КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 2, с. 332-336
РОСТ КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.52+548.4
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ГРАДИЕНТОВ ТЕМПЕРАТУРЫ
© 2014 г. В. А. Московских, П. В. Касимкин, В. Н. Шлегель*, Я. В. Васильев*, В. А. Гридчин,
О. И. Подкопаев**, В. Н. Жданков***
Новосибирский государственный технический университет E-mail: v.moskovskih@gmail.com * Институт неорганической химии СО РАН, Новосибирск ** ОАО "Германий", Красноярск *** ООО "СИЭМЭЛ", Новосибирск Поступила в редакцию 28.11.2012 г.
Исследована возможность выращивания монокристаллов германия в условиях низких градиентов температуры с целью получения бездислокационного материала. В системе с весовым контролем процесса при максимальных осевых градиентах ~ 1.5 К/см выращены кристаллы германия с плотностью дислокации ~100—200 см-2.
DOI: 10.7868/S0023476114020167
ВВЕДЕНИЕ
За последние два десятилетия снова возник большой интерес к германию как к полупроводниковому материалу для оптоэлектронных и электронных приложений. Германий используется в качестве подложек для эпитаксиального роста соединений А3В5 благодаря незначительному различию параметров решетки в сравнении с GaAs и более высокому кристаллографическому совершенству. В частности, германиевые пластины широко используются в качестве подложек в гетероструктурах GaAs/Ge при изготовлении солнечных батарей для космических применений. Для этих целей требуются бездислокационные германиевые подложки.
Основным производителем бездислокационного Ge является компания Umicore Group. Материал получают в ограниченном количестве, и технология его производства не раскрывается.
Термоупругие напряжения, вызывающие образование дислокаций, определяются распределением температур в растущем кристалле. Как известно, для уменьшения плотности дислокаций Nd необходимо понижать температурные градиенты [1, 2]. Плотность дислокаций напрямую связана со второй производной поля температур
N -
dz
Опыт выращивания оксидных кристаллов в условиях низких градиентов температуры (НГТ) свидетельствует о существенном понижении плотности дислокаций [3, 4].
Монокристаллический германий обычно получают методом Чохральского. В настоящей работе для выращивания монокристаллов Ое используется низкоградиентный метод Чохральского (ЕГС Сг) [5] с автоматическим весовым контролем процесса, который в этом методе играет особую роль. Во-первых, тепловой узел не имеет окон для наблюдения, которые могут искажать тепловое поле. Оператор может судить о происходящем в зоне кристаллизации только по показанию весового датчика. Во-вторых, снижение градиентов при росте кристаллов из расплава сопровождается ухудшением динамической устойчивости процесса. Поддержание роста кристалла с заданной геометрией и стабилизация процесса в этих условиях осуществляются только за счет сигнала обратной связи по изменению массы. К неоспоримым преимуществам этого метода можно отнести то обстоятельство, что данная система позволяет поддерживать аксиальный и радиальный градиенты в расплаве на уровне ~1 К/см и менее.
Управление процессом выращивания полупроводниковых кристаллов по сигналу датчика веса кристалла осложнено так называемой "аномальной" зависимостью весового сигнала от времени [6]. Можно ожидать, что типовые методы оценки сечения растущего кристалла для регулирования диаметра с использованием сигнала весового рассогласования между заданным и текущим весом кристалла в данном случае могут оказаться неэффективными или вообще неприменимыми.
Причины аномального поведения весового сигнала, сформулированные в первых работах по
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ
333
весовому контролю процессов роста [6, 7], следующие:
— поведение мениска. Изменение диаметра растущего кристалла в сторону увеличения сопровождается уменьшением веса менисковой части, а изменение диаметра в сторону уменьшения — увеличением веса менисковой части. Это приводит к тому, что процесс регулирования при малых скоростях кристаллизации становится неустойчивым;
— соотношение плотностей кристалла и расплава. В процессе выращивания материалов, которые расширяются при затвердевании, также появляется неустойчивость процесса регулирования. В данном случае причиной появления ложного весового сигнала будет закристаллизовавшаяся под поверхностным уровнем расплава часть кристалла. Плотность таких материалов в твердом состоянии меньше, чем в жидком, а это означает, что при кристаллизации в расплаве материал займет больший объем, чем объем жидкого расплава, равный по массе закристаллизованной части. В свою очередь это приведет к уменьшению массы кристалла, регистрируемой датчиком веса. Регулятор процесса роста воспримет это как отставание веса кристалла от заданного по программе и начнет снижать температуру, чем увеличит нестабильность процесса роста.
При выращивании кристаллов Ge традиционным методом Чохральского устойчивость системы весового контроля достигается путем дифференцирования весового сигнала [6]. Однако такой подход эффективен только при высоких скоростях роста. В случае применения низкоградиентного метода скорости значительно меньше, чем в традиционном методе Чохральского, а именно, единицы мм/ч, и регулирование поперечного сечения при помощи весового контроля сильно осложнено, что подтвердилось и в настоящей работе.
