Технология материалов и изделий электронной техники. Выращивание монокристаллов из расплавов. Лабораторный практикум

Лабораторная работа 10

СТАБИЛИЗАЦИЯ СКОРОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВЕСОВЫМ МЕТОДОМ

(2 часа)

10.1. Цель работы

Ознакомление с весовым методом стабилизации технологического процесса выращивания монокристаллов из расплава.

10.2. Теоретическое введение

Как уже отмечалось ранее (см. лабораторную работу 8), серьезные трудности при выращивании монокристаллов из расплава возникают из-за отсутствия прямого способа контроля скорости кристаллизации VT. В результате отсутствия такого контроля значительно затрудняется поддержание стабильности условий выращивания кристалла и прежде всего одного из важнейших параметров техноло-

гического процесса – линейной скорости кристаллизации VT. Этот ведущий параметр непрерывно пульсирует около своего номинального значения VНО с некоторой амплитудой отклонения V:

В свою очередь, пульсация скорости кристаллизации VT вызывает отклонение диаметра растущего кристалла d от его номи-

нального значения dНО с амплитудой отклонения d:

Однако самым существенным следствием нестабильности скорости кристаллизации VT является нестабильность химического состава растущего кристалла.

Действительно, эффективный коэффициент межфазового распределения микрокомпонента (микропримеси) K, определяющий содержание последнего в очередном кристаллическом слое C2T в соответствии с выражением

81

где C2Ж – среднее содержание микропримеси в жидкой фазе, существенно зависит от скорости кристаллизации VT:

где K0 – равновесный коэффициент межфазового распределения микрокомпонента;

– толщина диффузионного слоя;

DЖ – коэффициент диффузии микрокомпонента в жидкой фазе при температуре кристаллизации T0.

График функции (10.4) приведен на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Схематический график зависимости эффективного коэффициента межфазового распределения микрокомпонента K от скорости кристаллизации VT (равновесный коэффициент распределения K0=0,1)

Следовательно, изменение скорости кристаллизации VT на величину V влечет за собой изменение эффективного коэффициента межфазового распределения микропримеси K на величину K:

что, в свою очередь, приводит к пульсации содержания микропримеси С2Т в смежных слоях растущего кристалла с амплитудой отклоне-

ния С2Т от номинального значения С2ТНО:

82

Характерно, что все отклонения указанных технологических параметров от своих номинальных значений происходят синхронно

(рис. 10.2)

Рис. 10.2. Согласованное изменение во времени ростовых параметров:

а– скорости кристаллизации; б – диаметра растущего кристалла; в – коэффициента межфазного распределения микропримеси;

г– концентрации микрокомпонента в последовательных слоях растущего кристалла

Как отмечалось выше (см. лабораторную работу 8), при ручном управлении процессом выращивания монокристалла его качество, обусловленное постоянством состава, определяемым реальной степенью стабилизации скорости кристаллизации VT, зависит целиком от индивидуального искусства аппаратчика. Опытный аппаратчик должен не только заметить малейшие отклонения диаметра растущего кристалла d от его номинального значения dНО, но и безошибочно определить необходимую величину управляющего воздействия, необходимо для приведения диаметра кристалла к его номинальному значению dНО. Напомним, что, в соответствии с уравнением (8.3), наличие отклонения диаметра растущего кристалла от но-

83

минального значения служит надежным критерием непостоянства скорости кристаллизации.

Задача управления технологическим процессом выращивания монокристалла усложняется также тем обстоятельством, что массивная регулируемая система кристаллизатора, состоящая из растущего кристалла, тигля с расплавом, многочисленных тепловых экранов, обладает настолько значительной инерционностью, что отклик системы на управляющее воздействие (изменение мощности, подаваемой на нагревательное устройство) появляется со значительным запозданием (10 мин и более). Следовательно, при выращивании монокристаллов из расплава всегда остается существенной проблема повышения чувствительности следящей системы. Попытка заменить аппаратчика чувствительной автоматизированной следящей системой предпринималась неоднократно: для этой цели применялись различные оптические, электрические, контактные и другие методы. Однако, наибольших успехов удалось добиться с помощью так называемых весовых методов.

Поскольку выращивание кристалла из расплава неизбежно сопровождается уменьшением количества расплава в тигле, для контроля скорости кристаллизации было использовано взвешивание тигля с расплавом на чувствительных весах. Результаты взвешивания передавались на компьютер, который производил их обработку, расчет реальной скорости кристаллизации VT, ее сравнение с заданным номинальным значением VНО и, в соответствии с результатами сравнения, расчет управляющего воздействия – величины изменения мощности, подаваемой на нагревательное устройство ростовой установки.

