Методы нормальной направленной кристаллизации

May 2, 2013 by admin Комментировать »

В методах нормальной направленной кристаллизации заготовка расплавляется целиком, а затем расплав кристаллизуется с одного конца. Общим для этих методов является рост кристалла в контакте со стенками тигля, содержащего расплав. Создание переохлаждения на фронте кристаллизации осуществляют путем перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя, создающего тепловое поле с градиентом температуры, или путем перемещения нагревателя относительно тигля. Кристаллизация также возможна и при охлаждении неподвижного тигля с расплавом в тепловом поле с температурным градиентом (получаемым путем неравномерной намотки печи) при программном снижении питающей печь мощности. В зависимости от расположения тигля с материалом различают горизонтальный и вертикальный методы нормальной направленной кристаллизации. Вертикальный метод получил название метода Бриджмена (рис. 6.1,а).

Оборудование, необходимое для проведения процесса нормальной направленной кристаллизации, включает (рис. 6.1):

Рис. 6.1. Схема выращивания кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации расплавов: а — вертикальная модификация (метод Бриджмена); б — горизонтальная модификация.

1) тигель заданной формы, изготовленный из материала, химически стойкого по отношению к расплаву и газообразной среде, в котором проводится процесс кристаллизации;

2) печь, обеспечивающую создание заданного теплового поля;

3) систему регулирования температуры печи и механического перемещения контейнера или нагревателя.

Суть метода нормальной направленной кристаллизации заключается в следующем. Предварительно тщательно очищенный исходный материал загружают в тигель и расплавляют; процесс проводят в вакууме или в нейтральной атмосфере в герметичной камере. Затем начинается охлаждение расплава, причем наиболее интенсивному охлаждению подвергается оттянутый заостренный участок тигля: здесь зарождаются центры кристаллизации (рис. 6.1). Заостренный конец используется с целью увеличения вероятности образования только одного центра кристаллизации, поскольку объем расплава, находящегося в заостренной части тигля, невелик. Кроме того, в случае образования нескольких центров кристаллизации один из них, имеющий наиболее благоприятную ориентацию для роста, подавляет рост остальных зародышей. С течением времени по мере перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя или перемещения нагревателя относительно тигля фронт кристаллизации перемещается в сторону расплава и постепенно весь расплав в тигле закристаллизовывается. Слиток будет монокристаллическим, если будет расти только один зародыш.

Следует заметить, что, если используются методы нормальной направленной кристаллизации для выращивания кристаллов, то процессы зарождения и роста не контролируются с достаточной степенью точно

сти. Эти процессы зависят от формы фронта кристаллизации, от материала и качества изготовления тигля и всевозможных изменений условий роста. Особо следует остановиться на сильной зависимости совершенства выращиваемого кристалла от материала тигля. Для получения чистых кристаллов с минимальным количеством собственных дефектов необходимо выполнение следующих жестких требований, предъявляемых к свойствам материала тигля. Расплав и материал тигля не должны вступать в химическую реакцию. Расплав не должен смачивать стенки тигля, а после кристаллизации сцепляться с ним. Теплопроводность и тепловое расширение обоих материалов должны быть близки. Тигель должен обладать достаточной термической и механической прочностью. В качестве материала для изготовления тиглей наиболее часто применяют стекло, плавленный кварц, высокочистый графит, оксид алюминия (алунд), платину, нитрид алюминия и др.

Применение затравок при выращивании кристаллов методами нормальной направленной кристаллизации затруднительно, особенно в случае вертикального расположения тигля. Это связано с недостаточно высокой точностью измерения теплового поля печи (малые температурные градиенты) и часто с невозможностью визуального наблюдения за фронтом кристаллизации и затравкой из-за непрозрачности материала тигля и стенок рабочей камеры. В результате этого в начальный период процесса может происходить либо полное расплавление затравки, либо неполное расплавление исходного материала.

Процессы кристаллизации при горизонтальном расположении тигля отличаются от кристаллизации при вертикальном расположении  тем, что, во-первых, механическое воздействие тигля на кристалл значительно меньше, и, во-вторых, тем, что фронт кристаллизации может быть доступен наблюдению, что позволяет использовать затравки. Однако управление формой фронта кристаллизации, особенно по вертикали, при горизонтальном расположении тигля значительно труднее, чем в случае вертикального расположения, ввиду асимметрии теплоотвода.

Выращивание кристаллов проводят в печах при различных градиентах температуры. При механическом перемещении тигля относительно нагревателя или наоборот желательно создание двух изотермических областей с перепадом температуры между ними: одна область с температурой выше, а другая ниже Tпл (рис. 6.1). Практически ступенчатое распределение температуры достигается при использовании двухзонных печей с раздельным регулированием температуры и хорошей теплоизоляцией между зонами. Такое распределение температуры в печи позволяет одновременно с ростом проводить отжиг выращиваемого кристалла.

Рис. 6.2. Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского. 1 — затравочный шток, устройство подъема и вращения; 2 — верхний кожух; 3 — изолирующий клапан; 4 — газовый вход; 5 — держатель затравки и затравка; 6 — камера высокотемпературной зоны; 7 — расплав;

8  —  тигель;  9  —  выхлоп;  10  

вакуумный насос; 11 — устройство вращения и подъема тигля;

12 — система контроля и источник энергии; 13 — датчик температуры; 14 — пьедестал; 15 — нагреватель;  16  —  изоляция;  17  

труба для продувки; 18 — смотровое окно; 19 — датчик для контроля диаметра растущего слитка.

Метод нормальной направленной кристаллизации имеет важное значение для получения крупных монокристаллов с достаточно высокой скоростью выращивания (1–10 мм/ч). Таким способом растят химические соединения, например PbTe, GaAs. Однако в случае GaAs из-за высокой летучести As приходится проводить выращивание в специальных условиях: при избыточном давлении паров мышьяка. Основным недостатком метода является трудность получения кристаллов достаточно высокого структурного совершенства.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты