DE1769568A1 - Process for the production of crystals from compounds and alloys - Google Patents
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Description
CENTHE HATIONAL DE IA RECHERCHE SCIENTXPIQUE, Paria, Frankreich CENTHE HATIONAL DE IA RECHERCHE SCIENTXPIQUE, Paria, France
Verfahren zur Herstellung von Kristallen aua Verbindungen undProcess for the production of crystals aua compounds and
legierungen "alloys "
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen aus Verbindungen oder Legierungen bus einer Lösung. The invention relates to a method for producing crystals from compounds or alloys in a solution.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssige Phase, die entweder mindestens einen Bestandteil der Verbindung oder der Legierung, aus der man den Kristall herstellen will, oder einen Fremdstoff enthält, kontinuierlich von ihrer Oberfläche aus mit dem oder den anderen Bestandteilen, aus denen man den Kristall herstellen will (oder mit allen Bestand-» teilen des Kristalls, wenn die flüssige Phase aus einem Fremd stoff besteht) gespeist wird, wobei die flüssige Phase insge samt zwei aufeinanderfolgenden Teraperaturgrsdienten ausgesetzt The process is characterized in that a liquid phase, which either contains at least one component of the compound or the alloy from which the crystal is to be produced , or a foreign substance, is continuous from its surface with the other component or components from which one wants to produce the crystal (or with all constituents of the crystal, if the liquid phase consists of a foreign substance ) is fed, the liquid phase being exposed to two successive temperature forces
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,„ 2 -, "2 -
wird, Ton denen der eine schwach und der zweite stark ist, derart, daß die Bestandteile durch die Masse der flüssigen Phase transportiert werden und die Kristallisation der gewünschten Verbindung oder Legierung auf dem Niveau des zweiten Gradienten stattfinden kann, wobei die flüssige Phase und die beiden Temperaturgradienten gegeneinander mit einer solchen Geschwindigkeit verschoben werden, daß sich die Zusammensetzung |} der flüssigen Phase nicht verändert und die Kristallisation immer bei der gleichen Temperatur erfolgt.becomes, tone of which one is weak and the second strong, such that the constituents are transported through the bulk of the liquid phase and the crystallization of the desired Compound or alloy can take place at the level of the second gradient, the liquid phase and the two temperature gradients against each other with such a Speed can be shifted so that the composition |} of the liquid phase does not change and the crystallization always takes place at the same temperature.
Die Erfindung ist anhand der nachstehenden "f-eschreibung und der beigefügten Zeichnung erläutert, die scLematisch in drei Stellungen der aufeinanderfolgenden Arbeitsnchritte eine Versuchsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt.The invention is based on the following "description and the attached drawing explains the schematic diagram of a test device in three positions of the successive work steps shows how to carry out the process.
In der Industrie besteht ein großer Bedarf an Kristallen mit großem Querschnitt, insbesondere für Halbleiter, die sehr gute Homogenitätseigenschaften haben müssen.There is a great need in industry for crystals with large cross-sections, especially for semiconductors that are very good Must have homogeneity properties.
Um derartige Kristalle herzusteilen, "beispielsweise Kristalle einer Verbindung DF mit den beiden Bestandteilen D und F, von. denen einer, z.B. der "Bestandteil F, flüchtig sein soll, während der Bestandteil D eine flüssige, nichtflüchtige Phase bilden kann, ,geht man erfindungsgemMS wie folgt vor:To produce such crystals, "for example crystals a compound DF with the two components D and F, of. which one, e.g. the "ingredient F", is said to be volatile, while the component D can form a liquid, non-volatile phase, one proceeds according to the invention as follows:
BAD ORIGINAL 109843/UU BATH ORIGINAL 109843 / UU
Han bringt in das gleiche Gefäß einmal den Beetandteil D und zum anderen den Bestandteil F, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, die gewährleisten» daß der Bestandteil F nur im Dampfzustand mit dem Bestandteil D in Berührung kommen kann*Han brings the bed part D and into the same vessel on the other hand, the component F, with facilities provided which ensure that the constituent F is only in the vapor state may come into contact with component D *
In der Figur ist eine praktische Ausführungsform dieses Gefäßes dargestellt, das die Form eines Hohres 1, z.B. aus Siliciumdioxyd, haben kann. Im Gefäß ist einmal der Bestandteil D und «um anderen der Bestandteil F untergebracht, wobei letzterer sich in einem Innenrohr 2 befindet, das, beispielsweise durch Einschmelzen an der Innenwand des Rohres 1 angebracht ist, und zwar in der Nähe des oberen Endes des Rohres 1.In the figure is a practical embodiment of this vessel shown, which has the shape of a Hohres 1, e.g. made of silicon dioxide, may have. In the vessel there is one component D and the other component F, the latter is located in an inner tube 2, which is attached to the inner wall of the tube 1, for example by melting, in the vicinity of the upper end of the tube 1.
