Способ выращивания монокристалла методом плавающей зоны

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА МЕТОДОМ ПЛАВАЮЩЕЙ ЗОНЫ(71) Заявитель Феонычев Александр Иванович(72) Автор Феонычев Александр Иванович(73) Патентообладатель Феонычев Александр Иванович(57) Способ выращивания монокристалла методом плавающей зоны, включающий нанесение на цилиндрический стержень из основного материала слоя дополнительного материала, химически инертного по отношению к основному материалу, не образующего с ним раствора и имеющего температуру плавления ниже основного материала, отличающийся тем, что меняют направление течения расплава основного материала вблизи его границы кристаллизации на обратное по отношению к действующему на границе раздела двух жидких слоев термокапиллярному эффекту путем выбора плотности, вязкости, поверхностного натяжения и толщины слоя дополнительного материала, а выращивание осуществляют при воздействии внешнего продольного или поперечного магнитного поля или его отсутствии. 10885 1 2008.08.30 Изобретение относится к управлению течениями в жидкостях, имеющих протяженную свободную поверхность жидкости, контакт которой с окружающей газовой средой нежелателен. Предлагаемое техническое решение может быть использовано при разработке способов и устройств, предназначенных для оптимизации процессов тепломассопереноса в жидкостях при наличии фазовых переходов. Цель изобретения - увеличение однородности состава жидкости на границе фазового перехода и в твердой фазе жидкости, кристаллизирующейся методом бестигельной зонной плавки (методом плавающей зоны) в условиях микротяжести и в нормальных земных. Известно несколько способов увеличить степень перемешивания жидкости и на этой основе улучшить равномерность распределения легирующих примесей в получаемых монокристаллах. В патентах США 3265470, НКИ 117/39, 1966 и 3843331, НКИ 117/38, 1972,а также в патенте Российской Федерации 512791, МПК С 30 В 13/04, 1976 предлагается использовать высокочастотные вибрации, создаваемые пьезоэлектрическим генератором(частота колебаний больше 20 кГц). Высокочастотные вибрации создают в объеме жидкости акустические волны, что должно способствовать лучшему перемешиванию жидкости. Однако, получить существенное улучшение однородности распределения легирующих примесей в кристаллах таким способом не удается. Предлагается также использовать низкочастотные (частоты от нескольких герц до сотни герц) вибрации твердого тела, размещаемого в глубине или на свободной поверхности жидкости. Этот способ описан в патенте Российской Федерации 1620510, 1988. Неоднократно предлагалось также использовать магнитные поля различного типа. Использование постоянного магнитного поля при выращивании монокристаллов методом Чохральского описано в патенте США 5359957, МПК С 30 В 15/22, 1994. При этом отмечается снижение концентрации кислорода с увеличением магнитного поля от 900 до 3000 гауссов (от 0,09 до 0,3 тесла). В научной литературе имеется указание на то, что при этом несколько снижаются колебания температуры в жидкости и связанная с этими колебаниями микросегрегация легирующих примесей (полосчатость) в кристаллах. Этот эффект отмечен, например, в статье.,.,.-.. .. - 1984. - . 23. -1. - . 237-239. В настоящее время постоянное магнитное поле используется при промышленном производстве монокристаллов методом Чохральского. Попытки использовать постоянное магнитное поле при выращивании кристаллов методом плавающей зоны предпринимались неоднократно. В статье Бармина И.В., Гельфгат Ю.М., Сенченкова А.С. и Смирновой И.