Цель данной работы — изучение возможности стабильного выращивания монокристаллов германия в условиях НГТ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Выращивание кристаллов Ge методом LTG Cz проводилось на модифицированной установке НХ620, переоборудованной для выращивания кристаллов в контролируемой среде.
Схема теплового узла установки представлена на рис. 1. Рост проводился из графитового тигля, накрытого конусной графитовой крышкой с патрубком. Наружные стенки тигля имели цилиндрическую форму, а внутренний объем — форму усеченного конуса, нижний диаметр которого 65, верхний 70 мм. Наружный диаметр тигля равен 80, высота 150 мм. Тигель помещался в трехзон-ную печь сопротивления, закрытую теплоизоли-
Рис. 1. Схема теплового узла установки для выращивания Ge методом LTG Cz: 1 — тигель, 2 — крышка с патрубком, 3 — шток держателя затравки, 4 — слой теплоизоляции, 5 — керамическая грузоприемная площадка весов, В — верхняя, С — средняя, Н — нижняя зоны нагревателя соответственно.
рующей крышкой с отверстием, через которое проходит патрубок крышки тигля. В донной теплоизоляции имеется отверстие для грузоприем-ного штока. Для управления распределением температуры секции нагревателя имеют независимые контуры регулирования температуры.
В качестве исходного материала использовался Ge поликристаллический зонноочищенный с собственным удельным сопротивлением (при 300 К) 47 Ом см и химической чистотой 6N (99.9999). Перед началом выращивания кристалла камера откачивалась до вакуума ~10-1 мм рт. ст. и затем заполнялась He (марка А, ТУ 51—940—80), пропущенным через азотную ловушку.
Монокристаллы Ge выращены в трех кристаллографических направлениях — (111), (100) и (211) — с относительно небольшой скоростью кристаллизации, равной 3.5 мм/ч.
Согласно расчетам, проведенным с помощью пакета CGSim, разработанного ООО "Софт-Им-пакт", градиенты температуры в кристалле в процессе роста не превышали 1.5 K/см.
Первоначально была проведена серия опытов по выращиванию монокристаллов с использованием системы регулирования поперечного сечения кристалла при помощи метода весового контроля с управлением по рассогласованию весово-
334
МОСКОВСКИХ и др.
Изменение температуры
Рис. 2. Монокристалл Ое, выращенный с П-алгорит- Рис. 3. Кривая изменения температуры на нагревате-
мом преобразования сигнала рассогласования веса. ле в процессе роста в устойчивой системе управления.
го сигнала, которая успешно применялась для роста оксидных кристаллов в ИНХ СО РАН. На фотографии выращенного кристалла (рис. 2) видны типичные колебания в весовой системе регулирования процессом роста монокристалла Ое.
В последующих экспериментах для управления процессом роста кристаллов Ое в условиях НГТ был успешно применен способ получения информации о площади поперечного сечения растущего кристалла из весового сигнала и величины перемещения штока механизма вытягивания, основанный на подходах, описанных в [8], где в системе с датчиком уровня расплава для оценки диаметра кристалла применено импульсное вытягивание из расплава.
Применительно к датчику веса суть этого способа состоит в следующем. Монокристалл дискретно вытягивают через определенные интервалы времени на фиксированную достаточно малую (~0.2 мм) величину Д^. Подъем кристалла сопровождается падением уровня расплава на величину ДН, определяемую соотношением SТДН = = ^кр(ДН + Д^), что вызывает изменение показаний датчика веса тигля с расплавом на величину ДВ = gpжSТДН. Здесь ^кр и $г — площадь поперечного сечения тигля и кристалла соответственно, рж — плотность расплава. По этим соотношениям площадь поперечного сечения кристалла находится из измеренной величины ДВ отклика весов и задаваемой величины Д^. За счет этого была достигнута устойчивость управления процессом выращивания кристалла Ое при НГТ при использовании типовых алгоритмов регулирования. Детали системы управления и анализ ее работы будут описаны в отдельной публикации.
На рис. 3 показано типичное изменение температуры на нагревателе в ходе роста кристалла общей длиной 150 мм. Видно, что после разращи-вания конуса температура на нагревателе меняется монотонно и незначительно — амплитуда изменения температуры на участке роста кристалла постоянного сечения не превышает 2 К, что типично для метода LGT С7.
К отличительным особенностям кристаллов, выращенных в условиях НГТ, в сравнении с традиционными вариантами выращивания можно отнести формообразование, в частности отклонение сечения кристалла от круглого. На кристалле проявляются обычно медленно растущие грани, имеющие наибольшую ретикулярную плотность. Германий относится к классу веществ с кубической решеткой типа алмаза. Плотноупакованны-ми гранями для Ое является семейство плоскостей {111}. Габитус крис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.