Курсовая работа (т): Технологии изготовления монокристалла германия

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения монокристаллов германия, заключающийся в том, что кристаллизацию ведут сверху вниз от неподвижной затравки, причем в стенках формы (тигля) имеются очень мелкие отверстия, через которые вытекает избыток расплава, образующийся из-за увеличения объема при затвердевании. Согласно способу тигель является непосредственно формообразователем, придающим заданную форму выращиваемым слиткам. Отверстия в тигле сделаны для удаления излишнего количества расплава, образующегося из-за разницы плотностей жидкой и твердой фаз кристаллизующегося материала. При плотности жидкой фазы, большей, чем твердой фазы, кристаллизация идет с увеличением объема примерно на 5,3%.

Указанный способ выращивания монокристаллов имеет существенные недостатки. Способ технически трудно реализуем в промышленном масштабе - для выращивания кристаллов каждого заданного размера необходим свой тигель достаточно сложной конфигурации. Не определено ни количество отверстий, ни их размер - в конечном итоге это может привести либо к вытеканию исходного расплава, либо к разрыву тигля в момент кристаллизации. Извлечение выращенного кристалла из тигля связано с возможностью механического разлома тигля и растрескивания кристалла. Выращивание кристалла - формирование его основной верхней поверхности - без вращения практически всегда приводит к появлению дефектов структуры - к поликристаллизации и к неоднородному распределению примесей. Указанные недостатки значительно снижают выход годной продукции, приводят к повышенному расходу материала (графита германия) и делают применение метода практически невозможным в промышленных масштабах.

10. Способ выращивания монокристаллов германия методом осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (ОТФ)

Еще одним способом выращивания является способ, в котором для роста кристаллов германия на затравку используется нагреватель, погруженный в расплав. Эта работа основана на применении метода Осевого Теплового потока вблизи Фронта кристаллизации, метод ОТФ. Этот способ является наиболее близким к заявляемому способу выращивания кристаллов германия, так как в нем используется другой принцип создания осевого теплового потока. В соответствии с этим принципом осевой поток тепла создается только вблизи фронта кристаллизации. Для этого вдоль большей части поперечного сечения растущего кристалла на небольшом расстоянии от предполагаемого положения фронта кристаллизации размещается плоская изотермическая поверхность. Осевой поток тепла и плоская форма изотерм (фронта кристаллизации) реализуются в этом случае на расстоянии h от изотермической поверхности, где h<0.13 D, D - диаметр изотермической поверхности. Погруженный нагреватель решает задачу создания упомянутой выше плоской изотермической поверхности.

Рост кристаллов германия ведут на затравку 1, диаметром равным внутреннему диаметру тигля, в тигле 2 из материала, не взаимодействующего с расплавом 3, с использованием погруженного в расплав двухсекционного нагревателя 4 (ОТФ нагреватель) путем перемещения тигля с затравкой и растущим кристаллом 5 в холодную зону печи относительно закрепленного в корпусе установки 6 ОТФ нагревателя, поддерживаемого при постоянной температуре T₁, и используя раздельное легирование зон W₁ и W₂ (рис. 1).

В отличие от известных способов с целью получения в процессе выращивания на большем сечении растущего кристалла плоской формы фронта кристаллизации и слегка выпуклой в расплав формы фронта в области стенок тигля управление формой фронта ведут одновременно двухсекционным ОТФ нагревателем и фоновым нагревателем А, В, С, D. Плоский участок формы фронта кристаллизации I обеспечивается путем поддержания секцией 7 ОТФ нагревателя температуры Т₂ равной температуре T₁ или немного больше. Выпуклый участок II формы фронта кристаллизации поддерживается за счет фоновых нагревателей А, В, С, D путем поддержания на боковой поверхности тигля в зоне термопары Т₃ распределения температуры, обеспечивающего выпуклый участок формы фронта кристаллизации (рис. 2).

Недостатком способа кристаллизации является то, что режимы и условия кристаллизации не предназначены для получения высококачественных монокристаллов германия, так как способ использовался с целью получения гранного роста и исследования морфологической устойчивости грани [111] германия, что приводило к изменению условий кристаллизации в процессе роста и появлению дефектов.

К недостаткам, присущим традиционным методам выращивания, относятся следующие: большие радиальные градиенты температуры в расплаве и кристалле, большая интенсивность течения расплава, которое для коммерческих размеров является нестационарным (микронеоднородость), изменение условий кристаллизации в процессе роста (макронеоднородность). Роль этих недостатков возрастает с увеличением диаметра растущего кристалла. Эти недостатки в основном устраняются в методах, использующих погруженный нагреватель, однако в существующих реализациях таких методов не реализованы их оптимальные возможности и поэтому условия кристаллизации меняются в процессе выращивания, а кристаллы микро и макронеоднородны.