Г. Влияние магнитного поля на кристаллизацию полупроводниковых материалов методом бестигельной зонной плавки в условиях невесомости // Магнитная гидродинамика. - 1988. -4. - С. 110-116 приводятся результаты численных расчетов для условий невесомости. Делается заключение, что при числе Гартмана (На(/)0,5, где В - магнитная индукция, , ,- плотность, кинематическая вязкость, удельная электропроводность жидкости соответственно, - толщина обоих жидких слоев), равным 7,4, что соответствует индуктивности магнитного поля В 0,025 тесла, получается наиболее плоский фронт кристаллизации. Уплощение фронта кристаллизации приводит к уменьшению радиальной неоднородности распределения легирующих примесей (уменьшению макросегрегации примеси в кристалле). Расчеты проведены в узком диапазоне чисел Марангони, определяющих интенсивность термокапиллярной конвекции, и не учтены другие эффекты постоянного магнитного поля. Более детальное изучение эффектов магнитного поля,.. -. - , ,2-51995. . - Р. 246 показало, что постоянное магнитное поле приводит к увеличению радиальной макросегрегации примеси, которая возрастает с увеличением индукции магнитного поля. Этот рост макросегрегации примеси обусловлен тем, что с ростом магнитного поля течение все более сильно стягивается к свободной поверхности жид 2 10885 1 2008.08.30 кой зоны, где перемешивание жидкости усиливается и концентрация примеси уменьшается, в то время как у оси течение жидкости замедляется и концентрация примеси возрастает. Этот эффект постоянного магнитного поля был подтвержден в экспериментах, проведенных в земных условиях. Результаты экспериментов описаны в статье.,., -. .//.. - 1998. - . 183. - . 545-553. В статье показано, что в магнитных полях с индукцией до одного тесла наблюдается снижение примесной полосчатости (микросегрегации) за счет снижения амплитуд колебаний всех параметров в жидкости. Но одновременно отмечается, что в кристалле увеличивается макросегрегация примеси по радиусу кристалла. В сильных магнитных полях (с индукцией, большей 1 тесла) возрастает также продольная макросегрегация и появляется новый тип микросегрегации примеси., ,.,, . .// .. - 1998. - . 183. - . 554-563. Ввиду общего неблагоприятного воздействия постоянного осевого магнитного поля на макросегрегацию примеси эксперименты по выращиванию кристаллов методом плавающей зоны с постоянным магнитным полем на борту космических аппаратов прекращены. В патентах Российской Федерации 2191228, МПК С 30 В 30/08, 30/04, 11/00, 100. 15/00, 2001 и 2198251, МПК С 30 В 30/08, 11/00, 13/00, 13/16, 13/32, 2001 предлагается использовать комбинированное магнитное поле, состоящее из вращающегося магнитного поля с осью вращения, совпадающего с осью цилиндрического кристалла, и постоянного осевого магнитного поля. Разработанная по этому способу установка предназначена для проведения экспериментов по выращиванию кристаллов методом плавающей зоны на борту космических аппаратов (в условиях микротяжести). Однако до настоящего времени эксперименты не проведены и поэтому невозможно судить об эффективности этого устройства. Относительно воздействия вращающегося магнитного поля на рост кристаллов методом плавающей зоны можно указать на статью...// .. - 2001. - . 231. - . 95-106. В этой статье отмечается, что вращающееся магнитное поле дает снижение колебаний температуры в жидкости и примесной полосчатости в выращенном кристалле. Одновременно можно заметить в одном из графиков в этой статье некоторое увеличение радиальной сегрегации примеси. Детальное описание эффектов вращающегося магнитного поля при выращивании кристаллов различными методами в невесомости и на земле представлено в статье Феонычева А.И. и Бондаревой Н.В. Воздействие вращающегося магнитного поля на устойчивость конвекции и рост кристаллов в невесомости и на земле // Инженернофизический журнал. - 2004. - Т. 77. -4. - С. 50-61. В статье показано, что можно получить довольно значительное снижение радиальной макросегрегации примеси при оптимизации параметров вращающегося магнитного поля в процессе выращивания кристаллов методом плавающей зоны в условиях микротяжести. Структура и скорость течения в жидкости можно регулировать также, используя слой дополнительной жидкости, который наносится на слой основной жидкости. Исследование течений в таких жидких двухслойных системах проводилось неоднократно, причем основное внимание уделялось изучению устойчивости течений. Обобщение этих исследований дано в статье,., 1993. Дополнительный слой жидкости используется также для уменьшения контакта основной жидкости с газовой средой при выращивании кристаллов методом Чохральского. Это является содержанием двух патентов США 5454346, МПК С 30 В 11/08, 1995 5515810, МПК С 30 В 15/12, 1996. Выбор дополнительной жидкости рассматривается в этих патентах только с точки зрения поддержания требуемой чистоты и компонентного состава кристаллизирующейся основной жидкости. Для рассмотренных в качестве кристаллизирующихся жидкостей 1- ипредлагается использоватьи 23 соответственно. 