Совмещение системы управления выращиванием монокристаллов германия на основе контактного метода измерения диаметра и одновременного вытягивания монокристалла 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/см ² . 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 W и имеет внутренний диаметр D , находится жидкий расплавленный металл. Кристалл диаметром d _ф вытягивается из фильеры со скоростью вытягивания V , и скоростью вращения W 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.

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.

Цанная 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.