Способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по чохральскому

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов парателлурита из расплава методом Чохральского. Выращивание осуществляют из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, при этом после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части проводят при скоростях вращения, значения которых соответствуют числам Рейнольдса 100-150. В указанном режиме на поверхности расплава образуется система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность. Далее с периодом 600-800 с применяют реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания. Равномерное уменьшение скорости вращения, переключение направления вращения, также как и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения, осуществляют за время 200-240 с. Реверсивное вращение приводит к периодическому разрушению застойной области расплава под центральной - приосевой частью поверхности растущего кристалла, что обеспечивает более равномерное распределение примесей и других структурных дефектов по радиусу кристалла. Изобретение позволяет улучшить структурное совершенство и однородность монокристаллов парателлурита и изготавливаемых из них элементов оптических и акустооптических устройств. 2 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому.

Известны метод ускоренного вращения ростовой ампулы (ACRT) - (Accelerated Crucible Rotation Technique), а также близкий к нему по назначению и физической сущности метод реверсивного вращения кристалла в тигле, в настоящее время применяющиеся при получении монокристаллов широкого класса соединений различными способами [Scheel H.J., Shulz-Du Bois Е.О. Flux growth of accelerated crucible rotation technigue // J. Crystal Growth. 1971. V. 8. P. 304-306.; Shulz-Du Bois Е.О. Accelerated crucible rotation: hydrodynamics and stirring effect // J. Crystal Growth. 1972. V. 12. P. 81-87; Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138]: Бриджмена-Стокбаргера, Чохральского, зонной плавки, раствора в расплаве и др.

Известны также способы, в которых для управления конвекцией расплава при выращивании кристаллов по Чохральскому используется магнитное поле [Патент US 4040895, B01J 17/18, 1977; Современная кристаллография // Под ред. Б.К. Вайнштейна, А.А. Чернова, Л.А. Шувалова М.: Наука, 1980. Т. 3. 346 с.; Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности. М.: Мир. 1991. 143 с.]. Применяется также наложение низкочастотных вибраций на вытягиваемый из расплава кристалл [Верезуб Н.А., Жариков Е.В., Мольдун А.З., Простомолотов А.И., Толочко Н.К. Исследование течения расплава при НЧ вибрациях кристалла в методе Чохральского // Кристаллография. 1996. Т. 41. №1. С. 162-169.; Edited by H.J, Scheel and T. Fukuda. Crystal Growth Technology // John Wiley & Sons. Ltd. 2003. 667 pp.], периодическое включение вращения тигля в сторону, противоположную вращению кристалла (RU №2193079, опубл. 14.04.1999), а также изменение соотношений между скоростями вращения кристалла и тигля [Ремизов О.А. Способ получения монокристаллического кремния. Патент РФ №2278912, 20.01.2005].