Um die gebildete flüssige Phase D an ihrer Oberfläche mit dem Bestandteil F zu speisen, bringt man den Teil des Rohres 1, der den Bestandteil D enthält, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Bestandteils D, wcbei der Teil des gleichen Rohres, der das Innenrohr 2 enthält, auf eine Temperatur gebracht wird, bei der der Bestandteil F in den Dampfzustand übergeht.To the liquid phase D formed on its surface with the To feed component F, one brings the part of the pipe 1, which contains the component D, to a temperature above the melting temperature of the component D, where the part of the same tube that contains the inner tube 2 on one Temperature is brought at which the component F in the Vapor state passes.
Der Dampf von F steht auf diese Weise dauernd mit der Oberfläche des Bestandteils D in Berührung und kann sich also kontinuierlich im Bestandteil D auflösen, und zwt_r an dessen Oberfläche. Die gelöste Menge hängt von den beiden genannten Temperaturen ab.In this way, the vapor from F is permanently with the surface of component D is in contact and can therefore move continuously dissolve in component D, and zwt_r on its surface. The amount dissolved depends on the two temperatures mentioned away.
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Der Bestandteil F reagiert im gelbsten Zustand mit dem Bestandteil D unter Bildung der Verbindung DF, die sich ihrerseits im Bestandteil D löst und an die kälteste Stelle des durch den Beetandteil D gebildeten Bades diffundiert.The component F reacts in the yellowest state with the component D to form the compound DF, which in turn is in the Component D dissolves and goes to the coldest point of the Beetandteil D formed bath diffuses.
Man setzt die flüssige Phase (oder das Bad), die durch den Bestandteil D gebildet wird, insgesamt zwei aufeinanderfolgenden Temperaturgradienten aus, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Kristallisation der Verbindung DF am unteren Ende des Rohres 1 erfolgen kann.One sets the liquid phase (or the bath) made by the ingredient D is formed, a total of two successive temperature gradients, which are characterized in that the crystallization of the connection DF at the lower end of the tube 1 can take place.
TJm die Kristallisation am unteren Ende des Rohres 1 in Gang zu setzen, kann man dort einen Kristallkeim anbringen.To set the crystallization in motion at the lower end of the tube 1, a crystal nucleus can be attached there.
Um die Zusammensetzung der flüssigen Phase konstant zu halten und um zu gewährleisten, daß die Kristallisation immer "bei der gleichen Temperatur erfolgt, verschiebt man das Rohr 1 und die beiden Temperaturgradienten mit einer Geschwindigkeit V gegeneinander. Diese Geschwindigkeit V wird so berechnet, daß die Menge der Verbindung DF, die sich an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf bildet und die sich in dem Bad des Bestandteils D wieder auflöst, derjenigen Menge der Verbindung DF entspricht, die auf dem Niveau des zweiten Gradienten auikrietaliialert, wobei die Grenzfläche "Bad aus D / auskristallieierter Feststoff DF" im Inneren des zweiten GradientenTo keep the composition of the liquid phase constant and in order to ensure that the crystallization always takes place at the same temperature, one moves the tube 1 and the two temperature gradients with a speed V against each other. This speed V is calculated so that the amount of compound DF that forms at the liquid / vapor interface and that is in the bath of the constituent D dissolves again that amount of the compound DF corresponds to that auikrietaliialert at the level of the second gradient, the interface "bath of D / crystallized Solid DF "inside the second gradient
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·» 5 —· »5 -
in dem Maße aufrechterhalten wird, wie die Kristallisation erfolgt.is maintained to the extent that such crystallization occurs.
Um die Grenzfläche der Kristallisation zu verbessern, sieht man vor, daß der zweite Gradient im allgemeinen einen Temperaturabfall von etwa 100 0O je cm Rohrlänge hat· Aus dem gleichen Grund arbeitet man bei möglichst niedrigen Konzentrationen der zu kristallisierenden Verbindung in der flüssigen Phase.In order to improve the interface of the crystallization, it is provided that the second gradient generally has a temperature drop of about 100 0 O per cm of pipe length. For the same reason, one works with the lowest possible concentrations of the compound to be crystallized in the liquid phase.
