УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ СЛОЖНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Российский патент 1994 года по МПК C30B23/06 

Изобретение может использоваться в области кристаллографии для выращивания кристаллов сложного полупроводника из паровой фазы методом осаждения в низкотемпературных установках.

Известна установка, предназначенная для получения полупроводниковых материалов [1]. В рабочей камере этой установки создают разные температурные зоны: "горячую" изометрическую, градиентную и "холодную" изометрическую. Зону нагрева формируют три независимо управляемых нагревательных узла, расположенных по длине капсул с исходным веществом. В рабочую камеру можно загрузить одновременно три капсулы. Каждый нагревательный узел выполнен в виде спирали, охватывающей сразу три капсулы.

Такое конструктивное решение имеет существенный недостаток: охватывающий три капсулы нагреватель создает в каждой из них неоднородное по сечению тепловое полет, следовательно, приводит к неоднородному распределению примеси в растущем кристалле.

Известна установка для выращивания кристаллов сложного полупроводника [2] , содержащая ампулу с двумя нагревателями, первый из которых окружает ампулу снаружи, а второй может перемещаться между ампулой и первым нагревателем, а также имеется система визуального наблюдения за ростом кристалла. Первый нагреватель обеспечивает распределение температуры по всему объему ампулы и создает три температурные зоны: "горячую" изотермическую, градиентную и "холодную" изометрическую. Второй нагреватель позволяет регулировать температуру в ограниченном объеме ампулы, соответствующем выбранному участку роста кристалла.

В этой установке нагревательный узел охватывает только одну ампулу и, следовательно, исключается неоднородность по сечению теплового поля.

Недостатком известной установки является следующее. Конструктивное выполнение нагревательного узла обеспечивает недостаточную воспроизводимость условий, при которых растет кристалл с необходимыми свойствами. Система визуального наблюдения позволяет следить только за ростом кристалла, не контролируя его качества.

Целью изобретения является повышение качества кристаллов за счет создания однородного температурного поля, а также увеличение размеров выращиваемых кристаллов за счет сужения зоны роста.

Указанная цель достигается тем, что в установке для выращивания кристаллов сложного полупроводника, содержащей ампулу с исходным веществом, нагреватель, корпус, систему визуального наблюдения, нагреватель выполнен из материала на углеродной основе, переменным по толщине и непосредственно прилегающим к ампуле в областях исходного вещества и паровой фазы, передвижной цилиндрический экран с радиатором, размещенный между нагревателем и ампулой в области кристаллизации, может продольно перемещаться в интервале от середины ампулы до "холодной" зоны, а дополнительная система визуального наблюдения расположена в области ампулы с исходным веществом.

Оптимальным вариантом выполнения передвижного цилиндрического экрана является наличие отверстий по периметру экрана в зоне, примыкающей к ампуле в области кристаллизации, а между нагревателем и наружным корпусом находится крепежный корпус. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что нагреватель из материала на углеродной основе, переменный по толщине, непосредственно прилегающий к ампуле, обеспечивает равномерный обогрев ампулы по всей поверхности, заданный градиент температуры устанавливается при помощи передвижного цилиндрического экрана с радиатором, дополнительная система визуального наблюдения расположена в области ампулы с исходным веществом, что позволяет контролировать качество выращиваемых кристаллов. Наличие отверстий по периметру экрана в зоне, примыкающей к ампуле в области кристаллизации, обеспечивает сужение зон кристаллизации, а наличие крепежного корпуса исключает взаимное перемещение ампулы, нагревателя и исходного вещества при динамических нагрузках.

На фиг. 1 изображена установка для выращивания кристаллов; на фиг. 2 - график распределения температуры вдоль продольной оси ампулы; на фиг. 3 - экран с отверстиями в нижней части.

Устройство для выращивания кристаллов содержит стеклянную (стекло "пирекс") ампулу 1 для исходного материала 2 (диодидом ртути). Ампула 1 размещена в переменном по толщине нагревателе 3 из материала на углеродной основе. Между нагревателем 3 и ампулой 1 в области кристаллизации расположен передвижной тонкостенный цилиндрический экран 4 с оребренным радиатором 5. С наружной стороны нагревателя 3 расположен узел крепления 6. Для электроизоляции нагревателя 3 от передвижного цилиндрического экрана 4 и узла крепления 6 используют фторопластовую прокладку 7. Между узлом крепления 6 и наружным корпусом 8 имеется воздушная теплоизолирующая прослойка 9. Средства визуального контроля расположены в областях кристаллизации 10 и исходного материала 2 и состоят из световодов 11 и 12 и ламп подсветки 13 и 14. Кристаллы образуются в области кристаллизации 10 по периметру ампулы 1. Для управления и контроля тепловым режимом устройства предусмотрены полупроводниковые датчики температуры 15. Соединение узла крепления 6 и наружного корпуса 8 осуществляют шпильками 16. Электрическими выводами служат винт 17 и одна из шпилек 16. Передвижной экран 4 может иметь отверстия 18 по периметру в зоне, примыкающей к ампуле 1 в области кристаллизации 10.

