс, установленный в зазоре между теплоизоляцией 2 и нагревателями 3, 5, имеющими одинаковые внутренние dв и внешние dн диаметры, симметрично плоскости соприкосновения нижнего 5 и верхнего 3 нагревателей, причем общая высота hвн верхнего 3 и нижнего 5 нагревателей составляет 1,5Н-2Н, внутренний диаметр dв - 1,1D-1,2D, внешний диаметр dн - 1,4D-1,5D, а высота третьего нагревателя hс составляет 0,25Н-0,5Н, его внутренний диаметр Dв - 1,55D-1,65D, и внешний диаметр Dн - 1,85D-1,95D, где Н - высота рабочей камеры тигля, a D - внешний диаметр тигля. Изобретение позволяет получать кристаллы высокого качества за счет обеспечения равномерного и регулируемого температурного поля в области контакта нагревателей. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов полупроводников и других кристаллических материалов.

Известны устройства для выращивания кристаллов вертикальным методом Бриджмена, содержащие 2-4 нагревателя для создания заданного градиента температуры, которые расположены соосно с тиглем, содержащим затравочный кристалл и расплав (US 20050076827 A1, US 20070151510 A1, RU №2357021, RU №2199615). В известных устройствах недостатком является снижение температуры в области соприкосновения нагревателей. В этой области теплового узла изменяется градиент температуры в расплаве и на границе раздела фаз, что может привести к поликристаллическому росту.

Наиболее близким по конструктивным особенностям к предлагаемому изобретению является устройство, защищенное патентом США US 5116456 (МПК С30В 11/02, опубликовано 26 мая 1992 г.). Это устройство для выращивания кристаллов вертикальным методом Бриджмена, содержит корпус с размещенной внутри него теплоизоляцией, два последовательно размещенных нагревателя и тигель, установленный с возможностью осевого перемещения. При этом верхняя секция нижнего нагревателя частично перекрывает нижнюю секцию верхнего нагревателя (внутренний диаметр верхнего нагревателя больше внешнего диаметра нижнего нагревателя).

Недостатком этого устройства является локальный перегрев расплава в области перекрытия названных секций нагревателей, что отрицательно влияет на качество выращиваемого кристалла.

Задачей изобретения является обеспечение равномерного и регулируемого температурного поля в области контакта нагревателей.

Техническим результатом является получение кристаллов высокого качества.

Указанные техническая задача и результат достигаются благодаря тому, что в устройстве для выращивания кристаллов вертикальным методом Бриджмена, содержащем корпус с размещенной внутри него теплоизоляцией, два последовательно установленных нагревателя и тигель, имеющий возможность осевого перемещения, дополнительно размещен третий нагреватель высотой h установленный между теплоизоляцией и зазором нагревателей, имеющих одинаковые внутренний и внешний диаметры, симметрично плоскости стыковки нижнего и верхнего нагревателей. При этом общая высота верхнего и нижнего нагревателей составляет 1,5Н-2Н, внутренний диаметр 1,1D-1,2D, внешний диаметр 1,4D-1,5D, а высота третьего нагревателя h составляет 0,25Н-0,5Н, его внутренний диаметр 1,55D-1,65D и внешний диаметр 1,85D-1,95D, где Н-высота рабочей камеры тигля, a D внешний диаметр тигля.

Сущность изобретения поясняется схемой на фиг.

Устройство содержит корпус 1 со слоем внутренней изоляции 2 и три нагревателя - верхний нагреватель 3, средний нагреватель 4 и нижний нагреватель 5. Указанные нагреватели образуют тепловой узел устройства. Внутри ростовой камеры, образованной верхним и нижним нагревателями, размещен с возможностью осевого перемещения тигель 6. Внутри тигля, имеющего внешний диаметр D и высоту рабочей камеры-полости Н, размещается шихта 7 и затравочный кристалл 8. Все устройство смонтировано на подставке 9.

Верхний 3 и нижний 5 нагреватели одинаковой высоты установлены соосно с тиглем 6 один над другим с зазором от 1 до 3 мм, что обусловлено конструкцией нагревателей. Высота heH нагревателей 3 и 5 больше высоты Н тигля 6 в 1,5-2 раза в связи с тем, что цилиндрические нагреватели такой формы в нижней и верхней части близкой к торцам, имеют температуру на 20-30% ниже, чем в средней части. Поэтому величина высоты нагревателей равная 1,5 является минимальным предельным значением. Увеличение высоты нагревателей более чем в 2 раза приведет к увеличению затрат на изготовление нагревателя за счет расхода материалов и затрат электроэнергии в процессе роста монокристаллов.