Все эти усовершенствования классических способов выращивания направлены на подавление воздействия случайных, плохо контролируемых факторов - таких как нестационарная и нерегулярная конвекция, фоновые гармонические и ангармонические колебания ростовых установок, приводящих к неравномерному захвату примесей и неоднородному распределению примесей и других дефектов структуры кристаллов. И указанные способы являются попыткой организации принудительных контролируемых воздействий на ростовую систему, превосходящих по своему уровню воздействия случайные факторы [Edited by H.J, Scheel and T. Fukuda. Crystal Growth Technology // John Wiley & Sons. Ltd. 2003. 667 pp.]. Достаточно близким по идее к предлагаемому техническому решению является изменение скорости вращения в одну и ту же сторону контейнера с кристаллизуемым веществом от минимального значения (20 об/мин) до максимального (60 об/мин), осуществляемого по пилообразному закону, описанное в [Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138.]. Недостатки всех указанных способов заключаются в том, что создаваемые с их помощью воздействия на расплав и (или) кристалл не дают устойчивых, длительных по времени эффектов, а конвекция расплава остается при их применении нестационарной и нерегулярной. Это приводит к неравномерному захвату примесей материалом и генерации дефектов структуры всех остальных размерностей и, в первую очередь, дислокаций.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому, описанный в патенте RU №2338816, опубл. 03.04.2007, принятый за прототип. В этом способе выращивание монокристаллов из расплава производится из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, и после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=ωr(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с-1); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см2⋅с-1), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава. Способ позволяет улучшить структурное совершенство кристаллов при одновременном увеличении их размеров. Получаемые согласно данному способу кристаллы обладают высокой оптической однородностью, минимальным уровнем рассеяния излучения и имеют минимальные концентрации структурных дефектов. Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что несмотря на малые в целом концентрации различных структурных дефектов в выращиваемых кристаллах парателлурита, распределение дефектов по радиусу кристалла во всей его цилиндрической части не является идеально однородным. Вследствие образования под центральной частью фронта кристаллизации гидродинамически застойной области, занимающей приблизительно 1/5-1/3 от его радиуса, концентрации примесей и других структурных дефектов в соответствующем объеме выращиваемого кристалла оказываются более высокими, чем в остальном объеме кристалла. Это подтверждается данными экспериментальных зависимостей радиального распределения дислокаций, примесей и обусловленных ими рассеивающих включений в кристаллах парателлурита. В ряде случаев радиальные неоднородности распределения примесей могут наблюдаться визуально (фиг. 1).

Целью предлагаемого изобретения является улучшение радиальной однородности структурных характеристик монокристаллов парателлурита, выращенных способом Чохральского.

Данная задача достигается за счет того, что в способе выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, при котором после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=100-150, рассчитанных согласно формуле Re=ωr(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с-1); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см2⋅с-1), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава применяют с периодом 600-800 с реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания, причем равномерное уменьшение скорости вращения, переключение направления вращение и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения осуществляют за 200-240 с.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 представлено проявление радиальной неоднородности распределения примесей в виде рассеивающих включений в центральной области крупногабаритного (диаметр 82 мм) монокристалла парателлурита, выращенного согласно прототипу.

На фиг. 2 представлен график изменения скорости вращения кристалла парателлурита согласно заявляемому способу.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются улучшенные оптическое качество и структурное совершенство монокристаллов парателлурита и увеличенные размеры кристаллов и выход годной продукции.

Согласно изобретению, после установления в тигле с расплавом и вращающимся кристаллом описанного в прототипе гидродинамического режима, соответствующего двум обращающимся в том же направлении вокруг кристалла конвективным ячейкам (вихрям Тейлора) с более холодным расплавом, применяют периодическое реверсивное изменение направления вращения. При этом скорость вращения за определенное время сначала линейно уменьшается до нуля и за такое же время линейно возрастает до прежнего абсолютного значения, но уже в противоположном направлении. Далее в течение некоторого времени скорость вращения не изменяется. Такой режим реверса, согласно принятой терминологии, называется симметрично-трапецеидальным [Дистанов В.Э., Кирдяшкин А.Г. Влияние высоты слоя на тепловую структуру расплава при выращивании монокристаллов методом Стокбаргера с использованием ACRT // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. №3. С. 133-138]. Оптимальные параметры реверса: Τ - период реверса и τ - время, за которое изменяется скорость вращения, - определены экспериментально при испытаниях реверса в ходе процессов выращивания крупногабаритных монокристаллов парателлурита. Наилучшая однородность радиального распределения структурных дефектов (дислокаций, примесей и др.) при сохранении их в среднем малых концентраций, характерных для использования прототипа, достигаются при значениях периода реверса Τ в пределах 600-800 с и значениях τ времени изменения скорости вращения в пределах 200-240 с. Оптимальный режим изменения скорости вращения кристалла парателлурита представлен на фиг. 2.

Примеры применения прототипа и заявляемого способа.

