Получение кристаллов из жидкой фазы

May 6, 2013 by admin Комментировать »

Все технологические методы выращивания монокристаллов из жидкой фазы можно разделить на две группы: выращивание из собственных расплавов и выращивание из растворов.

Расплав — это жидкая фаза, состав которой соответствует составу кристаллизующегося нелегированного вещества или соединения.

Раствор — это жидкая фаза, состав которой отличается от состава выращиваемого нелегированного вещества или соединения.

Процесс кристаллизации из жидкой фазы состоит из следующих этапов: 1) подвода кристаллизующегося компонента к поверхности роста (фронту кристаллизации); 2) поверхностной диффузии (миграции по поверхности роста и встраивания атомов в кристалл); 3) диффузии в объеме кристалла (миграции в кристалле); 4) отвода скрытой теплоты кристаллизации от поверхности роста.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс кристаллизации, является скорость роста кристаллов. Она зависит от способа и скорости подвода питающего компонента к поверхности роста, механизма роста кристаллической грани и интенсивности отвода тепла от фронта кристаллизации. При росте кристалла из газообразной фазы считают, что питание ступеней (изломов) в основном осуществляется по средством поверхностной диффузии атомов из адсорбированного слоя на растущей кристаллической грани. Потоком вещества из газообразной фазы непосредственно к ступеням полностью пренебрегают (см. гл. 4). Существенной особенностью роста из жидкой фазы по сравнению с ростом из газообразной фазы является то, что подвод питающего материала к растущей грани кристалла обеспечивается в основном объемной диффузией из жидкой фазы, так как даже в условиях интенсивного перемешивания расплава (раствора) у поверхности растущей грани кристалла всегда имеется тонкий слой неподвижной жидкости — диффузионный слой. Скорость роста кристалла в таких условиях будет  тем меньше, чем больше толщина диффузионного слоя. Однако не следует полностью пренебрегать и питанием ступеней (изломов) посредством поверхностной диффузии адсорбированных частиц на растущей грани.

Механизм роста кристаллической грани определяется главным образом ее строением, как и в случае роста кристаллов из газообразной фазы (см. гл. 4). Атомно-шероховатые (несингулярные) поверхности растут по нормальному механизму. В этом случае плотность центров роста сопоставима с плотностью поверхностных атомов и, как показывают расчеты для случая роста кристаллов из расплава, скорость роста поверхности пропорциональна переохлаждению на фронте кристаллизации (V ∼ ∆T ). Атомно-гладкие (сингулярные и вицинальные) поверхности растут по слоистому механизму при двухмерном зарождении ступеней роста  (V  ∼  ∆T exp(−1/∆T ))  и  по  слоисто-спиральному  механизму  с участием винтовых дислокаций (V ∼ (∆T )2).1 Анализ процессов роста кристаллов из раствора показывает, что в этом случае, так же как и в случае роста кристаллов из газообразной фазы (см. ниже), при малых пересыщениях зависимость скорости роста поверхности по слоисто-спиральному механизму от пересыщения близка к параболической, а при больших пересыщениях становится линейной.

Величина переохлаждения расплава или пересыщения раствора определяет образующуюся макроформу кристалла. При минимальном переохлаждении (пересыщении) образуются неограненные монокристаллы (наиболее равновесная форма роста), при больших переохлаждениях (пересыщениях) — ограненные монокристаллы, при еще больших переохлаждениях (пересыщениях) — дендриты (наименее равновесная форма роста). Внешняя форма неограненных монокристаллов определяется симметрией теплового поля, в котором происходит рост кристалла (см. ни

1Приведенные зависимости скорости роста кристаллов из расплава от переохлаждения для конкретного механизма роста кристаллических граней могут быть получены на основании законов диффузии [17].

же).

Образующиеся центры кристаллизации разрастаются благодаря подводу кристаллизующегося вещества из жидкой фазы к фронту кристаллизации (процесс массопереноса). При этом выделяющаяся при кристаллизации теплота должна отводиться от поверхности раздела фаз, чтобы соблюдались температурные условия кристаллизации. Если внешний теплоотвод отсутствует, то теплота кристаллизации повышает температуру системы, и рост твердой фазы при достижении температуры плавления Tпл прекращается. Для непрерывного роста твердой фазы необходимо наличие и постоянство температурного градиента, а скорость роста при этом будет определяться интенсивностью отвода тепла.

Таким образом, процессы теплои массопереноса наряду с кинетическими явлениями на поверхности роста играют определяющую роль в кинетике кристаллизации. Они могут быть описаны совокупностью дифференциальных уравнений теплои массопереноса. Строгое аналитическое решение такой системы уравнений в большинстве случаев крайне затруднено. Поэтому решение конкретной задачи часто проводят приближенно с привлечением представления о лимитирующей стадии процесса. Лимитирующей стадией процесса кристаллизации называется наиболее медленный ее этап, который и будет определять скорость роста монокристалла.

Процессы переноса играют важную, а зачастую и определяющую роль в формировании кристалла, в образовании дефектов в кристалле, в процессах легирования и т. д. Более детально процессы переноса будут рассмотрены ниже при анализе процессов выращивания из жидкой и газообразной фаз.

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