Однако практика использования весового метода для стабилизации скорости кристаллизации VT наряду с несомненными достоинствами выявила также ряд существенных недостатков этого метода. Так, при расчете реальной скорости кристаллизации VT по результатам взвешивания тигля с расплавом этот метод не позволяет учесть ряд факторов реального технологического процесса: испарения расплава, электромагнитное взаимодействие между металлическим тиглем и высокочастотным индуктором, воздействия вибраций на взвешиваемую систему и др.

На смену методу взвешивания тигля с расплавом пришел новый весовой метод, освобожденный от указанных недостатков, но сохранивший основные достоинства прежнего метода: метод взвешивания растущего кристалла.

84

Схема нового весового метода, получившего в настоящее время широкое распространение в практике выращивания монокристаллов из расплава, приведена на рис. 10.3.

Растущий кристалл 2 с помощью штока 3 подвешивается к чувствительному рычагу тензометра 6, который сверху поддерживается компенсационной пружиной 7. Шток 4 проходит внутри водоохлаждаемого цилиндра 5 через центрирующее устройство 4. Сигналы от тензометра 6 поступают на компьютер и далее – на исполнительное устройство (регулятор мощности) и оттуда – на высокочастотный генератор.

5 4

3

Рис. 10.3. Схема весового метода стабилизации скорости выращивания монокристаллов:

1 – тигель с расплавом; 2 – растущий кристалл; 3 – шток; 4 – центрирующее устройство; 5 – камера водяного охлаждения;

6 – рычаг тензометра; 7 – компенсационная пружина; 8 – корпус; 9 – фиксатор

Перейдем к аналитическому описанию нового весового метода. Как было показано выше (см. соотношение (8.1)), скорость кристаллизации VT определяется как сумма скорости вытягивания кристалла VB и скорости опускания уровня расплава VОП. За время

масса растущего кристалла увеличивается на величину mТ:

где ST – площадь поперечного сечения растущего кристалла;

85

Аналогичным образом выражается скорость опускания уровня расплава VОП:

Учитывая баланс изменения масс растущего кристалла и рас-

плава

а также вышеупомянутое соотношение скоростей кристаллизации VT, вытягивания VВ и опускания уровня расплава VОП (8.1), получим следующее соотношение:

Величину отношения прироста массы растущего кристалла за единицу времени ( mТ/ ) называют массовой скоростью и обозначают символом mT :

Теперь разделим все члены соотношения (10.11) на mT :

Заменяя величины сечений ST и SЖ их геометрическими значениями, получим базовое уравнение весового метода:

86

Уравнение (10.14) наглядно отражает основной принцип весового метода: условием постоянства диаметра растущего кристалла d и скорости кристаллизации VT является стабильная величина мас-

совой скорости кристаллизации mT const , поскольку все остальные

величины, входящие в (10.14), представляют собой константы: D – величина диаметра прямого цилиндрического тигля; VB – скорость вытягивания кристалла, то есть скорость подъема кристаллодержате-

ля с растущим кристаллом; Т и Ж – значения плотности твердой и жидкой фаз при температуре кристаллизации, соответственно.

Уравнение (10.14) можно по праву назвать базовым уравнением весового метода. Действительно, это уравнение подчеркивает особую важность определения величины массовой скорости кри-

сталлизации mT для стабилизации условий выращивания монокристалла: чем точнее определена величина mT , тем точнее будет опре-

делено отклонение фактической скорости кристаллизации VT от заданного номинального ее значения VНО, тем точнее будет установлена величина управляющего воздействия – изменение мощности, подаваемой на индуктор. С другой стороны, чем чувствительнее будет тензометр, осуществляющий непосредственное взвешивание растущего кристалла, тем раньше будет обнаружено отклонение скорости кристаллизации VT от номинала VНО, тем раньше будет проведена корректировка мощности, тем меньшим по своей абсолютной величине будет и само корректирующее изменение мощности и соответственно меньше будет результирующие отклонения скорости кристаллизации VT и диаметра растущего кристалла d от своих номинальных значений.

Величина чувствительности современных тензодатчиков, применяемых в весовых методах выращивания монокристаллов достигает 50…100 мг. Для повышения надежности определения величи-

ны массовой скорости кристаллизации mT применяются непрерыв-

ное взвешивание растущего кристалла с равномерно-групповым усреднением результатов. Например, для получения одного значения веса растущего кристалла с точностью до 0,2 г на установке «РУМО» (производства 1988 г.) производится усреднение результатов 300 последовательных измерений, выполняемых в автоматическом режиме в течение 1 мин.

87

10.3. Оборудование и материалы для проведения работы

1.Автоматизированная ростовая установка типа «РУМО».

2.Шихтовые материалы.

3.Весы технические для дозировки шихтовых материалов.

4.Монокристаллические затравки.

5.Тигель.

