Устройство для выращивания монокристаллов

 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов из расплавов или раствор-расплавов. Монокристаллы выращивают на вращающуюся затравку с одновременным вращением тигля при создании градиента температуры в зоне роста кристалла и непосредственном и активном формировании конвекционной структуры во всем объеме расплава или раствор-расплава. Формирование принудительной конвекции расплава или раствор-расплава в зоне роста кристалла обеспечивается установлением соосно тиглем формообразователя-мешалки (ФМ) , выполненного в виде сочлененных цилиндра-формообразователя и многолопастной мешалки. При этом ФМ выполнен с возможностью перемещения внутри тигля до погружения лопастей мешалки и части цилиндра в расплав/ раствор-расплав. Применение данного устройства позволяет выращивать кристаллы ВВС длиной более 20 мм без признаков ячеистого роста. 2 ил.

Изобретение относится к области роста кристаллов из расплавов и раствор-расплавов на затравку.

Известен способ выращивания монокристаллов методом Чохральского, применяемый для выращивания монокристаллов многих материалов из расплавов[1]. Выращивание кристалла проводят на монокристаллическую затравку, прикрепленную к штоку механизма вращения и вытягивания кристалла. Кристалл вытягивают из расплава, находящегося в ростовом тигле. Расплавление вещества в тигле достигается использованием омического или индукционного нагрева.

Применение конфигурации данного способа к выращиванию кристаллов из растворов-расплавов было развито в работе [2] и получило название top-seeded Solution growth (TSSG) метода.

Довольно часто наряду с вращением кристалла применяется вращение ростового тигля.

Основными технологическими параметрами, оптимизацией которых для каждого конкретного материала достигается получение как можно более высококачественных кристаллов, являются следующие: 1) Осевые и радиальные градиенты температуры в кристалле и в расплаве.

2) Скорость вытягивания кристалла.

3) Скорости и направление вращения кристалла и ростового тигля.

4) Радиусы кристалла и ростового тигля.

5) Высота расплава (раствора-расплава) в ростовом тигле.

6) Изменение мощности на нагревателе в процессе выращивания кристалла.

Известен способ выращивания нелинейно-оптического кристалла бета-фазы метабората бария ( β- BaB₂O₄ или BBO) [3]. Выращивание ведут в конфигурации метода Чохральского TSSG методом с или без вытягивания. Начальный состав раствор-расплава: 80 ат. % BaB₂O₄, 20 ат.% Na₂O. Скорости вращения затравки: 2-16 об/мин; вытягивание кристалла: 0-1,43 мм/сут; охлаждение: 2,4-10,1 град/сут. В работе сообщается, что был достигнут максимальный размер оптически качественного кристалла по толщине 15 мм вдоль оптической оси. Затем начинал проявляться ячеистый механизм кристаллизации, сопровождающийся обильным захватом включений, делающих кристалл непригодным для практического использования.

В работе [4] сообщается о получении кристаллов BBO толщиной 18 мм. Иногда удается избежать проявления ячеистого роста при данном способе выращивания до толщины 18-20 мм, оптимизируя градиенты температуры в ростовой печи, скорости охлаждения, вращения и вытягивания кристалла.

Однако более длинные кристаллы получить невозможно. Это объясняется образованием локальной замкнутой циркуляционной зоны в подкристальной области, в которой происходит накопление вредных примесей и, в которую ограничивается приток кристаллизующегося материала. Конвективное движение жидкости зависит как от значений вышеназванных параметров, так и от теплофизических свойств данной конкретной жидкости.

Исследованию тепло- гидродинамики расплава в геометрии метода Чохральского посвящено большое количество публикаций. Как правило, это очень сложные явления, изменяющиеся в процессе выращивания кристалла. Возможность возникновения замкнутых циркуляционных ячеек в локальных областях ростового тигля с ограниченной смешиваемостью друг с другом показана, например, в работе [5]. Это приводит к понижению однородности расплава или раствор-расплава при выращивании кристаллов TSSG методом.