Пример 1. Крупногабаритный монокристалл парателлурита выращивался из расплава по Чохральскому в соответствии со способом-прототипом. При этом применялись следующие параметры процесса:

- Скорость вытягивания - 0,17 мм/час.

- Скорость вращения кристалла - 18 об/мин (при выходе на диаметр 83 мм; 13 об/мин - при росте цилиндрической части були).

- Диаметр тигля - 100 мм.

- Высота тигля - 140 мм.

Технические характеристики монокристалла, полученного согласно прототипу:

- Плотность дислокаций - /4,7-103 см-2;

- Аномальная оптическая двуосность - менее 20';

- Поляризационный оптический контраст на длине 30 мм - 24000;

- Длина кристалла - 57 мм;

- Диаметр кристалла - 83 мм;

- Наличие дефектов структуры: пузырьков и свилей не обнаружены;

- Класс по рассеянию: категории А, В;

- Выход годной продукции (по объему) - 49%.

Пример 2. Крупногабаритный монокристалл парателлурита выращивался согласно предлагаемому изобретению из расплава по Чохральскому в той же ростовой установке. При этом применялись следующие параметры процесса:

- Диаметр тигля - 100 мм;

- Высота тигля - 140 мм;

- Скорость вытягивания -0,17 мм/час;

- Скорость вращения изменялась следующим образом:

- Максимальное значение - 13 об/мин;

- Минимальное значение - 13 об/мин в противоположную сторону.

С периодом 600-800 с применялось реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания цилиндрической части кристалла, причем равномерное увеличение скорости вращения, переключение направления вращения и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения осуществлялось за 200-240 с.

Технические характеристики монокристалла, полученного согласно представленному изобретению:

- Плотность дислокаций - 1,8-10 см-2;

- Аномальная оптическая двуосность - менее 17';

- Поляризационный оптический контраст на длине 30 мм - 29000;

- Длина кристалла - 63 мм;

- Диаметр кристалла - 84 мм;

- Наличие дефектов структуры: пузырьков и свилей не обнаружены;

- Класс по рассеянию: категория А;

- Выход годной продукции (по объему) - 67%.

Таким образом, при применении предлагаемого способа существенно улучшены оптическое качество и структурное совершенство монокристаллов парателлурита и увеличены размеры кристаллов и выход годной продукции. Монокристаллы парателлурита, выращенные согласно предлагаемому способу, использованы при изготовлении светозвукопроводов (СЗП) уникальных акустооптических устройств нового поколения и успешно испытаны в следующих устройствах: АОДЛ (адаптивных дисперсионных линий задержки) для сверхмощных импульсных фемтосекундных лазерных систем; в системах лазерного наведения; в электронно-перестраиваемых фильтрах для микроскопов медицинского диагностического назначения; в модуляторах излучения мощных технологических оптоволоконных лазеров; в акустооптических дефлекторах для коммутации каналов оптоволоконных систем связи; в акустооптических спектрометрах излучения астрофизических объектов, устанавливаемых на наземных телескопах и искусственных спутниках Земли.

Способ выращивания монокристаллов парателлурита из расплава по Чохральскому из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, при котором после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части кристалла осуществляют при скоростях вращения, соответствующих диапазону чисел Рейнольдса Re=100-150, рассчитанных согласно формуле Re=ωr(R-r)/ν, где ω - скорость вращения затравки (с-1); R - радиус тигля (см); r - радиус кристалла (см); ν - кинематическая вязкость расплава (см2⋅с-1), при которых на поверхности расплава наблюдается устойчивая система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность расплава, отличающийся тем, что с периодом 600-800 с применяют реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания, причем равномерное уменьшение скорости вращения, переключение направления вращение и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения осуществляют за 200-240 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в производстве термохромного материала, катодного материала литиевых источников тока, терморезисторов, термореле, переключающих элементов.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов из расплава способом Чохральского. Выращивание кристалла радиусом r сначала осуществляют способом Чохральского путем вытягивания из неподвижного тигля радиусом R1, таким, что где ρтв - плотность кристалла, ρж - плотность расплава.