Внутренний диаметр dв нагревателей 3 и 5 больше диаметра D тигля 6 в 1,1-1,2 раза, а внешний dн больше диаметра тигля 6 в 1,4-1,5 раза. При внутреннем и внешнем диаметрах нагревателей менее 1,1 и 1,4, соответственно, возникает неоднородность теплового поля за счет конструктивных особенностей резистивного нагревателя, что увеличивает неоднородность температуры по сечению кристаллического слитка. Увеличение внутреннего и внешнего диаметров нагревателей более 1,2 и 1,5 раза, соответственно, требует повышения мощности нагревателей за счет увеличения расстояния между нагревателем и контейнером, что значительно повышает расход электроэнергии и требует дополнительной теплоизоляции внешней поверхности нагревателей.

Средний (третий) нагреватель 4 установлен снаружи области соприкосновения верхнего 3 и нижнего 5 нагревателей, благодаря чему не снижается температура в этой области и обеспечивается равномерное температурное поле в области контакта двух нагревателей теплового узла. Высота hc среднего нагревателя 4 соответствует 0,25-0,5 высоты тигля Н. При меньшей высоте нагреватель не обеспечивает подогрев контактной области вследствие того, что эти торцевые области имеют температуру на 20-30% ниже центральной части. При большей высоте нагревателя будет создаваться повышенная температура по сечению контейнера в торцевых областях среднего нагревателя.

Средний нагреватель располагается симметрично относительно области соприкосновения между нагревателями 3 и 5. Определенное перекрытие средним нагревателем 4 концов верхнего и нижнего нагревателей позволяет избежать чрезмерного снижения и повышения температуры в этих областях. Внутренний диаметр Dв среднего нагревателя 4 больше диаметра D тигля 6 в 1,55-1,65 раза, а внешний диаметр среднего Dн больше диаметра D тигля в 1,85-1,95 раза. Уменьшение внутреннего диаметра менее 1,55 раза ограничивается диаметрами нагревателей 3 и 5 в связи с конструктивными особенностями резистивного нагревателя за счет отклонения величины диаметра. Превышение внутреннего диаметра среднего нагревателя более, чем в 1,65 раза приведет к увеличению требуемой мощности нагревателей за счет увеличения расстояния между нагревателем и контейнером, что значительно повысит расход электроэнергии. Уменьшение внешнего диаметра среднего нагревателя менее 1,85 раза из-за конструктивных особенностей резистивного нагревателя не позволит создать равномерное температурное поле в поперечном сечении нагревателей. Увеличение внешнего диаметра среднего нагревателя 4 более чем в 1,95 раза приведет к увеличению расхода материалов, электроэнергии и сложности регулирования температуры.

Подставка контейнера 9 обеспечивает фиксацию тигля с затравочным кристаллом и расплавом на заданной высоте внутри теплового узла, а также способствует отводу тепла от нижней части выращиваемого кристалла. Тигель выполнен в форме цилиндра с плоским дном, благодаря чему достигается устойчивость на подставке 9 и не допускается соприкосновение стенки тигля с нагревательным элементом, что может привести к локальному перегреву расплава в этой области, повышенному дефектообразованию и росту поликристаллического материала.

Устройство функционирует следующим образом.

В тигель 6 загружают затравочный монокристалл 8, а сверху него шихту с поликристаллическим материалом заданного состава. Тигель 6 с затравочным монокристаллом и поликристаллическим материалом устанавливают внутри теплового узла таким образом, чтобы затравка располагалась в нижней части нижнего нагревателя в той его области, в которой обеспечивается условие частичного оплавления верхней части монокристаллической затравки в процессе затравления. После фиксации тигля внутри теплового узла и создания в ростовой камере необходимой атмосферы и давления к нижнему 5 и верхнему 3 нагревателям подается напряжение. Подводимое напряжение увеличивается постепенно, чтобы обеспечить медленный рост температуры загруженного материала. Увеличение температуры должно происходить со скоростью 3-10°С/мин для медленного нагрева и расплавления шихты, предотвращающего увеличение внутренних напряжений в твердой фазе и перегрев расплава. Напряжение вначале подается на нижний 5 и затем на верхний нагреватель 3 до достижения заданной температуры плавления материала. Температуры нижнего и верхнего нагревателей должны соответствовать заданному осевому градиенту температуры. После достижения заданных температур нижнего и верхнего нагревателей для выравнивания температурного профиля в области соприкосновения названных нагревателей на средний нагреватель 4 подают электрическое напряжение, обеспечивающее температуру в этой области, соответствующую заданному осевому градиенту температуры. После расплавления поликристаллического материала и частичного оплавления верхней части затравочного монокристалла производится плавное снижение температуры нагревателей, в результате чего происходит кристаллизация расплава и рост монокристалла от затравки вдоль оси контейнера.