3 10885 1 2008.08.30 Возможность управления течением и тепломассопереносом в жидких двухслойных системах с граничными условиями, соответствующими выращиванию кристаллов методом плавающей зоны, рассмотрена в статье,,./.. . , 1992. - С. 47-52. Результаты численного исследования течений и тепломассопереноса в жидких двухслойных системах с граничными условиями, соответствующими процессу роста кристаллов методом плавающей зоны, представлены в трудах, . 28-291997,., ,.-.,3123. - Р. 272-282. В этой работе проведена классификация структуры течения в зависимости от термокапиллярного эффекта на границе раздела жидкостей (числа Марангони 12) и на свободной границе дополнительной жидкости (числа Марангони Ма 2), от отношения толщин жидких слоев (2/1 ) и от параметров, составленных из отношения физических свойств контактирующих жидких слоев (К 2 /1,2/1 ,2/ 1). Здесь 12-(12/Т)Т/1,Ма 2(2/Т)Т/2,-- температурная разность в системе, Т и Т максимальная (на середине жидкой зоны) и минимальная (на границах жидкой зоны, на фронтах плавления и кристаллизации) температура,- поверхностное натяжение на границе,и к - теплопроводность и температуропроводность жидкости соответственно 12 индексы 1 и 2 относятся к основной и дополнительной жидкости, а индекс 12 относится к границе раздела жидкостей. Рассмотрено также влияние продольного и поперечного постоянного магнитного поля на течение и тепломассоперенос. В патентах Японии 01282184 , МПК С 30 В 15/00,01 21/208, 1989 и 11180798 ,МПК 30 29/06,30 13/30,01 21/208, 1999, - поперечное или продольное магнитное поле предлагается использовать для снижения скорости движения расплава. В патенте США 5556461, НКИ 117/52, 1996, магнитное поле интенсивностью от 300 до 1000 гаусс предлагается использовать также только для снижения интенсивности конвекции в жидкости. В этих трех патентах рассматривается только однослойная система и не указывается, как снижение интенсивности течения расплава повлияет на однородность состава выращиваемого кристалла. Выше было показано, что снижение интенсивности конвекции в обычной однослойной жидкой системе метода плавающей зоны способствует снижению микросегрегации примесей, но одновременно приводит к росту макросегрегации примеси. В патенте США 7025827, МПК С 30 В 11/02, 2006 предлагается использовать вращающегося магнитного поля для снижения макро- и микросегрегации примесей. В качестве аналога предлагаемого способа для выращивания кристаллов принимается патент США 4740264, МПК С 30 В 27/02, 1988. В этом патенте предлагается между стенкой ампулы и кристаллизирующимся материалом располагать слой дополнительного материала, который должен обладать следующими свойствами быть жидким в области жидкой зоны основного материала не образовывать с основным материалом раствора в жидком состоянии быть химически инертным по отношению к основному материалу. Первое из перечисленных требований к дополнительному слою в данном патенте обеспечивает отсутствие контакта кристаллизирующегося основного материала со стенками ампулы. Это обеспечивает снижение уровня дислокаций в растущем кристалле за счет того, что термические напряжения, возникающие в месте контакта кристалла со стенками ампулы в зоне границы кристаллизации, исключаются. Этот эффект является основным в данном патенте и он указан в формуле изобретения. Два других требования к дополнительному слою вполне очевидны, поскольку в противном случае меняется основной кристаллизирующийся материал. 