Aparato y método de crecimiento cristalino.

Un aparato para el crecimiento cristalino, de manera que el aparato comprende:

una cámara de aporte (30), configurada para contener un material de aporte (20);

una cámara de crecimiento (50);

un paso (40) para el transporte de vapor desde la cámara de aporte (30) hasta la cámara de crecimiento (50);

un soporte (70), dispuesto dentro de la cámara de crecimiento y configurado para soportar un cristal seminal (60); y

un espacio de separación (190), definido entre la cámara de crecimiento (50) y el soporte (70);

de tal modo que el coeficiente de dilatación térmica del soporte (70) es mayor que el coeficiente de dilatación térmica de la cámara de crecimiento, y de forma que los materiales y dimensiones del soporte y de la cámara de crecimiento se han seleccionado para que el espacio de separación (190) entre el soporte y la cámara de crecimiento esté definido para una temperatura de funcionamiento, a fin de proporcionar una función de limitación de flujo a esa temperatura de funcionamiento.

Aparato y método de crecimiento cristalino Campo técnico

La presente invención se refiere a un aparato para el crecimiento cristalino en fase de vapor.

Antecedentes de ia invención

Los presentes solicitantes han depositado un cierto número de Solicitudes de Patente encaminadas a métodos y aparatos para el crecimiento cristalino en fase de vapor, incluyendo la WO 99/10571, la WO 2006/090104 y la WO 2008/142395.

Para hacer crecer un cristal por medio de técnicas de crecimiento cristalino en fase de vapor, es necesario proporcionar una fuente de aporte de los materiales a partir de los cuales se ha de formar el cristal, y un núcleo de crecimiento, o simiente, sobre el que el cristal se hace crecer a partir del material de aporte. Una zona de transporte vincula las zonas de aporte y de sumidero. Al crear una diferencia de temperaturas entre la zona de aporte y la zona de sumidero donde se ha proporcionado la simiente, se creará una diferencia de presiones de vapor entre las zonas de aporte y de sumidero, la cual actúa como fuerza impulsora del crecimiento cristalino. La temperatura de la zona de aporte deberá ser mayor que la temperatura de la zona de sumidero.

El control del crecimiento cristalino dependerá de diversos factores, que incluyen las temperaturas de la fuente de aporte y del sumidero y las presiones de vapor, así como el flujo de vapor sobre la simiente.

En los primeros sistemas de crecimiento cristalino en fase de vapor (tales como, por ejemplo, el divulgado en el documento JP 2000128699), el cristal se hacía crecer sobre un cristal seminal proporcionado dentro de la ampolla. La ampolla se suministraba al interior de un horno tubular con el fin de calentar las zonas de aporte y de sumidero. Resulta, sin embargo, muy difícil controlar el crecimiento de cristales utilizando dicho sistema.

Se sugirió, a fin de mejorar el sistema tubular básico, la provisión de un primer controlador de flujo entre las zonas de aporte y de simiente, en combinación con un segundo controlador de flujo situado aguas abajo de la zona de simiente para proporcionar un bombeo continuo, con el fin de extraer una cierta proporción del material de aporte de la zona de simiente. La provisión del primer controlador de flujo actúa haciendo que el caudal de transporte másico sea menos sensible al diferencial de temperaturas entre las zonas de aporte y de sumidero que en el sistema tubular básico, si bien la diferencia de temperaturas sigue siendo un factor importante.

En el documento WO 99/10571 se divulga un aparato en el que se han proporcionado medios de calentamiento independientes para cada una de las zonas de aporte y de sumidero. Las zonas de aporte y de sumidero, conjuntamente con los medios de calentamiento independientes, se proporcionan dentro de una cámara de vacío. Esto permite un control más preciso de las temperaturas de aporte y de sumidero, y, por tanto, de la diferencia de temperaturas entre estas zonas, a fin de hacer posible una transición de fase sólida-vapor-sólida en las zonas de aporte, de transporte y de sumidero. Sin embargo, los medios de calentamiento deben ser unos que sean capaces de funcionar en un vacío. Por lo tanto, calentadores tales como los calentadores de bobina de resistencia resultan inadecuados. Puede proporcionarse un limitador de flujo en la zona de transporte situada entre las zonas de aporte y de sumidero con el fin de proporcionar un control adicional.