При выращивании некоторых материалов (например, боратов) из раствор-расплавов, обладающих высокими значениями динамической вязкости, конвективное движение жидкости проявляется в очень малой степени. Вследствие недостаточной перемешиваемости нарушается однородность раствор-расплава, что может приводить к гравитационной или иной дифференциации, а получение кристаллов становится проблематичным или невозможным. Например, концентрационно - гравитационная дифференциация расплава при выращивании кристаллов LiNbO₃ в гидродинамическом аспекте рассмотрена в работе [6]. Как правило, выращивание кристаллов из вязких расплавов и растворов-расплавов ведется с очень низкими скоростями кристаллизации.

Известны различные способы управляющих воздействий на процессы тепломассопереноса при выращивании монокристаллов вытягиванием из расплавов раствор-расплавов на вращающуюся затравку с одновременным вращением тигля с расплавом при создании градиента температуры в зоне роста кристалла [7].

Известен метод accelerated crucible rotation technique (ACPT) [8] возбуждения вынужденной конвекции, основанный на знакопеременном вращении ростового тигля с периодическими ускорениями и замедлениями.

Недостатком метода можно считать формирование сложной 4-ячеистой ( в профиле) конвекции, как показано в работе [9]. А также то, что возбуждение конвекции этим методом в системах с большой динамической вязкостью жидкости будет затруднено или потребует очень высоких скоростей вращения.

Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее затравку, прикрепленную к штоку механизма вращения и вытягивания кристалла, многозонную ростовую печь, расположенную соосно с ростовым тиглем, установленным на пьедестале штока механизма вращения и вертикального перемещения (А.Я.Нашельский. Производство полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1982, с. 265-275).

Для воздействия на гидродинамическую структуру расплава вносят конструктивные изменения в область течения расплава путем использования плавающего тигля, двойного тигля, фильер, мембран.

Однако предлагаемые методы воздействия на процессы тепломассопереноса и конструктивные усовершенствования носят пассивный характер и практически не решается проблема активного и управляемого тепло- массопереноса в расплаве.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в организации принудительного перемешивания расплава или раствора-расплава в геометрии метода Чохральского или TSSG метода выращивания кристаллов из расплавов или раствор-расплавов, соответственно, что обеспечивает вовлечение в конвективное движение всего объема расплава/ раствор-расплава.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для выращивания монокристаллов из расплавов раствор-расплавов на затравку, прикрепленную к штоку механизма вращения и вытягивания кристалла, включающее многозонную ростовую печь, расположенную соосно с ростовым тиглем, установленным на пьедестале штока механизма вращения и вертикального перемещения, дополнительно соосно тиглю устанавливают формообразователь-мешалку (ФМ), выполненную в виде сочлененных цилиндра-формообразователя, прикрепленного к верхней части ростовой печи, и многолопастной мешалки, причем формообразователь-мешалка и ростовой тигель выполнены с возможностью перемещения формообразователя-мешалки внутри тигля до погружения лопастей мешалки и части цилиндра формообразователя в расплав/раствор-расплав.

При вращении ростового тигля относительно неподвижного ФМ в ростовом тигле инициируется принудительная конвекция, охватывающая весь объем жидкости. (Возможен вариант вращения ФМ относительно неподвижно расположенного ростового тигля. Но этот вариант представляется более сложным для технической реализации).

На фиг. 1 представлена конструкция ростовой установки; на фиг. 2 - конструкция формообразователя-мешалки.

Конструкция установки и способа выращивания монокристаллов проиллюстрированы на примере выращивания бората бария (BaB₂O₄) из раствора в расплаве Na₂O.

На пьедестале (1) штока (2) нижнего механизма вращения и вертикального перемещения (3) установлен ростовой P_t тигель (4) диаметром и высотой 100 мм. Тигель заполнен на 3/5 исходной шихтой, содержащей 80± 1,5 мол.% BaB₂O₄ и 20 ± 1,5 мол.% Na₂O. Трехзонная (I-III) цилиндрическая ростовая печь (5) с омическим нагревом установлена соосно с ростовым тиглем. Нижняя I и средняя II зоны управляются независимыми терморегуляторами, датчиками для которых служат P_t - P_t/10% R_h термопары. Температура в верхней зоне III поддерживается отдельным терморегулятором по сигналу дифференциальной термопары, спаи которой расположены в средней и верхней зонах. Такое включение обеспечивает постоянство осевого градиента температуры в зоне роста кристалла. В верхней части печи на растяжках закреплена изготовленная из платины формообразователь-мешалка (6) с внешним диаметром 80 мм.