4 10885 1 2008.08.30 В тексте описания к этому патенту говорится о снижении скорости термокапиллярной конвекции при использовании второго дополнительного слоя и возможности использования магнитного поля для этих же целей. В описании не указано, как снижение скорости течения жидкости связано с качественными характеристиками выращиваемого кристалла. Как показали многочисленные расчеты и эксперименты, в частности с использованием магнитных полей, упомянутые выше, само по себе снижение скорости течения расплава не обеспечивает снижение макросегрегации примеси. В самой формуле изобретения отсутствует указание на использование второго слоя и магнитного поля для управления скоростью или направлением течения расплава кристаллизирующегося материала. В описании патента не говорится об управлении направлением движения расплава за счет выбора физических параметров и толщины слоя дополнительного материала. Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. На цилиндрический стержень из материала, который предполагается получить в виде монокристалла,наносится любым способом слой нужной толщины другого материала. Этот второй материал должен быть в жидком виде химически инертным по отношению к основному материалу, не смешиваться с ним и иметь температуру кристаллизации (плавления) ниже, чем основной материал. В зоне нагрева (длина зоны нагрева, отнесенная к внешнему радиусу,равняется 22,5), внешний дополнительный слой жидкости, удерживается в нужном месте при земной силе тяжести за счет сил поверхностного натяжения и вязкости жидкости. В условиях микротяжести эта проблема вообще не существует. Физические свойства и толщина второго дополнительного материала подбираются таким образом, чтобы обеспечить изменение движения расплава в жидкой зоне основного материала на обратное по отношению к тому, которое оно имело в однослойном варианте. В этом случае формируется такая структура течения в основной кристаллизирующейся жидкости, которая обеспечивает более равномерное распределение концентрации примеси вдоль границы кристаллизации. Все другие варианты направления течения жидкости в двухслойной системе не дают такого положительного эффекта. Дополнительный эффект снижения радиальной разности концентрации примеси в кристалле, выращенном в двухслойной системе, получается, если применить постоянное магнитное поле. Более сильный эффект получается, когда магнитное поле действует на основную электропроводящую жидкость, а дополнительная жидкость неэлектропроводна. Если основная жидкость неэлектропроводна и магнитное поле прикладывается к проводящему электрический ток дополнительному слою, положительный эффект достигается при использовании более сильного магнитного поля. Положительный эффект достигается как при продольном (вдоль оси), так и при поперечном магнитное поле, хотя во втором случае эффект меньше. На фиг. 1 показана схема выращивания кристалла основного материала (1) при использовании слоя второго дополнительного материала (2). Расплавленная зона основного материала (3) и дополнительной жидкости (4) размещается от границ плавления (5) до границ затвердевания (6) материалов. Жидкая зона дополнительного материала перекрывает по длине жидкую зону основного материала из-за более низкой температуры плавления (кристаллизации). На фиг. 2 показано размещение соленоидной катушки (1), питаемой постоянным током и создающей в общем случае продольное постоянное магнитное поле в расплавленной зоне основного (2) и дополнительного материала (3). Длина катушки должна превосходить длину электропроводного расплава, чтобы обеспечить однородное магнитное поле по всей его длине. На фиг. 3 показано использование поперечного магнитного поля, создаваемого в расплавленной зоне основной (1) или дополнительной (2) жидкости с помощью электромагнита (3), питаемого постоянным током (4), и магнитопровода (5). На фиг. 4 показано сечение А-А этого устройства. 