Пример осуществления изобретения

Для выращивания монокристаллов состава Ge:Ga (1019 ат/см3) диаметром 30 мм на дно контейнера загружали затравочный монокристалл германия диаметром 30 мм и высотой 15 мм. Затем загружали шихту -кусковой поликристаллический германий массой 450 г. Контейнер устанавливали внутри теплового узла таким образом, что верхний торец затравочного кристалла находился на высоте 45 мм от нижней кромки нижнего нагревателя. После фиксирования контейнера ростовую камеру вакуумировали до давления 10-3 Па. После достижении заданной величины вакуума в ростовой камере подавали напряжение вначале на нижний и затем на верхний нагреватели для достижения температуры расплава до 950°С, которая выше температуры плавления материала равной 937°С. Подводимое напряжение увеличивали таким образом, чтобы повышение температуры происходило со скоростью 3-10°С/мин. Когда заданная температура расплава была достигнута на средний нагреватель подавалось электрическое напряжение, обеспечивающее температуру в этой области, соответствующую заданному осевому градиенту температуры около 60 К/см. Производили выдержку расплава при температуре 950°С в течение 1 часа. Затем производили охлаждение расплава с заданным осевым градиентом температуры при скорости охлаждения около 1,0 К/мин. В результате получен монокристалл Ge, легированный Ga, с фронтом кристаллизации близким к плоскому.

Проведенные эксперименты по выращиванию кристаллов в предлагаемом устройстве подтверждают его промышленную применимость.

Устройство для выращивания кристаллов вертикальным методом Бриджмена, содержащее корпус с размещенной внутри него теплоизоляцией, два последовательно установленных нагревателя и тигель с рабочей камерой, имеющий возможность осевого перемещения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий нагреватель высотой hс, установленный в зазоре между теплоизоляцией и нагревателями, имеющими одинаковые внутренние и внешние диаметры, симметрично плоскости соприкосновения нижнего и верхнего нагревателей, причем общая высота верхнего и нижнего нагревателей составляет 1,5Н-2Н, внутренний диаметр - 1,1D-1,2D, внешний диаметр - 1,4D-1,5D, а высота третьего нагревателя hс составляет 0,25Н-0,5Н, его внутренний диаметр - 1,55D-1,65D, и внешний диаметр - 1,85D-1,95D, где Н - высота рабочей камеры тигля, a D - внешний диаметр тигля.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области выращивания монокристаллов германия из расплава. Сущность изобретения заключается в осуществлении извлечения шлаков (окисные пленки) с поверхности расплава, а также и со стенок тигля ниже уровня расплава германия в тигле.

Изобретение относится к технологии выращивания профилированных монокристаллов германия из расплава, применяемых в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений, для изготовления элементов оптических и акустооптических устройств ИК-диапазона – линз и защитных окон объективов тепловизионных приборов, лазеров на окиси углерода, а также для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов германия методом Чохральского для оптических применений. Способ включает выращивание кристаллов германия из расплава, содержащего основную легирующую примесь - сурьму и дополнительную - кремний, в количестве от 1,3⋅1020 см-3 до 3⋅1020 см-3 путем растворения кремниевых стержней в ходе выращивания кристалла.

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при получении особо чистого германия методом зонной плавки. При нанесении защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля в качестве покрытия используют GeO2, образующийся путем пропускания через закрытый холодный тигель газообразного GeO, нагретого до 850-1000°С, после чего тигель открывают и нагревают в атмосфере воздуха до 850-1000°С, затем тигель выдерживают при тех же температурах в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия.

Изобретение относится к технологии получения оптических изделий из германия путем выращивания монокристаллов германия из расплава в форме профильных изделий в виде выпукло-вогнутых заготовок, которые после обработки могут быть использованы для изготовления линз инфракрасного диапазона.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия из расплава в форме диска и может быть использовано для изготовления объективов в устройствах обнаружения инфракрасного излучения.
Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия из расплава методом Чохральского для изготовления оптических и акустооптических элементов инфракрасного диапазона длин волн, применяемых в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений и для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей.

Изобретение относится к оборудованию для выращивания монокристаллов методом Чохральского. Устройство включает расположенные в ростовой камере 1 тигель 2 со смежными нагревателем 4 и теплоизоляцией 5, затравкодержатель 3, тепловой полый надтигельный цилиндрический экран 6, выполненный из низкотеплопроводного материала (кварца), который установлен на тигель 2 сверху с возможностью погружения в расплав его нижней части, в стенке которой выполнены сквозные прорези, при этом каждая из нижних кромок прорезей представляет собой линию в виде дуги Архимедовой или логарифмической спирали.

Изобретение относится к металлургии полупроводников, в частности к электронной и металлургической отраслям промышленности, и может быть использовано при производстве монокристаллов германия.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия в форме диска из расплава и может быть использовано для изготовления объективов в устройствах регистрации инфракрасного излучения.