. Способ выращивания монокристаллов германия в форме дисков

Способ выращивания монокристаллов полупроводников из расплава может быть использован для выращивания монокристаллов германия в форме дисков, применяемых для изготовления деталей оптических устройств.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения - прототипом - является способ выращивания монокристаллов германия в форме диска для изготовления деталей устройств ИК-оптики. Согласно способу, монокристалл германия выращивают на затравку. Способ включает реверсивное вращение кристалла, описывает режим выращивания монокристалла в формоообразователе особой формы, обеспечивающей условия, исключающие растрескивание монокристалла и разрушение тигля. Достигается плотность дислокации в пределах 5·10³ до 1·10⁴ на см².

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа выращивания монокристаллов германия с плотностью дислокации в пределах от 2·10⁴ до 5·10⁵ на см².

Существенными отличиями заявляемого изобретения от прототипа, позволяющими достичь заявляемого технического результата, являются:

выдержка расплава при температуре плавления в течение 1-2 часов, обеспечивающая требуемое усреднение;

поддержание, за счет определенного размещения тигля, нагревателя и экранировки, температурного градиента у фронта кристаллизации в узких пределах (10÷18) К/см, что обеспечивает получение монокристаллов с плотностью дислокации в пределах от 2·10⁴ до 5·10⁵ на см².

Сущность изобретения

До начала процесса выращивания монокристалла германия расплав выдерживается в формообразователе при температуре плавления в течение 1-2 часов. Далее в процессе выращивания монокристалла германия в кристаллографическом направлении [111] обеспечивается поддержание температурного градиента у фронта кристаллизации в узких пределах (10÷18) К/см, что обеспечивает получение монокристаллов германия с плотностью дислокации в пределах от 2·10⁴ до 5·10⁵ на см².

Плотность дислокации в выращенном монокристалле германия выявляется методом селективного химического травления. Для плотности дислокации в пределах от 2·10⁴ до 5·10⁵ на см² ямки травления в виде трехгранной антипирамиды с размером сторон порядка 30,0 мкм, равномерно распределяются в виде модулированной сетки на равных расстояниях друг от друга. На оптические свойства монокристалла германия дислокации не оказывают существенного влияния, так как поперечный размер дислокации соизмерим с постоянной решетки (0,56 нм).

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение монокристаллов германия со значительным увеличением площади приема сигнала.

Изобретение поясняется Таблицей 1:

Осуществление изобретения

Для выращивания монокристаллов германия в форме диска диаметром 180 мм и высотой 40 мм в графитовый тигель с внутренним диаметром 220 мм устанавливается графитовый формообразователь с внутренним диаметром 180 мм, имеющий отверстия в нижней части. В формообразователь загружается 5,62 кг зонноочищенного кристаллического германия. Загрузка расплавляется и расплав выдерживается при температуре плавления в течение 2 часов. Производится выращивание монокристала германия в кристаллографическом направлении [111], при этом температурный градиент у фронта кристаллизации поддерживается в пределах (10,0÷14,0) К/см. Для определения плотности дислокации, после окончания кристаллизации и остывания, монокристалл германия подвергается селективному химическому травлению. Средняя плотность дислокации составила 7·10⁴ на см.

Заключение

В данной курсовой работе подробным образом были описаны основные способы получения монокристаллов германия, проблемы, связанные с производством и их решение.

Стоит обратить внимание на то, что в современном мире благодаря развитию в области электроники на сегодняшний день существует довольно большое разнообразие методов выращивания. При этом каждый из этих методов уникален в своем роде.

Выращивание кристаллов из расплава в настоящее время является наиболее распространенным промышленным процессом, так как по сравнению с другими методами методы выращивания из расплава обладают наивысшей производительностью.

Основным недостатком большинства методов являетя низкая степень чистоты выращиваемых монокристаллов (тигельные методы).

Германий находит широкое применение во многих отраслях мировой промышленности и хозяйства, значит и разработка предприятия по его производству (в частности, выращиванию монокристаллов) и обработке является актуальной на сегодняшний день.

Список литературы

1.   Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2013, 6) 324-333.://journal.sfu-kras.ru/en/series/technologies/2013/3

.     Получение профилированных монокристаллов и изделий способом Степанова. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костыгов А.С. и др. Л.: Наука, 2011. С. 136-137, 171-175.

3.      Gafni G., Azoulay M., Shiloh С. et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. V.28. №9. Р.1003-1007.

http://opticalengineering.spiedigitallibrary.org/article.aspx? articleid=1223619

.     A.G. Ostrogorsky, H.J. Sell, S. Scharl and G. Muller. Convection and segregation during growth of Ge and InSb crystals by the submerged heater method, Journal of Crystal Growth, 128 (2011) 201-206://homepages.rpi.edu/~duttap/Publications/2000JCG217.pdf

.     S.V. Bykova, I.V. Frjazinov, V.D. Golyshev, М.А. Gonik, M.P. Marchenko, V.B. Tsvetovsky. Features of mass transfer for the laminar melt flow along the interface. J. Crystal Growth, 2012, vols. 237-239, pp.1886-1891

6.      Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/германий