Вирощування кристалів з розплаву
Всі технологічні методи вирощування монокристалів з розплавів можна розділити на дві групи: а) тигельні методи; б) беcтігельние методи.
Вирощування кристалів з розплаву в даний час є найбільш поширеним промисловим процесом, тому що в порівнянні з іншими методами методи вирощування з розплаву володіють найвищою продуктивністю. Це обумовлено тим, що в розплавах дифузійні процеси в рідкій фазі (дифузія до фронту кристалізації компонентів кристалізується фази) не є лімітуючої стадією процесу. За допомогою цих методів можна отримувати досить чисті кристали Ge і Si з високими швидкостями росту (до 10 мм / год).
Недоліки методів вирощування кристалів з розплаву: використання високих температур зростання, що в ряді випадків може створювати проблеми при контролі температурних градієнтів, необхідних для вирощування кристалів високого структурного досконалості. Високі температури вимагають також більш високих енергетичних витрат при зростанні і сприяють забрудненню розплаву, якщо він знаходиться в тиглі.
Методи спрямованої кристалізації поділяються на три групи: методи нормальної спрямованої кристалізації; методи витягування з розплаву; методи зонного плавлення.
Методи нормальної спрямованої кристалізації
У методах нормальної спрямованої кристалізації заготівля розплавляється цілком, а потім розплав кристалізується з одного кінця. Зростання кристала, таким чином, відбувається в контакті зі стінками тигля, що містить розплав. Переохолодження на фронті кристалізації здійснюють шляхом переміщення тигля з розплавом щодо нагрівача, або нагрівача щодо тигля. Залежно від розташування тигля з матеріалом розрізняють горизонтальний і вертикальний методи нормальної спрямованої кристалізації. Вертикальний метод отримав назву методу Бріджмена (рис. 1, а).
Мал. 1. Схема вирощування кристалів методом нормальної спрямованої кристалізації розплавів: а - вертикальна модифікація (метод Бріджмена); б -горизонтальна модифікація (метод Багдасарова)
Обладнання, необхідне для проведення процесу нормальної спрямованої кристалізації, включає: 1) тигель заданої форми, виготовлений з матеріалу, хімічно стійкого по відношенню до розплаву і газоподібному середовищі, в якому проводиться процес кристалізації; 2) піч, що забезпечує створення заданого теплового поля; 3) систему регулювання температури печі і механічного переміщення контейнера або нагрівача.
Отже, попередньо ретельно очищений вихідний матеріал завантажують в тигель і розплавляють; процес проводять у вакуумі або в нейтральній атмосфері в герметичній камері. Потім починається охолодження розплаву, причому найбільш інтенсивному охолодженню піддається відтягнутий загострений ділянку тигля: тут зароджуються центри кристалізації (рис.1). Загострений кінець використовується з метою збільшення ймовірності утворення тільки одного центру кристалізації, оскільки обсяг розплаву, що знаходиться в загостреної частини тигля, невеликий. Крім того, в разі утворення кількох центрів кристалізації один з них, що має найбільш сприятливий орієнтацію для зростання, пригнічує ріст інших зародків. З плином часу у міру переміщення тигля з розплавом щодо нагрівача фронт кристалізації переміщається в сторону розплаву і поступово весь розплав в тиглі закрісталлізовивается.
Слід зауважити, що в даному випадку процеси зародження і зростання не контролюються з достатнім ступенем точності, вони залежать від форми фронту кристалізації, від матеріалу і якості виготовлення тигля і всіляких змін умов зростання. Варто окремо зупинитися на сильній залежності досконалості вирощуваного кристала від матеріалу тигля. Для отримання чистих кристалів з мінімальною кількістю власних дефектів необхідно виконання наступних жорстких вимог, що пред'являються до властивостей матеріалу тигля. Розплав і матеріал тигля не повинні вступати в хімічну реакцію. Розплав не повинен змочувати стінки тигля, а після кристалізації зчіплюватися з ним. Теплопровідність і теплове розширення обох матеріалів повинні бути близькі. Тигель повинен володіти достатньої термічної і механічної міцністю. Як матеріал для виготовлення тиглів найбільш часто застосовують скло, плавлений кварц, Високочистий графіт, оксид алюмінію (алунд), платину, нітрид алюмінію.