6.Смеситель, пресс-форма и ручной пресс, необходимые для проведения работы.

10.4. Порядок выполнения работы и обработка результатов эксперимента

1.Ознакомиться с инструкциями по технике безопасности при работе на установках типа «РУМО»*.

2.Составить эскиз ростовой камеры установки «РУМО».

3.Выбрать заводские характеристики шихтовых материалов (квалификацию сырья, предельное содержание примесей).

4.Провести расчет количества шихтовых материалов в соответствии с требуемым стехиометрическим составом выращиваемого кристалла.

5.Взвесить нужные количества шихтовых материалов.

6.Провести перемешивание шихты на бегунках.

7.Провести таблетирование шихты.

8.Загрузить таблетки в тигель.

9.Установить тигель в ростовую камеру и отцентрировать его.

10.Ввести параметры процесса выращивания в компьютер.

11.Смонтировать кристаллизатор для теплового узла установки, состоящий из тепла и керамических экранов.

12.Начиная от операции затравливания и далее – в соответствии с порядком проведения лабораторной работы 3.

10.5. Отчет поработе

Отчет должен содержать следующие материалы.

1.Необходимые сведения об установке «РУМО».

2.Результаты расчета количества шихтовых материалов.

*Заводское руководство к установке «РУМО»: Пловдив. 1988.

88

3.Эскиз ростовой камеры с теплоизолирующим керамическим экраном.

4.Перечень параметров технологического процесса, введенных в компьютер.

5.Хронометраж важнейших стадий процесса выращивания.

6.Описание особенностей некоторых стадий процесса.

7.Результаты обследования выращенного кристалла (вес, размеры, ростовые дефекты, другие особенности).

10.6.Контрольные вопросы

1.Чем отличается весовой метод от классического – метода Чохральского?

2.Каков принцип управления процессом выращивания кристаллов весовым методом?

3.Какова продолжительность времени отклика регулирующей системы на поступающий сигнал?

4.Назовите параметры чувствительности весового датчика.

5.Какова максимальная выходная мощность тиристорного преобразователя частоты установки «РУМО»?

6.Какой принцип нагрева используется в установке «РУМО»?

7.Какова максимальная рабочая температура в тигле с рас-

плавом?

8.Каков максимальный диаметр выращиваемого кристалла?

9.Назовите принцип автоматического регулирования диаметра растущего кристалла в установке «РУМО».

10.Какова рабочая частота тиристорного преобразователя?

11.В какой атмосфере выращивают кристаллы на установке

«РУМО»?

12.Каков интервал скоростей вращения растущего кристалла?

10.7.Библиографический список

1.Розин К.М. Физико-химические основы процессов получения оптических и акустических монокристаллов. М.: МИСиС, 1978.

Ч. 2. С. 82 – 88.

2.Розин К.М. Методы расчета процессов получения диэлектрических монокристаллов. М.: МИСиС, 1979. С. 3 – 5.

3.Розин К.М., Осипов Ю.В., Макеев Х.И. Исследование ло-

кальной неоднородности монокристаллического кремния // Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1997. №5. С. 37 – 43.

89

Лабораторная работа 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕТУЧЕСТИ КОМПОНЕНТОВ ШИХТЫ НА ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ ИЗ РАСПЛАВА

(2 часа)

11.1. Цель работы

Ознакомление с методиками описания испарения летучих компонентов из расплава при выращивании монокристаллов.

11.2. Теоретическое введение

Потребности электронной техники, радиопромышленности, квантовой электроники требуют от технологов неотложного решения таких серьезных проблем, как повышение физической и химической однородности промышленных монокристаллических материалов и разработка новых перспективных кристаллов. Эффективное решение этих проблем заставляет все больше и больше внедряться в сферу высокотемпературной кристаллизации. Ранее уже упоминалось о промышленных кристаллах с температурой плавления около

2000 С: алюмоиттриевый (АИГ), лейкосапфир, корунд (см. лабораторную работу 9).

Детальное изучение неоднородности тугоплавких кристаллов приводит к выводу о весьма важной роли в технологии получения этих кристаллов процессов испарения компонентов из расплава. Продолжительное пребывание шихтовых материалов в расплавленном состоянии в этих условиях может приводить к испарению замет-

Авторы выражают глубокую благодарность руководителю лаборатории высокотемпературной кристаллизации чл.-корр. Российской Академии Наук Х.С. Багдасарову, ст. науч. сотруднику этой лаборатории И.М. Акуленок, сотруднику библиотеки ИКАН С.Н. Смирнову за интерес к нашей работе и предоставленные материалы, а также студенту Алексею Бульбину, который внес существенный вклад в подготовку настоящей лабораторной работы в период своей производственной практики в упомянутой лаборатории ИКАН.

90