Zu Beginn des Versuches wird das Rohr 1 also auf zwei angren zenden Temperaturbereichen gehalten, nämlich; At the beginning of the experiment, the tube 1 is kept in two adjacent temperature ranges, namely;
auf einer Zone mit konstanter Temperatur T1, die sich min destens über einen Teil der Zone des Rohres 1 erstreckt, die das Innenrohr 2 enthält, wobei diese Temperatur T1 den Dampfdruck des Bestandteils P im Inneren des Rohres 1 und insbesondere an der Oberfläche des durch den Bestandteil D gebildeten Bades bestimmt.on a zone of constant temperature T 1 , which extends min least over part of the zone of the tube 1 which contains the inner tube 2, this temperature T 1 the vapor pressure of the component P inside the tube 1 and in particular on the surface of the determined by the component D formed bath.
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einem Temperaturgradienten Tg-T, (T- <Tg, wobei Tg und T- obtrhalb T1 liegen und Ί\ die Temperatur der Idquidua-Phae· der Verbindung BF bei der Konzentration von BF in D bedeuten) sit schwacher Steigung, mit dessen Hilfe quer durch das Bad «lt des Bestandteil B eine dynamische Traneportpone für die Verbindung BF erzeugt wird, die an das Ende des Rohres 1 diffundiert, das sich auf der Temperatur T^ befindet. a temperature gradient Tg-T, (T- <T g , where T g and T- are above T 1 and Ί \ the temperature of the idquidua phase of the compound BF at the concentration of BF in D ) sit with a slight slope, with the aid of which a dynamic transport portpone for connection BF is generated across the bath of component B and diffuses to the end of tube 1 which is at temperature T 1 .
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Sobald die Sättigung erreicht ist, "beginnen die Kristallisation und die Relativbewegung zwischen dem Rohr und dem Gradienten Tg-T-. Von diesem Zeitpunkt an wird das Rohr auf der Höhe seines unteren Endes auf einen dritten Temperaturbereich gebracht, nämlich auf den bereits genannten großen Temperaturgradienten, der mit Ί^-Τ^ bezeichnet wird. Der Augenblick der Sättigung wird durch Berechnungen ermittelt, die nachstehend noch näher erläutert sind.As soon as saturation is reached, “crystallization begins and the relative movement between the tube and the gradient Tg-T-. From this point on the pipe will be at the height of his brought the lower end to a third temperature range, namely to the already mentioned large temperature gradient, which is denoted by Ί ^ -Τ ^. The moment of saturation becomes determined by calculations, which are explained in more detail below are.
Aue praktischen Gesichtspunkten kann man sieh z.B. einer Anordnung bedienen» wie sie sohematisch in der Figur dargestellt ist. Hier sind drei aufeinanderfolgende Stellungen des Rohres dargestellt, nämlich die Stellungen X, II und III, die dea Beginn des Versuches, einer Zwisohanstellung bzw, dem Ende des Versuches entsprechen. Dieae Anordnung enthalt drei öfen, die mit 3» 4 und 5 bezeichnet sind und mit deren Hilfe die drei genannten Temperaturbereiche eingestellt werden. Diese Temperaturbereiche sind durch die gemeinsame Kurve im rechten Teil der Figur'erläutert. Wie dargestellt, begrenzt die Anordnung der drei ftfen einen Raua S, in dam das Rohr t mit Hilfe eines Fadens 6 aufgehängt ist, durch den es mit der Welle 7 einer nicht dargestellten Vorrichtung verbunden ist» die dem Rohr ^eAe beliebige Absenkgeschwindigkeit, auch die geringst mögliche, gibt·Aue practical aspects can be used, for example, with an arrangement »as it is shown thematically in the figure. Here three successive positions of the pipe are shown, namely positions X, II and III, which correspond to the beginning of the experiment, a double position or the end of the experiment. The arrangement contains three ovens, which are designated 3 »4 and 5 and with the help of which the three mentioned temperature ranges are set. These temperature ranges are explained by the common curve in the right part of the figure. As illustrated, the arrangement of the three ftfen defines a Raua S, in dam the tube T with the aid of a thread 6 is suspended, by which it is connected to the shaft 7 of a device not shown "which the pipe ^ EAE any lowering, also the least possible, there
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Um die Größe der gegenseitigen Verschiebungageschwindigkelt zu ermitteln» nimmt man an, daß der Transport von D? durch Diffusion quer durch das flüssige Bad aus D erfolgt» wobei man das dieser Diffusion zugrunde liegende Gesetz (allgemein Fiok'sehe Gesetz genannt) anwendet, nämlich -By the amount of mutual displacement to determine »it is assumed that the transport of D? by Diffusion takes place across the liquid bath from D »whereby the law on which this diffusion is based (general Fiok's see called law) applies, namely -
J β — K ,J β - K,
ds V - Λds V - Λ
worin J den Diffusionsstrom, d.h. die Gewichtsmenge des Bestandteils F, der in der Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit hindurchgeht ,where J is the diffusion flux, i.e. the amount by weight of the component F, which passes through a unit of area in the unit of time ,
K den Diffusionskoeffizienten von P im Bestandteil D (der charakteristische Wert der Diffusionslcoeffizienten in Flüssigkeiten liegt in der Größenordnung von 1CP^ cm /see), Yj1 die Gewichtsmenge von P je Volumeinheit der Lösung und χ die Höhe der flüssigen Phase "bedeuten.K is the diffusion coefficient of P in component D (the characteristic value of the diffusion coefficient in liquids is in the order of magnitude of 1CP ^ cm / sec), Yj 1 is the weight of P per unit volume of the solution and χ is the height of the liquid phase ".