5 10885 1 2008.08.30 Во всех трех схемах линии тока в обеих жидких зонах за счет термокапиллярного эффекта и динамического взаимодействия текущих жидкостей показаны замкнутыми линиями. Сплошные линии показывают течение по часовой стрелке, а пунктирные - против часовой стрелки. На фиг. 5 приведены данные численных расчетов, показывающие, как влияет на радиальную макросегрегацию примеси интенсивность постоянного магнитного поля, приложенного к электропроводной основной жидкости по оси для широкой зоны нагрева образца (кривая 1) и для узкой зоны (кривая 2), а также при действии магнитного поля поперек кристалла (кривая 3). На фиг. 6 представлены результаты расчета, когда поперечное магнитное поле действует только на дополнительную жидкость для широкой (кривая 1) и узкой (кривая 2) зон нагрева образца. Некоторые примеры реализации предлагаемого технического решения приведены ниже. Пример 1. Длина жидкой зоны , отнесенная к толщине двух жидких слоев , равна 2, 2/0,2. Распределение теплового потока, поступающего извне на свободную поверхность второй дополнительной жидкости создает широкую зону нагрева. Ма 12280, Ма 21000,11/10,1, 22/210, К 0,8,80,0,5, число Шмидта 11/110,нормальный коэффициент распределения примеси между твердой и жидкой фазами 00,023, безразмерная скорость кристаллизации основной жидкости/10,2,где 1 - коэффициент диффузии примеси в жидкой фазе кристаллизирующейся основной жидкости,- размерная скорость кристаллизации основной жидкости. Относительная радиальная неоднородность распределения примеси на границе кристаллизации (отмечается индексом ) выражается параметром С/С, где С-,- средняя концентрация примеси на границе кристаллизации. В этой двухслойной жидкой системе этот параметр радиальной макросегрегации равняется 0,045, т.е. 4,5 . В однослойной системе,без дополнительной жидкости радиальная макросегрегация равняется 0,065 (6,5 ). Если в указанной двухслойной системе используется продольное постоянное осевое магнитное поле, действующее только на основную жидкость (вторая дополнительная жидкость неэлектропроводна), то в диапазоне числа Гартмана от 0 до 10 радиальная макросегрегация снижается от 0,045 до 0,0152 (1,5 ). При дальнейшем увеличении магнитной индукции параметр С/С растет и достигает значения 0,065 при На 18 (фиг. 5, кривая 1). Таким образом, по сравнению с однослойной системой в двухслойной удалось уменьшить радиальную макросегрегацию примеси в 3,8 раза при оптимальном выборе параметров жидких пар и магнитного поля. Этот модельный пример соответствует по большинству параметров комбинации- 23. Пример 2. Если используется поперечное магнитное поле для той же комбинации жидкостей с теми же параметрами, то минимальное значение параметра радиальной неоднородности распределения примеси С/С 0,0151 получается при На 6 (фиг. 5, кривая 3). Пример 3. Если все параметры те же, что и в примерах 1 и 2, только зона нагрева узкая и тепловой поток более интенсивен, то значение параметра / без использования магнитного поля будет равно 0,082 (радиальная неоднородность распределения примеси 8,2 ). Продольное постоянное магнитное поле при числе Гартмана На 20 дает минимальное значение параметра неоднородности, равное 0,025 (фиг. 4, кривая 2), т.е. снижение по сравнению с моделью одной жидкости в 2,6 раза. 6 10885 1 2008.08.30 Пример 4. В случае когда основная жидкость неэлектропроводна и воздействие на процесс кристаллизации магнитным полем возможно только через электропроводную вторую дополнительную жидкость, эффективность такого воздействия много меньше. Расчет, проведенный с теми же параметрами жидкостей, кроме Ма 2 и 12 (смотри данные,приведенные на фиг. 6), какие приведены в примере 1, показывает, что снижение до минимального значения параметра С/С 0,0205 получается при поперечном магнитном поле с На 200 при широкой зоне нагрева (кривая 1). При еще более сильном магнитном поле (На 600) минимальное значение /0,0215 получается при узкой зоне интенсивного нагрева (кривая 2). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8