СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ДИОКСИДА ТИТАНА ИЗ РАСПЛАВА В ТИГЛЕ Российский патент 1997 года по МПК C30B15/20 C30B29/16 

Настоящее изобретение относится к способу выращивания кристаллов с получением монокристаллов оксидов высокого качества методом Чохральского (который далее будет упоминаться как метод ЧХ).

Хорошо известен метод ЧХ для получения монокристаллов оксидов, благодаря которому можно легко получить кристаллы, имеющие большой диаметр и низкую термическую деформацию, для содействия в производстве электронных устройств. С целью выращивания монокристаллов высокого качества необходимо регулировать поток расплава. В области выращивания полупроводниковых кристаллов, среди других, существуют способы замедления течения расплава путем взаимодействия расплава с магнитным полем и создания потока расплава, пригодного для выращивания кристаллов, вращением тигля так, чтобы существовало соотношение с вращением выращиваемых кристаллов.

В случае выращивания монокристаллов оксидов полагают, что эффект регулирования потока расплава путем приложения магнитного поля может быть уменьшен за счет низкой удельной электропроводности расплава. Кроме того, температурные изменения (вариации), сопровождающие поток расплава, могут быть избыточными из-за высокого числа Прандтля расплава по сравнению с этим числом полупроводника. Поэтому предполагают, что температурные изменения расплава могут быть еще более увеличены посредством вращения тигля, так что вышеуказанные способы в настоящее время редко применяются для выращивания монокристаллов оксидов.

По этим причинам при регулировании расплава в методике ЧХ для получения монокристаллов оксидов в основном используются способы создания желательного потока расплава путем оптимизации отношения высоты к диаметру тигля и расплава, а также горизонтальные и вертикальные температурные градиенты расплава путем расположения зоны обжига вокруг тигля. Как правило, считается необходимым минимизировать вариации в температуре и композиции в пределах расплава и уменьшить вариации в температуре расплава на границе роста с тем, чтобы получить монокристаллы высокого качества. Конкретное требование хорошо перемещать весь расплав в таком режиме, при котором контролируются температурные флуктуации расплава по поверхности расплава и в непосредственной близости от нее, и от числа Прандтля и удельной теплопроводности кристалл-продуцирующего расплава будет зависеть, насколько легко можно создать такой режим.

При выращивании кристаллов вещества, расплав которого имеет малое число Прандтля или низкую удельную теплопроводность, трудно одновременно удовлетворить оба требования замедления потока расплава и перемешивания всего расплава из-за высоких температурных вариаций по поверхности расплава, которые сопровождают перемешивание расплава, как указано выше, и поэтому становится трудно реализовать условия, оптимальные для выращивания монокристаллов высокого качества. Наиболее близким является способ выращивания монокристаллов диоксида титана из расплава в тигле.

С учетом сложившейся ситуации в данной области техники настоящее изобретение ставит своей целью создание способа выращивания монокристаллов при таких условиях, что поток расплава можно задержать при одновременном перемешивании всего расплава.

Изобретение предлагает способ выращивания монокристаллов, отличающийся созданием цилиндрического регулятора, имеющего множество равноотстоящих по окружности вертикальных щелей, образованных через цилиндрическую боковую стенку, как показано на фиг.1, инсерцированием цилиндрического регулятора в расплав, содержащийся в тигле, и выращиванием кристаллов в указанном цилиндрическом регуляторе. Цилиндрический регулятор может быть снабжен кольцевым фланцем, простирающимся от верхнего конца регулятора, и этот фланец служит дополнительным усилителем регулятора. В соответствии с настоящим изобретением обнаружено, что можно создать пригодный температурный профиль по поверхности расплава и вертикальный температурный градиент массы расплава вблизи поверхности расплава, как требуется в зависимости от свойств выращиваемых кристаллов и расплава, путем изменения диаметра цилиндрического тела, коэффициента открывания щели (ширина щели x количество щелей/периметр цилиндрического тела) и глубины погружения цилиндрического тела в расплав.

Диаметр цилиндрического тела, коэффициент открывания щели и глубина погружения цилиндрического тела, оптимальные для выращивания кристаллов, зависят от свойств выращиваемых кристаллов. Как правило, чем ниже удельная теплопроводность расплава, тем меньше должен быть диаметр цилиндрического тела, тем меньше коэффициент открывания щели и тем больше глубина погружения цилиндрического тела в расплав.