Man kann im allgemeinen davon ausgehen, daß der Konzentrationsgradient linear ist, wo"bei man die folgende vereinfachte Pormel erhalt:One can generally assume that the concentration gradient is linear, where "with one the following simplified formula receive:
.K . K
(Tp)jj die Konzentration der Lösung an dem Bestandteil F an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf,(Tp) jj is the concentration of the solution on the component F. the interface between liquid and vapor,
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(Vp)j die Konzentration der Lösung an den Bestandteil F an der Grenzfläche der Kristallisation bedeuten.(Vp) j denotes the concentration of the solution to the constituent F at the interface of the crystallization.
Will man beispielsweise Kristalle von GaP nach dem Verfahren gemäß der Erfindung herstellen, wobei das Gallium den Bestandteil D und der Phosphor den Bestandteil P darstellt, so können die Temperaturwerte des ttohres 1 wie folgt sein: If, for example, crystals of GaP are to be produced by the method according to the invention, the gallium being the component D and the phosphorus being the component P, the temperature values of the tube 1 can be as follows:
400 0C 1000 0C400 0 C 1000 0 C
800 0O 500800 0 O 500
0C 0 C
Sieht man sich das Phasendiagramm Ga-P an, ao findet man, daß die atomaren Konzentrationen an Phosphor in der Lösung bei 800 °σ und 1000 0C 1,9 · 10*"3 bzw. 1,5 · 10~2 betragen. Looking at the phase diagram of Ga-P on, ao we find that the atomic concentrations σ of phosphorus in the solution at 800 ° C and 1000 0 1.9 x 10 * "3 and 1.5 x 10 -2, respectively.
Fimmt man an, daß die Lösung eine ideale Losung darstellt und daß die' Dichte des Galliums und des Phosphors in flüssiger Form 6*1 g/onr bzw. 1,7 g/cnr betragen, so erhält mani Assuming that the solution is an ideal solution and that the density of gallium and phosphorus in liquid form are 6 * 1 g / cm and 1.7 g / cm, respectively, one obtains i
(Vy)11 « 39,7 · 10"3 g/cm3 (Vp)1 ~ 5,1 · 10~3 g/cm3 '(Vy) 11 "39.7 x 10" 3 g / cm 3 (Vp) 1 ~ 5.1 x 10 ~ 3 g / cm 3 '
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Ba der Wert von K, wie oben angegeben gleich 10"* em /eeo ist, erhält man für χ β 4 cm den folgenden Wert für Jt If the value of K is equal to 10 "* em / eeo as stated above, the following value for Jt is obtained for χ β 4 cm
J β 8,7 · 10~7 g/sec.J β 8.7 x 10 ~ 7 g / sec.
Kennt man J, so lassen sich der Zeitpunkt, an dem die Sättigung erreicht ist, sowie der Wert der AfcSenkgeschwindigkeit der Ampulle, "bei der die Kristallisation "bei konstanter Temperatur erfolgts leicht "bestimmen.If J is known, the point in time at which saturation is reached and the value of the lowering speed of the ampoule, "at which the crystallization" occurs at constant temperature is done easily "determine.
