CC BY
35
УДК 004.7:548.55
С. П. Саханский, В. Д. Лаптенок
СОВМЕЩЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫРАЩИВАНИЕМ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА И ОДНОВРЕМЕННОГО ВЫТЯГИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА ИЗ ФИЛЬЕРЫ СПОСОБОМ СТЕПАНОВА
Разработан контактный метод управления выращиванием монокристаллического слитка из расплава по способу Чохральского с точностью до 0,2 мм. Обосновывается возможность одновременной работы системы контроля диаметра кристалла и вытягивания кристалла из фильеры способом Степанова.
Советский ученый-физик Степанов, занимавшийся выращиванием кристаллов металлов и полупроводников, предложил формировать мениск при помощи специальных формообразователей, помещенных в раствор так, чтобы мениск расплава приподнимался над отверстием в поплавке, лежащем на поверхности расплава в тигле и изготовленном из материала, не смачиваемого расплавом, т. е. способ Степанова основан на кристаллизации расплава, подаваемого в щель формообразо-вателя под давлением 5...6 г/см2. Такое давление создается либо погружением за счет веса формообразовате-ля на глубину 8...9 мм в расплав, либо воздействием на расплав гидравлического или газового давления. Способ Степанова позволяет поддерживать скорость вытягивания и температуру в зоне преобразователя с меньшей точностью по сравнению со способом Чохральского. В частности, температуру в зоне фронта кристаллизации можно поддерживать с меньшей точностью, в диапазоне ± 0,5 °С, что не приводит к нарушению монороста или обрыву роста слитка.
Формообразователь выравнивает тепловое поле вблизи столба расплава, экранирует тепловое поле расплава в тигле от теплового поля в столбике расплава и в растущем кристалле, уменьшая тем самым колебания температуры вблизи фронта кристаллизации, обеспечивает симметрию теплового поля, влияет на распределение дислокаций и примесей в кристалле, обеспечивает для германия точность стабилизации растущего диаметра порядка 0,5 мм.
Принцип совмещения системы управления, основанный на контактном методе управления диаметром кристалла, с вытягиванием монокристалла германия через фильеру (см. рисунок), заключается в следующем:
1) в тигле, который вращается вокруг оси, с угловой скоростью Wт и имеет внутренний диаметр D, находится жидкий расплавленный металл. Кристалл диаметром d^ вытягивается из фильеры со скоростью вытягивания V и скоростью вращения Wз затравки;
2) весь процесс проводится в камере с инертным газом или в вакууме. Температура расплава поддерживается за счет управления мощностью нагревателя печи на основе показаний датчика температуры Т боковой точки нагревателя стандартным управляемым регулятором температуры. На поверхности расплава плавает электропроводная фильера, относительно которой замыкается и размыкается контактный датчик, дающий в систему управления сигнал CD об изменении уровня расплава в процессе выращивания кристалла;
3) стабилизация уровня расплава в тигле происходит за счет управления скоростью подъема тигля вверх V на основе сигнала с контактного датчика.
V
Схема совмещения контактного метода с выращиванием кристалла из фильеры: 1 - нагреватель;
2 - затравка; 3 - кристалл; 4 - датчик; 5 - датчик температуры;
6 - тигель; 7 - фильера; 8 - расплав металла; 9 - камера
При использования алгоритмов работы высокоточной системы управления, с ценой непосредственно оцениваемых дискрет по перемещению затравки и тигля не менее 0,1 мкм, контактный метод управления диаметром кристалла [2.. .4] обеспечивает чувствительность работы системы управления не менее 0,2 мм в зоне ± 0,5 мм, что соответствует зоне работы фильеры.
Данная чувствительность позволяет при вытягивании слитка из фильеры способом Степанова корректировать по сигналу управления температуру нагревателя и скорость вытягивания, улучшая тем самым условия вытягивания и обеспечивая условия выращивания монокристаллической структуры кристаллов, особенно когда через фильеру выращиваются слитки германия диаметром больше 100 мм.
Библиографический список
1. Нашельский, А. Я. Производство полупроводниковых материалов / А. Я. Нашельский. М.: Металлургия, 1989. 270 с.
2. Пат. 2128250 РФ. Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава и устройства для его осуществления / С. П. Саханский, О. И. Подкопаев, В. Ф. Петрик, В. Д. Лаптенок. Опубл. 27.03.99.
3. Пат. 2184803 РФ. Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава и устройства для его осуществления / С. П. Саханский, О. И. Подкопаев,
В. Ф. Петрик, В. Д. Лаптенок. Опубл. 10.07.02.
S. P. Sakhansky, V. D. Laptenok
COMBINATION OF OPERATION SYSTEM OF GERMANIUM MONOCRYSTAL GROWING BY CONTACT METHOD OF DIAMETER MEASUREMENT AND SIMULTANEOUS MONOCRYSTAL PULLING FROM FORMING BUSHING
BY STEPANOV’S METHOD
In the worked out contact method of operation of monocrystal ingot growing from melt by Czochralski method with accuracy up to 0.2 mm a capacity of simultaneous operation of crystal diameter control system and crystal pulling from forming bushing by Stepanov s method is proved.
4. Саханский, С. П. Способ управления процессом выращивания монокристаллов германия из расплава /
С. П. Саханский, О. И. Подкопаев, В. Д. Лаптенок // Перспективные материалы, технологии, конструкции-экономика: сб. научн. тр. / под ред. проф. В. В. Стацуры; ГАЦ-МиЗ. Вып. 6. Красноярск, 2000. С. 391-393.