Как только уменьшается диаметр цилиндрического тела и коэффициент открывания щели, соответственно уменьшается горизонтальный температурный градиент по поверхности расплава, что вообще затрудняет регулирование диаметра выращиваемых кристаллов. При более глубоком погружении цилиндрического тела в расплав последний перемешивают более интенсивно, тем самым повышая скорость течения расплава у его поверхности, что вызывает избыточные температурные флуктуации по поверхности расплава. Однако при дальнейшем погружении цилиндрического тела в расплав значительно снижается эффект перемещения расплава. Поэтому полагают, что диаметр цилиндрического тела, коэффициент открывания щели и глубина погружения цилиндрического тела имеют соответствующие оптимальные интервалы значений.

Кроме того, цилиндрический регулятор может передвигаться в направлении параллельном направлению, в котором кристаллы поднимают вверх по мере роста кристаллов в длину, что обеспечивает установление подходящего течения расплава в соответствии со стадией роста, гарантируя более стабильный рост кристаллов.

Щели призваны изменять эффект регулирования течения, а также контролировать втекающий поток расплава от наружной стороны цилиндрического тела регулятора в его внутреннюю сторону в соответствии с коэффициентом открывания щели.

Диаметр цилиндрического тела можно изменять для оптимизации его температуры. Как только указанный диаметр достигает диаметра тигля соответственно возрастает высокочастотный индукционный ток по поверхности цилиндрического тела, что приводит к повышению температуры, вследствие чего возрастает радиальный температурный градиент расплава по его поверхности.

Глубину погружения цилиндрического тела в расплав можно изменять с тем, чтобы регулироваться эффект перемешивания расплава. При более глубоком погружении цилиндрического тела в расплав, как полагают, перемешивающее действие цилиндрического тела понижается, повышается и затем понижается и, следовательно, вертикальный температурный градиент расплава уменьшается, возрастает и затем уменьшается.

Эти различные условия таким образом можно регулировать с тем, чтобы установить и радиальный температурный градиент расплава по его поверхности, и вертикальный температурный градиент массы расплава.

Эти и другие более подробные и специфические цели и отличительные признаки настоящего изобретения станут более понятными в следующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, где на Фиг.1 представлен полный перспективный вид регулятора для использования при регулировании поверхностного течения расплава в соответствии с настоящим изобретением; на Фиг.2 схематическое изображение системы для выращивания кристаллов; на фиг.3 перспективный вид регулятора в соответствии с другим вариантом изобретения для регулирования поверхностного течения расплава в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 1 представляет перспективный вид цилиндрического регулятора 1 для использования с тиглем путем его погружения в тигель. Цилиндрический регулятор 1 включает цилиндрическое тело 4, образованное множеством равноотстоящих по окружности вертикальных щелей 3 и кольцевым фланцем 2, соединенным как одно целое и простирающимся радиально наружу от верхнего конца цилиндрического тела.

Фиг. 2 показывает систему выращивания кристаллов, снабженную зоной обжига, которая имеет традиционную конструкцию, за исключением цилиндрического регулятора 1. Вкратце, система содержит тигель 6, поддерживаемый теплоизолятором 5. Тигель 6 заполнен расплавом 7, который нагревается высокочастотной генерирующей катушкой 8, окружающей тигель. Затравочные кристаллы погружены в расплав. Монокристаллы могут быть получены поднятием затравочных кристаллов из расплава при заданной скорости.

Результаты, полученные при выращивании монокристаллов TiO₂ с использованием метода ЧХ, будут описаны ниже. Следует сказать, что расплав диоксида титана TiO₂ имеет большее число Прандтля и меньшую удельную теплопроводность по сравнению с расплавом оксидов вообще, и поэтому трудно вырастить монокристаллы TiO₂ стабильным образом путем использования метода ЧХ из-за характерно избыточных вариаций в диаметре полученных кристаллов. В частности, кристаллы подвержены изгибанию, и часто происходят флуктуации в конфигурации на поверхности раздела жидкость твердое тело, когда кристаллы достигают в длину около 10 мм. Нет ни одного примера, когда бы с успехом заканчивалось выращивание кристаллов, имеющих длину более, чем приблизительно 10 мм.

Регулятор в соответствии с настоящим изобретением используют для получения потока расплава, пригодного для выращивания кристаллов. Следующие примеры включают те, которые используют, и те, которые не используют настоящее изобретение.

