Устройство для выращивания монокристалла германия методом чохральского

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. Технический результат заключается в снижении и стабилизации радиального температурного градиента по фронту кристаллизации и внутри монокристалла и, в целом, повышении качества выращиваемого монокристалла германия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к оборудованию в области цветной металлургии и предназначено для выращивания монокристаллов германия методом Чохральского.

Существует проблема поддержания однородности температурных параметров роста монокристалла посредством стабилизации теплопереноса, в т.ч. сокращение и стабилизация радиального температурного градиента.

Например, известно изобретение CN 101063227 (A) Technique and arrangement for low dislocations germanium mono-crystal with crucible lowering down czochralski method/Оборудование и технология для низкодислокационного монокристалла германия по методу Чохральского с опускающимся тиглем. Классическая установка метода Чохральского с обогреваемым тиглем и затравкодержателем, расположенным в теплоизолирующей ростовой камере, оборудована дополнительным нижним горизонтальным нагревателем с возможностью опускания тигля.

Одним из направлений сокращения и стабилизации радиального температурного градиента является оборудование установки (печного агрегата) для выращивания монокристаллов методом Чохральского горизонтальными надтигельными тепловыми экранами.

Прототипом изобретения является устройство для выращивания монокристаллов полупроводников методом Чохральского, техническим результатом которого является снижение дислокационных процессов (RU 2102540 Устройство для выращивания монокристаллов). Устройство включает тигель с коаксиальными нагревателем и теплоизоляцией, а также затравкодержатель и дополнительный тепловой экран, расположенные в камере роста. Дополнительный тепловой экран в виде полого цилиндра установлен над тиглем. Верхняя часть дополнительного экрана закреплена на затравкодержателе, а нижняя имеет горизонтальную крышку, открывающуюся при перемещении затравкодержателя.

Недостаточный эффект экранирования теплового поля обусловливает потери лучистой энергии расплава, а также недостаточное снижение тепловых градиентов.

Задачей изобретения является снижение тепловых потерь, снижение и стабилизация теплового градиента монокристалла.

Задача решается тем, что в устройстве для выращивания монокристалла германия методом Чохральского, включающем расположенные в ростовой камере тигель со смежными коаксиальными нагревателем и теплоизоляцией, а также затравкодержатель и тепловой надтигельный цилиндрический экран, согласно изобретению тепловой полый экран установлен на тигель сверху с возможностью погружения его нижней части в расплав германия. В стенке нижней части указанного погружного теплового экрана выполнены сквозные прорези. Каждая из нижних кромок прорезей представляет собой линию в виде дуги Архимедовой или логарифмической спирали. Верхняя кромка погружного теплового экрана выполнена в виде опорной обечайки, выступающей наружу. Погружной тепловой экран выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например кварца.

Техническим результатом изобретения является сокращение потерь лучистой энергии слитка и расплава, создание необходимой величины перегрева, снижение и стабилизация радиального температурного градиента по фронту кристаллизации и внутри монокристалла, сокращение возможности дендритного роста на поверхности расплава и образования дефектов структуры - дислокаций - вследствие установки на тигель теплового низкотеплопроводного экрана и погружения его в расплав для свободной циркуляции расплава в тигле через прорези, что, в целом, способствует повышению качества выращиваемого монокристалла германия.

Общий вид устройства представлен на фиг. 1 в разрезе, на фиг. 2 - тепловой экран погружной в трехмерном измерении (3D). Устройство состоит из следующих элементов:

1 - ростовая камера;

2 - тигель;

3 - затравкодержатель;

4 - тигельный доннобоковой нагреватель;

5 - тигельный тепловой экран коаксиальный;

6 - тигельный тепловой экран горизонтальный;

7 - тепловой экран зоны затравки;

8 - тепловой экран погружной;

9 - прорези;

10 - поддон тигельный.

В ростовой камере 1 установлены тигель 2, тигельный доннобоковой резистивный нагреватель 4, тигельный тепловой коаксиальный экран 5. Горизонтальный тигельный экран 6 выполнен с центральным отверстием и присоединен к верхним кромкам коаксиального экрана 5. В верхней части камеры 1 на штоке установлен затравкодержатель 3. На горизонтальный экран 6 установлен коаксиально экран зоны затравки 7. Экран 7 выполнен в виде цельного толстостенного цилиндра или состоящим из нескольких установленных друг на друга секций. Погружной экран 8 представляет собой полый цилиндр, верхняя часть которого выполнена в виде обечайки, выступающей наружу, а в стенке нижней части выполнены сквозные прорези 9. Каждая из нижних кромок стенок прорезей 9 представляет собой линию в виде дуги Архимедовой или логарифмической спирали. Погружной экран 8 укреплен внутри горизонтального тигельного экрана 6, обечайка установлена на верхнюю плоскость экрана 6, нижняя кромка погружного экрана 8 со сквозными прорезями 9 опущена внутрь тигля 2. В нижней части камеры 1 установлен тигельный поддон 10.

Тигель 2 выполнен из графита, погружной экран 8, тепловые экраны 5, 6, 7, поддон 10 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например кварца. Указанное оборудование установлено соосно. Устройство оборудовано системами вакуумно-газовой, охлаждения, управления и контроля.

Устройство работает следующим образом. Готовят устройство для выращивания монокристалла германия. В тигель 2 загружают куски германия. Тигель помещают на дно доннобокового нагревателя 4, монтируют тепловые экраны 6, 8, 7. В затравкодержатель 3 помещают затравку. В ростовой камере 1 создают вакуум 10^-3 мм рт.ст., затем камеру заполняют аргоном и создают давление 0,2 ат. Подают напряжение на тигельный нагреватель 4. Получают расплав германия при температуре 937С. Нижняя кромка погружного экрана 8 с прорезями 9 опущена в расплав. Расплав циркулирует в тигле через прорези 9 вследствие движения тепловых потоков. Вращают шток затравкодержателя 3. Затравку опускают в расплав, вращают и вытягивают монокристалл. Контролируют рабочие параметры: температура нагревателя, скорости вращения и перемещение штока затравкодержателя, диаметр монокристалла. По окончании роста кристалла завершают процесс.

Плотность дислокаций выращиваемого монокристалла германия N_д<300 см^-2, радиальный градиент не более 0,2C/см.

1. Устройство для выращивания монокристалла германия методом Чохральского, включающее расположенные в ростовой камере тигель со смежными нагревателем и теплоизоляцией, а также затравкодержатель и тепловой надтигельный цилиндрический экран, отличающееся тем, что тепловой полый экран, выполненный из низкотеплопроводного материала, установлен на тигель сверху с возможностью погружения в расплав его нижней части, в стенке которой выполнены сквозные прорези, и каждая из нижних кромок прорезей представляет собой линию в виде дуги Архимедовой или логарифмической спирали.

2. Устройство для выращивания монокристалла германия методом Чохральского по п. 1, отличающееся тем, что тепловой экран, установленный на тигель сверху, выполнен из кварца.