Unter der Annahme, daß der % =llparameter des Galliumphosphida 5»43 8 ist und die Zelle vier Phosphoratome enthält, findet man, daß die Absenkgeschwindigkeit in 24 Stunden in der Größenordnung eines Millimeters liegt.Assuming that the % = ll parameter of the gallium phosphide is 5-43 8 and the cell contains four phosphorus atoms, it is found that the rate of descent in 24 hours is of the order of magnitude of a millimeter.
Vejpsuchsergebniase haben gezeigt, daß dieser Wert richtig ist.Vejpsuchsergebniase have shown that this value is correct is.
Um GaAs-Kristalle herzustellen, kann man ähnliche Temperaturbedingungen wählen, nämlich:Similar temperature conditions can be used to produce GaAs crystals choose, namely:
T1 β 400 0C
T2 β 1000 0CT 1 β 400 0 C
T 2 β 1000 0 C
T. >* 900 0CT.> * 900 0 C
Temperaturgradient T*-T ^ β 8° 0C/co.Temperature gradient T * -T ^ β 8 ° 0 C / co.
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Die Absenkgeschwindigkeit liegt dieses Mal in der Größenordnung von 2-3 mm pro Tag.The lowering speed this time is of the same order of magnitude of 2-3 mm per day.
In den vorstehenden Fällen wurde angenommen, daß die kontinuierliche Beschickung des flüssigen Bades aus dem Bestandteil D über eine Dampfphase erfolgt.In the above cases, it was assumed that the continuous The liquid bath is charged from component D via a vapor phase.
Selbstverständlich kann diese kontinuierliche Beschickung auch über eine flüssige oder sogar feste Php.se erfolgen. In diesem Fall genügt es„ diese flüssige oder feste Phase mit der Oberfläche des Bades in Berührung au bringen, was im Falle einer flüssigen Phase beispielsweise unter Verwendung eines Hohres mit zwei nacheinander angeordneten Kammern, die über eine Einschnürung (z.B. eine Kapillare) miteinander verbunden sind, erfolgen kann» Auf der Höhe der Einschnürung befindet sich die Zwischenschicht zwischen Bad und flüssiger Beschickungsphase. Im Falle einer festen Phase geht man so vor, daß man das Pulver auf die Oberfläche des Bades bringt.Of course, this continuous feeding can also take place via a liquid or even solid Php.se. In this In this case, “this liquid or solid phase with the surface is sufficient of the bath, which can be done in the case of a liquid phase, for example by using a tube with two chambers arranged one after the other, which are connected to one another via a constriction (e.g. a capillary), can take place »At the height of the constriction is the intermediate layer between the bath and the liquid feed phase. In the case of a solid phase, the procedure is to apply the powder to the surface of the bath.
Indem man entweder im Bad oder in der Phase,mit der das Bad beschickt wird, eine Verunreinigung vorsieht, kann man in den Kristall ein Dotierungsmittel in vollständig konstanter Konzentration einbauen, ganz gleich, wie gering diese Konzentration auch ist.By either in the bath or in the phase with which the bath is loaded If an impurity is provided, a dopant can be introduced into the crystal at a completely constant concentration build in, no matter how low this concentration is.
BADBATH
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Das Verfahren gemäß der Erfindung hat folgende Vorteile, insbesondere! The method according to the invention has the following advantages, in particular!
Die Synthese und die Kristallisation des Einkristalls kann in einem einzigen Arbeitaschritt vorgenommen werden»The synthesis and crystallization of the single crystal can be carried out in can be carried out in a single work step »
man kann Kristalle mit großer Länge und grc3em Durchmesser aus wenig konzentrierten Lösungen mit Hilfe τοη Vorrichtungen mit geringem Raumbedarf herstellen?one can get crystals of great length and large diameter from less concentrated solutions with the help of τοη devices produce a small footprint?
man kann homogene Kristalle herstellen.homogeneous crystals can be produced.
Nach einer weiteren Ausführungsfonn sieht man bei einem röhrenförmigen Gefäß eine Verengerung in der Fähe des unteren Endes des Rohres vor? was zur Folge hat, daß die Bildung eines Kristallkeims auf der Höhe dieser Verengexrzng angeregt wird. Dieser Keim, der sich frei in der Flüssigkeit bildet, bewirkt eine bessere Orientierung des Kristalls.According to another embodiment, a tubular vessel shows a constriction near the lower end of the pipe? which results in the formation of a seed crystal is excited at the level of this narrowing. This Germ that forms freely in the liquid causes better orientation of the crystal.
PatentansprücheClaims
109843/1414109843/1414
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8239 | Disposal/non-payment of the annual fee |