Пример 1
270 г сырья загружают в иридиевый тигель, имеющий диаметр 50 мм и высоту 50 мм, для выращивания кристаллов с использованием аппарата, включающего зону обжига, как показано на фиг.2, но без цилиндрического регулятора в соответствии с настоящим изобретением. Средой для выращивания кристаллов является среда аргона. Кристаллы поднимают в ориентации вдоль оси C со скоростью 2 мм/час и с числом оборотов, равным 20 об/мин. Выходную мощность генератора высокой частоты регулируют с тем, чтобы обеспечить сохранение диаметра кристаллов на уровне около 25 мм, однако, при достижении длины выроста 7 мм кристаллы растут резко в направлении периферической стенки тигля до тех пор, пока становится трудно контролировать и дальше диаметр.

Пример 2
270 г сырья загружают в тигель аналогичный тому, который используют в примере 1, однако с применением цилиндрического регулятора, как показано на фиг. 1, погружаемого в тигель. Цилиндрический регулятор имеет диаметр 40 мм, высоту 50 мм и 20 щелей, каждая из которых имеет ширину 3 мм, и этот регулятор погружают в расплав на глубину 10 мм. Используют среду для выращивания кристаллов, включающую аргон. Кристаллы поднимают в ориентации вдоль оси C со скоростью 2 мм/час и с числом оборотов, равным 20 об/мин. Результатом является то, что есть возможность выращивать монокристаллы диаметром 30 мм и длиной 50 мм, причем надежным способом. Полагают, что использование вышеупомянутого цилиндрического регулятора дает возможность создать такие радиальные температурные градиенты расплава по его поверхности, а также вертикальные температурные градиенты массы расплава, которые обеспечивают выращивание монокристаллов TiO₂.

Пример 3
270 г сырья загружают в тигель, аналогичный тому, который используют в примере 1, однако с применением цилиндрического регулятора, приведенного на фиг. 3, который погружен в тигель. Цилиндрический регулятор имеет диаметр 40 мм, высоту 50 мм и 10 щелей, каждая из которых имеет ширину 3 мм, причем регулятор погружают в расплав на глубину 15 мм. Используют среду для выращивания кристаллов, включающую аргон. Кристаллы поднимают в ориентации вдоль оси C со скоростью 2 мм/час и с числом оборотов, равным 15 об/мин. Результатом является то, что есть возможность выращивать монокристаллы диаметром 25 мм и длиной 40 мм, причем стабильным образом. Как и в примере 2, полагают, что использование вышеупомянутого цилиндрического регулятора дает возможность создать температурные градиенты и поток расплава, пригодные для выращивания монокристаллов TiO₂.

Следует понять, что при выращивании монокристаллов оксидов настоящее изобретение обеспечивает получение следующих преимуществ за счет использования уникального цилиндрического регулятора с целью регулирования потока расплава, причем в непосредственной близости от его поверхности:
1. Есть возможность регулировать поток расплава, что до сих пор считалось трудным процессом.

2. Есть возможность препятствовать внедрению примесей с поверхности расплава в пограничный слой, где растут кристаллы, что приводит к получению монокристаллов высокого качества.

3. Влияние радиации с поверхности расплава и стенок тигля на растущие кристаллы можно контролировать изменением коэффициента открывания щелей цилиндрического тела, погруженного в верхнюю часть расплава, и тем самым обеспечить создание более широких диапазонов должных вертикальных температурных градиентов в верхней части массы расплава, обусловливая получение монокристаллов высокого качества при высокой степени роста.

Вышеприведенное описание включено с целью иллюстрации предпочтительных вариантов настоящего изобретения и не должно ограничивать объем предлагаемого изобретения. На основании вышеприведенного обсуждения многие варианты станут понятны специалисту в данной области зрения в пределах объема и сущности настоящего изобретения.

Изобретение относится к способу выращивания кристаллов из расплава методом Чохральского с получением монокристаллов. В поверхности расплава предусмотрен регулятор с целью регулирования потока расплава по его поверхности, который включает цилиндрическую стенку, которая выполнена со средствами для открывания в виде щелей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ выращивания монокристаллов диоксида титана из расплава в тигле, отличающийся тем, что через поверхность расплава в него помещают частично выступающее выше уровня расплава цилиндрическое контрольное устройство для контроля потока расплава, состоящее из цилиндрического корпуса с открытым верхним и нижним торцами и множеством отверстий, проходящих через его стенку, а выращивание ведут методом Чохральского путем вытягивания в указанном цилиндрическом устройстве. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные отверстия выполнены в виде расположенных по периферии щелей.