Изобретение относится к системе печи, предназначенной для выращивания кристаллов, которая включает печь 120, содержащую корпус 121 с внутренней полостью (Vi), формирующей зону нагрева, при этом корпус 121 печи имеет сквозной проход 124, соединяющий внутреннюю полость (Vi) со средой, окружающей корпус 121, тигель 110 для выращивания кристалла, установленный во внутренней полости (Vi), теплоизоляционную заглушку 101, которая может быть введена с возможностью перемещения в сквозной проход 124 для регулирования отвода тепла из тигля 110 посредством излучения, причем теплоизоляционная заглушка 101 не находится в передающем силу контакте с тиглем 110, и опорную пластину 106, изготовленную из материала с высокой удельной теплопроводностью, имеющего коэффициент теплопередачи больше чем 90 Вт/(м⋅К), и установленную между нижней поверхностью 112 тигля 110 и опорной зоной 123.

Изобретение относится к области получения кристаллов на основе твердых растворов бромида серебра (AgBr) и иодида одновалентного таллия (TlI). Кристаллы прозрачны от видимой до дальней инфракрасной (ИК) области спектра (0,5-67,0 мкм), пластичны, не обладают эффектом спайности, поэтому из них изготавливают методом горячего прессования оптические изделия (линзы, окна, пленки) и получают методом экструзии микроструктурированные световоды для среднего ИК-диапазона (2,0-25,0 мкм).

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционного кристаллического материала для детекторов излучения, используемых для приборов позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), рентгеновской компьютерной томографии (КТ), различных радиметров в области физики высоких энергий, ресурсодобывающих приборов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии производства магнитных сплавов системы железо-алюминий-никель-кобальт, применяемых для получения постоянных магнитов электродвигателей и навигацинных устройств.

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов многокомпонентных фторидов со структурой флюорита в системах MF2-CeF3, которые широко используются в оптике, фотонике, физике высоких энергий.

Изобретение относится к области литья и, в частности, к модели (12) для литья по разовой модели, выполненной в форме лопатки газотурбинного двигателя с хвостовиком (15) и пером (14) с обеих сторон полки (20), которая перпендикулярна основной оси лопатки.

Изобретение относится к области техники, связанной с выращиванием кристаллов из расплавов методом горизонтально направленной кристаллизации (ГНК), которые широко используются в качестве сцинтилляторов для детекторов ионизирующего излучения, лазерных кристаллов и элементов оптических приборов, работающих в широкой спектральной области от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона длин волн.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллических материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам - ПЛЗ).

Изобретение относится к новым неорганическим кристаллическим сцинтилляционным материалам на основе бромида лантана, легированного церием, и может быть использовано для регистрации ионизирующего излучения – гамма-квантов, рентгеновского излучения, космических излучений, элементарных частиц в фундаментальной физике, технике и медицине.

Изобретение относится к устройствам для получения монокристаллов тугоплавких фторидов горизонтальной направленной кристаллизацией из расплава. Устройство содержит вакуумную камеру 1 с размещенным в ней тепловым узлом 2, состоящим из углеграфитовых теплоизолирующих модулей 3, верхнего 4 и нижнего 5 нагревателей и тепловых экранов 15, графитового контейнера 6 с шихтой кристаллизуемого материала, установленного с возможностью перемещения в вакуумной камере 1, штуцеров подачи инертного газа 10 и системы вакуумирования и/или откачки газообразных продуктов 9, смотрового окна 11, при этом верхний плоский ленточный нагреватель Г-образной формы 4 и нижний ленточный нагреватель П-образной перевернутой формы 5 выполнены в виде единых с шинами графитовых моноблоков, односторонне закрепленных с водоохлаждаемыми токовводами вакуумной камеры с помощью разъемного соединения.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов полупроводников вертикальным методом Бриджмена. Устройство содержит корпус 1 с размещенной внутри него теплоизоляцией 2, два последовательно установленных нагревателя 3, 5 и тигель 6 с рабочей камерой, имеющий возможность осевого перемещения, при этом устройство дополнительно содержит третий - средний нагреватель 4 высотой hс, установленный в зазоре между теплоизоляцией 2 и нагревателями 3, 5, имеющими одинаковые внутренние dв и внешние dн диаметры, симметрично плоскости соприкосновения нижнего 5 и верхнего 3 нагревателей, причем общая высота hвн верхнего 3 и нижнего 5 нагревателей составляет 1,5Н-2Н, внутренний диаметр dв - 1,1D-1,2D, внешний диаметр dн - 1,4D-1,5D, а высота третьего нагревателя hс составляет 0,25Н-0,5Н, его внутренний диаметр Dв - 1,55D-1,65D, и внешний диаметр Dн - 1,85D-1,95D, где Н - высота рабочей камеры тигля, a D - внешний диаметр тигля. Изобретение позволяет получать кристаллы высокого качества за счет обеспечения равномерного и регулируемого температурного поля в области контакта нагревателей. 1 ил., 1 пр.

Наверх