El documento US 2008/0156255 A1 preconizó que el espacio de separación o grado de separación proporcionado entre el soporte y la cámara de crecimiento puede actuar como limitador de flujo y, por tanto, puede afectar a las propiedades del vapor y, en consecuencia, al crecimiento cristalino. Se sugirió que la función de limitación del flujo dependiera de una combinación del tamaño del espacio de separación y de su longitud, y, por tanto, que diferentes geometrías del soporte y/o de la cámara de crecimiento darían lugar a diferentes funciones del limitador de flujo y, por consiguiente, a diferentes crecimientos cristalinos. El espacio de separación existente entre el soporte y la cámara de crecimiento puede, por lo tanto, jugar un papel importante a la hora de definir las propiedades del vapor y, en consecuencia, las condiciones de crecimiento de un aparato de crecimiento cristalino. Sin embargo, puesto que el soporte ha de colocarse dentro de la cámara de crecimiento antes del crecimiento cristalino, y ha de ser extraído de la cámara de crecimiento con el cristal, tras su crecimiento, se requiere un espacio libre suficiente entre el soporte y la cámara de crecimiento para esta colocación y extracción.

Compendio de ia invención

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para el crecimiento cristalino según se expone en la reivindicación 1.

Al proporcionar un soporte que tiene un coeficiente de dilatación térmica que es mayor que el de la cámara de crecimiento, cuando el aparato, incluido el soporte y la cámara de crecimiento, es calentado a las altas temperaturas requeridas para el crecimiento cristalino en fase de vapor, la dilatación relativa del soporte será mayor que la de la cámara de crecimiento. El efecto de esta dilatación relativa será la reducción del espacio de separación existente

entre la cámara de crecimiento y el soporte a temperaturas más altas, en comparación con el espacio de separación entre el soporte y la cámara de crecimiento a temperaturas inferiores. Es posible, de esta forma, proporcionar un soporte que sea suficientemente más pequeño que la cámara de crecimiento a temperaturas más bajas, por ejemplo, a la temperatura ambiental, de tal manera que exista un espacio de separación entre el exterior el soporte y el Interior de la cámara de crecimiento suficiente para permitir que el soporte sea colocado dentro de la cámara de crecimiento y desplazado hasta la posición requerida con facilidad. Conforme el aparato es calentado, el soporte y la cámara de crecimiento se expandirán, cada uno de ellos. Sin embargo, puesto que el coeficiente de dilatación térmica del soporte es mayor que el coeficiente de dilatación térmica de la cámara de crecimiento, el soporte se expandirá relativamente más que la cámara de crecimiento y, por lo tanto, el espacio de separación entre la cámara de crecimiento y el soporte se reducirá. Seleccionando apropiadamente los coeficientes de dilatación térmica del soporte y de la cámara de crecimiento, el espacio de separación existente entre la cámara de crecimiento y el soporte puede ser definido de forma precisa y con exactitud para un valor de temperatura dado. Esto permite una calibración de forma precisa y con exactitud de la función de limitación de flujo del espacio de separación y, por tanto, un control exacto de las propiedades de vapor y de las condiciones de crecimiento en el interior del aparato y, en particular, dentro de la cámara de crecimiento, al tiempo que se hace posible una fácil colocación y extracción el soporte de la cámara de crecimiento a temperaturas más bajas, ambientales, con un riesgo mínimo de que el soporte ¡mpacte contra la cámara de crecimiento con la posibilidad de que la dañe o sufra daños de ella.

La presente Invención permite, por lo tanto, que el soporte sea fácilmente emplazado dentro de la cámara de crecimiento a temperaturas más bajas, por ejemplo, a la temperatura de la sala, pero, a temperaturas superiores, tal como a las temperaturas de funcionamiento, el soporte puede dilatarse con respecto a la cámara de crecimiento con el fin de reducir el espacio de separación existente entre la cámara de crecimiento y el soporte, a fin de proporcionar una limitación de flujo exacta y deseada.

Preferiblemente, el soporte es movible con respecto a la cámara de crecimiento de un modo tal, que la superficie superior del soporte y, por tanto, la superficie superior del cristal pueden ser desplazadas conforme se hace crecer el cristal. Esto permite el ajuste de la posición de la superficie superior del cristal sobre la que se está haciendo crecer material cristalino adicional, y, por tanto, puede ajustarse su posición en el perfil de temperaturas. Esto es particularmente ventajoso cuando se está formando un cristal grueso, ya que la altura del soporte puede hacerse descender gradualmente a medida que se forma el cristal, a fin de asegurarse de que la superficie superior del cristal permanece en la misma posición del perfil de temperaturas.