На фиг. 2 представлен диапазон изменения градиента температуры. В области исходного материала 2 и паровой фазы 19 температуру устанавливают в пределах от 90 до 120^оС. От начала области кристаллизации 10 до конца холодной зоны 20 прямая 21 соответствует 3 град/cм, а прямая 22-10 град/см.

Устройство работает следующим образом.

Стеклянную ампулу 1 для исходного материала 2 закрепляют одним концом в передвижном цилиндрическом экране 4, а другим концом помещают в нагреватель 3 из материала на углеродной основе. После этого нагреватель 3 электроизолируют фторопластовой прокладкой 7 и всю систему помещают в узел крепления 6. При помощи шпилек 16 закрепляют узел крепления 6 и наружный корпус 8, а затем подключают электрические выводы нагревателя 3 к одной из шпилек 16 и винту 17. Средства визуального наблюдения устанавливают в областях кристаллизации 10 и исходного материала 2. Положение передвижного цилиндрического экрана 4 фиксируют относительно ампулы 1. Регулировка положения экрана 4 обеспечивает достижение заданного градиента температуры для каждого вида исходного вещества. При подаче тока на нагpеватель 3 по длине ампулы формируют три температурные зоны: "горячую" изометрическую (области исходного вещества и паровой фазы), градиентную (область кристаллизации) и "холодную" неконтролируемую. В "горячей" изометрической зоне устанавливается температура в пределах 90-120^оС. Исходный материал 2 испаряется и осаждается в виде кристаллов в области кристаллизации 10. Управление и контролирование тепловым режимом осуществляют при помощи полупроводниковых датчиков температуры 15. При помощи средства визуального наблюдения, расположенного в области кристаллизации 10, можно следить за процессом роста кристаллов. При помощи дополнительного средства визуального наблюдения, расположенного в области исходного материала 2, через световод 12 следят за изменением цвета исходного вещества от ярко-розового до грязно-желтого. При изменении цвета исходного вещества необходимо прекратить процесс роста кристаллов, так как далее выращиваемые кристаллы загрязняются примесями исходного вещества.

Определенное конструктивное выполнение нагревателя и передвижного цилиндрического экрана позволяет обеспечить точную регулировку температурных полей для направленной кристаллизации, что позволяет повысить воспроизводимость условий, при которых растет кристалл, а дополнительная система визуального наблюдения позволяет исключить загрязнение выращиваемых кристаллов примесями исходного вещества, причем заявляемая установка не требует громоздкой системы управления тепловым режимом.

Наличие отверстий по периметру передвижного цилиндрического экрана обеспечивает сужение зон кристаллизации, что способствует увеличению размера выращиваемых кристаллов.

Использование: в области кристаллографии при выращивании кристаллов сложного полупроводника из паровой фазы методом осаждения в низкотемпературных установках. Сущность изобретения: устройство содержит ампулу для исходного вещества, размещенную в корпусе. Коаксиально ампуле установлен нагреватель. Между нагревателем и ампулой расположено средство регулирования градиента температуры, выполненное в виде цилиндрического экрана. Экран установлен с возможностью перемещения. Нагреватель выполнен переменным по толщине из материала на углеродной основе и прилегающим к ампуле в нижней ее части. Устройство снабжено основным и дополнительным средствами визуального наблюдения за ростом кристаллов. Основное средство визуального наблюдения расположено в области кристаллизации, а дополнительное - в нижней части ампулы, в области размещения исходного материала. Устройство обеспечивает повышение качества кристаллов за счет создания однородного температурного поля. Для увеличения размеров выращиваемых кристаллов за счет сужения зоны роста в нижней части цилиндрического экрана выполнены отверстия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ СЛОЖНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, содержащее размещенную в корпусе ампулу для исходного материала, расположенный коаксиально ей нагреватель, средство регулирования градиента температуры, установленное между нагревателем и ампулой с возможностью перемещения, и средство визуального наблюдения за ростом кристаллов, отличающееся тем, что с целью повышения качества кристаллов путем создания однородного температурного поля, устройство снабжено дополнительным средством визуального наблюдения, размещенным в нижней части ампулы, и узлом крепления ампулы, установленным между нагревателем и корпусом, нагреватель выполнен переменным по толщине из материала на углеродной основе и прилегающим к ампуле в нижней ее части, а средство регулирования градиента температуры выполнено в виде цилиндрического экрана. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью увеличения размеров выращиваемых кристаллов путем сужения зоны роста, в нижней части цилиндрического экрана выполнены отверстия.