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов парателлурита методом Чохральского, которые могут быть использованы при изготовлении поляризаторов в ближней ИК-области.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных физических исследований кинетики роста кристаллов.

Изобретение относится к технологии опто- и микроэлектроники и может быть использовано для получения опалоподобных структур. .

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных исследований кинетики роста кристаллов.
Изобретение относится к области изготовления деталей для оптических, акустоэлектронных и лазерных устройств, где в качестве активных и пассивных материалов используются тугоплавкие оксиды, преимущественно, двух-, трех- и четырехвалентных металлов, как в форме простых оксидов, так и сложных соединений.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов оксида цинка, являющегося перспективным материалом для светодиодов и фотоэлектрических приборов, который также может быть использован в пироэлектрических элементах, пьезоэлектрических приборах, газовых датчиках и прозрачных электропроводящих пленках.

Изобретение относится к способам получения наноразмерных порошков сложных оксидов металлов, которые могут быть использованы как электролиты и электродные материалы электрохимических устройств, а также в качестве компонентов каталитических систем.
Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов оксида цинка, используемого в различных областях электронной техники, где использование кварца невозможно или ограничено и может применяться в функциональной пленочной электронике, пьезотехнике и акустоэлектронике.
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 керамике, в частности к технологии производства монокристаллического сапфира. .

Изобретение относится к области автоматического выращивания высокотемпературных монокристаллов и может быть использовано для управления процессом выращивания в ростовых установках с весовым методом контроля.

Изобретение относится к технологии высокотемпературной кристаллизации диэлектрических материалов из расплава, например лейкосапфира. .

Изобретение относится к технике получения монокристаллов полупроводниковых и диэлектрических соединений и их твердых растворов в виде слитка с заданным наперед распределением состава по длине слитка (концентрационно-профилированных слитков) и может найти применение в производстве монокристаллов.
Изобретение относится к области выращивания монокристаллов сапфира и может быть использовано в оптической, химической и электронной промышленности. .

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов парателлурита из расплава методом Чохральского. .

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в электронной, химической промышленности, в ювелирном деле. .

Изобретение относится к получению монокристаллов диэлектриков и полупроводников направленной кристаллизацией путем вытягивания слитка вверх из расплава и может найти применение в производстве полупроводниковых и электрооптических монокристаллических материалов.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского. .

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов из расплава способом Чохральского. Выращивание кристалла радиусом r сначала осуществляют способом Чохральского путем вытягивания из неподвижного тигля радиусом R1, таким, что где ρтв - плотность кристалла, ρж - плотность расплава.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов парателлурита из расплава методом Чохральского. Выращивание осуществляют из неподвижного тигля с программированием скоростей вытягивания и вращения затравки, при этом после выхода на требуемый диаметр вытягивание цилиндрической части проводят при скоростях вращения, значения которых соответствуют числам Рейнольдса 100-150. В указанном режиме на поверхности расплава образуется система двух обращающихся вокруг кристалла диаметрально противоположных конвективных ячеек переохлажденного расплава более темного цвета, чем остальная поверхность. Далее с периодом 600-800 с применяют реверсивное изменение направления вращения затравки с кристаллом на противоположное в течение всего времени вытягивания. Равномерное уменьшение скорости вращения, переключение направления вращения, также как и равномерное увеличение скорости вращения до прежнего абсолютного значения, осуществляют за время 200-240 с. Реверсивное вращение приводит к периодическому разрушению застойной области расплава под центральной - приосевой частью поверхности растущего кристалла, что обеспечивает более равномерное распределение примесей и других структурных дефектов по радиусу кристалла. Изобретение позволяет улучшить структурное совершенство и однородность монокристаллов парателлурита и изготавливаемых из них элементов оптических и акустооптических устройств. 2 ил., 2 пр.

Наверх