El soporte puede ser acoplado a, o montado en, un árbol alargado. El árbol alargado puede tener un coeficiente de dilatación térmica que es el mismo que el del soporte o el de la cámara de crecimiento, o similar a él. Alternativamente, el árbol alargado puede... [Seguir leyendo]

I.- Un aparato para el crecimiento cristalino, de manera que el aparato comprende:

una cámara de aporte (30), configurada para contener un material de aporte (20); una cámara de crecimiento (50);

un paso (40) para el transporte de vapor desde la cámara de aporte (30) hasta la cámara de crecimiento (50);

un soporte (70), dispuesto dentro de la cámara de crecimiento y configurado para soportar un cristal seminal (60); y

un espacio de separación (190), definido entre la cámara de crecimiento (50) y el soporte (70);

de tal modo que el coeficiente de dilatación térmica del soporte (70) es mayor que el coeficiente de dilatación térmica de la cámara de crecimiento, y de forma que los materiales y dimensiones del soporte y de la cámara de crecimiento se han seleccionado para que el espacio de separación (190) entre el soporte y la cámara de crecimiento esté definido para una temperatura de funcionamiento, a fin de proporcionar una función de limitación de flujo a esa temperatura de funcionamiento.

2 - Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el soporte (70) es movible con respecto a la cámara de crecimiento (50) de manera tal, que la superficie superior del soporte y, por tanto, la superficie superior del cristal pueden ser movidas a medida que se hace crecer el cristal.

3 - Un aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual el soporte (70) está acoplado a un árbol alargado (176) o está montado en este.

4 - Un aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual el árbol alargado (176) tiene un coeficiente de dilatación térmica que es el mismo o similar que el del soporte (70) o el de la cámara de crecimiento (50).

5.- Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la cámara de crecimiento (50) y el soporte (70) tienen, respectivamente, un área en sección transversal generalmente circular.

6 - Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la cámara de crecimiento (50) está hecha de cuarzo o de nitruro de boro pirolítico.

7 - Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el soporte (70) está hecho de zafiro, alúmina, carburo de silicio, tungsteno, tántalo o molibdeno.

8 - Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la cámara de crecimiento (50) está hecha de cuarzo y el soporte (70) está hecho de zafiro.

9 - Un aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual la cámara de crecimiento (50) tiene un diámetro interior de en torno a 51,500 mm a 293 K, y el soporte tiene un diámetro exterior de en torno a 51,110 mm a 293 K.

10 -Un aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual la cámara de crecimiento (50) tiene un diámetro interior de en torno a 101,400 mm a 293 K, y el soporte tiene un diámetro exterior de en torno a 100,728 mm a 293 K.

II.- Un método para proporcionar un aparato para hacer crecer un cristal, de tal manera que el método comprende las etapas de:

proporcionar una cámara de crecimiento (50) que tiene un cierto coeficiente de dilatación térmica;

proporcionar un soporte (70) configurado para soportar un cristal seminal (60), de tal manera que el soporte tiene un coeficiente de dilatación térmica mayor que el coeficiente de dilatación térmica de la cámara de crecimiento;

calentar la cámara de crecimiento (50) y el soporte (70) hasta una temperatura de funcionamiento tal, que el aparato se dilata con respecto a la cámara de crecimiento para reducir el espacio de separación; y

seleccionar los materiales y las dimensiones del soporte y de la cámara de crecimiento de un modo tal, que el espacio de separación (190) entre el soporte y la cámara de crecimiento está definido para una temperatura de funcionamiento, a fin de proporcionar una función de limitación de flujo a esa temperatura de funcionamiento.

12.- El método de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende adlclonalmente hacer crecer un cristal sobre el soporte.

13-El método de acuerdo con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, que comprende adlclonalmente enfriarla

cámara de crecimiento y el soporte una vez que se ha hecho crecer un cristal sobre el soporte, de tal manera que el soporte (70) se contrae con respecto a la cámara de crecimiento (50) para aumentar el espacio de separación (190).