Формообразователь-мешалка (фиг. 2) в верхней части выполнен в виде цилиндра (7) - формообразователя. Нижняя часть формообразователя - это мешалка, состоящая из нескольких, в данном случае - трех наклонно расположенных и направленных внутрь лопастей (8) закрепленных между цилиндром (7) сверху и кольцом жесткости (9) такого же диаметра снизу. Сверху над печью (5) расположен механизм вращения и вертикального перемещения кристалла (10), к штоку (11) которого прикреплена монокристаллическая затравка (12).

Исходное положение ростового тигля (4) - нижнее (фиг. 1а). После расплавления вещества, находящегося в ростовом тигле, последний поднимается так, чтобы лопасти (8) и часть цилиндра (7) формообразователя-мешалки оказались погруженными в жидкость (фиг. 1б). (Возможен и другой равноценный конструктивный вариант когда ростовая печь (5) вместе с ФМ (6) перемещается вниз до погружения лопастей и части цилиндра ФМ в расплав или раствор-расплав).

При неподвижном ростовом тигле картина конвективных потоков на поверхности раствора-расплава представляет собой трех-шестилучевую звезду, образованную сходящимися в некоторой точке темными полосами, берущими начало у внутренней поверхности цилиндра ФМ. Точка схождения лучей блуждает в центральной области ростового тигля.

Затем ростовому тиглю сообщается вращательное движение. На поверхности раствора-расплава возникает стационарная картина конвективных потоков - трехлучевая звезда (по числу лопастей ФМ) с фиксированным положением точки схождения в центре ростового тигля. В ростовой печи устанавливается температура на 2 - 3 градуса превышающая температуру равновесия плавление - кристаллизация в точке схождения лучей - самой холодной точке на поверхности раствора - расплава. Затем вращающаяся затравка соприкасается с поверхностью раствора-расплава в этой точке. После достаточной адаптации затравки к раствору-расплаву и небольшого ее подплавления ведут выращивание кристалла 10, изменяя температуру в ростовой печи и вытягивая кристалл по определенным законам.

Эффекты на поверхности раствора-расплава, а также процесс затравления и роста кристалла можно наблюдать визуально через смотровые окна в крышке 13 ростовой печи с подсветкой при помощи осветителя 14.

Применение данного устройства позволяет выращивать кристаллы ВВО длиной более 20 мм без признаков ячеистого роста.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующее главное преимущество- позволяет непосредственно и активно влиять на процессы тепломассопереноса, которые являются определяющими для получения высококачественных кристаллов, вести весь цикл выращивания кристалла в условиях однообразного движения расплава/раствор-расплава в ростовом тигле. При этом, вследствие активного перемешивания, соблюдается однородность расплава или раствора -расплава в течение всего процесса. Формирование непосредственно и активно принудительной конвекции расплава/раствор-расплава в зоне роста кристалла не способствует накоплению вредных примесей у фронта кристаллизации и их включению в структуру кристалла.

Очевидно, что данное устройство может найти применение при выращивании многих материалов как методом Чохральского, так и TSSG методом, особенно из вязких многокомпонентных растворов-расплавов. Естественно, что конкретное применение устройства для получения того или иного материала будет нуждаться в оптимизации как перечисленных в описании параметров, так и конструкции ФМ (размера цилиндра, степени его погружения в расплав/раствор-расплав, числа, формы и угла атаки лопастей).

Предлагаемое устройство предоставляет исследователям широкие возможности по формированию конвекции определенного вида в расплаве или раствор-расплаве. Здесь открывается широкий фронт исследований как в области реальных процессов роста кристаллов, так и методами физического и численного моделирования.

Формула изобретения

Устройство для выращивания монокристаллов из расплавов или раствор-расплавов на затравку, включающее многозонную ростовую печь, расположенную соосно с ростовым тиглем, установленным на пьедестале штока механизма вращения, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено формообразователем-мешалкой, установленным соосно с тиглем и выполненным в виде сочлененных цилиндра-формообразователя, прикрепленного к верхней части ростовой печи, и многолопастной мешалки, причем формообразователь-мешалка и ростовой тигель выполнены с возможностью перемещения формообразователя-мешалки внутри тигля до погружения лопастей мешалки и части цилиндра формообразователя в расплав или раствор-расплав.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2