Курсовая работа: Вирощування монокристалів кремнію
При виборі швидкості вирощування і градієнта температури поблизу фронту кристалізації, а особливо при вирощуванні легованих монокристалів, можуть виникнути макродефекти у вигляді полі кристалічності або малокутової розорієнтації за рахунок концентраційного охолодження. Суть концентраційного охолодження полягає в тому, що при рості кристалу із розплаву, який містить в собі домішку, для якої коефіцієнт розподілу r* ≠1 ( розглянемо випадок коли r* <1 ), при русі виникає підвищена концентрація домішок С1 =Сs /r* , експотенціально спадаючи в глибину розплаву до Сl ( рис.1 б ); малий градієнт температури на фронті кристалізації проходить до виникнення області нестабільності розплаву ( заштрихована частина кривої розподілу температури ), яка обумовлює поглиблення рельєфу на фронті кристалізації – поява виступів висотою x. Підвищення температурного градієнта до значення, показаного у вигляді дотикаючої кривої розподілу температури, перешкоджають виникненню непотрібних ефектів концентраційного переохолодження.
2
С1 концентрація 1 температура
 |  |
 |  |
відстань 3
Сl в і дстань
розплав Сs
тверда фаза
x
а) б)
Рис. 1 Схема зміни концентрації (а) і температури ( б ) поблизу фронту кристалізації.
1- Градієнт, при якому появляється нестабільна область (заштрихована ) глубиною х; 2- градієнт відповідає доторкаючою до профілю температурі; 3- профіль температури
Встановлення нормального температурного градієнта при вирощуванні монокристалів з розплаву має суттєве значення, бо завеликі градієнти температури можуть приводити до пластичної деформації, а це приводить до підвищеної концентрації дефектів. Існують модельні випробування по вивченні впливу градієнта температури і швидкості його переміщення на форму і характер викривлення фронту кристалізації. Дослідження показали, що речовини з різною теплопровідністю мають оптимальний температурний градієнт порядку 40 град/см, при якому положення і форма фронту кристалізації стабілізується.
Рис . 2 схема і назви основних методів вирощування монокристалу з розплаву
а) – отримання злитку при всесторонніх охолодженнях ; б) – метод Киропулоса ; в) – кристалізація при охолодженні дна тигля ; г) – те саме з затравкою ; д) – метод Обрегімова - Шубникова ; е)- метод Стронга ; ж)- спосіб Бриджмена ; з) – спосіб Стокбаргера ; и) – метод Чохральського ; к) – метод розплавленого шару ; л)- метод вирощування тигля; м) – спосіб Вернейля; н ) – зонна плавка; о)- безтигельна зонна плавка ; 1 –порошок (а – рихлий, б – спресований ); 2 – розплав ; 3 – кристал ; 4 – фронт росту ; 5- затравочний кристал ; 6 – полікристалічний матеріал ; 7 – електричні нагрівачі різної потужності ; 8 – газовий нагрівач ; 9 – керований нагрівач ; 10 – високочастотні нагрівачі ; 11 – нагрівач опору або ВЧ – нагрівач ; 12 – холодильник ; 13 – направлений рух.
На рисунку 2 зображено схеми основних методів вирощування х розплаву монокристалу. Найбільш широко розповсюджені у виробництві напівпровідникових матеріалів отримали наступні методи: Киропулоса Бріджмена, Стокбаргера, Чохральського, зонна плавка в тиглі, безтигельна плавка.
Киропулос розробив високотемпературний варіант способу Накена, получивши велике промислове застосування. Розплав в тиглі не рівні поверхні має температуру близько 150 0 С вище температури плавлення речовини. В цей розплав опускається холодильник, який складається з платинової трубки довжиною 160 мм, діаметром 7 мм і товщиною стінок 0.3 мм. Всередині платинової трубки впаяна мідна, доходячи до її дна. В мідну трубку подається повітря, омиваючи на виході із неї всю платинову трубку рис 3
Рис 3
Схема нарощування полікристалічної затравки (1)
І монокристалу (2) за методом Кіропулоса
Повільне охолодження кристалу до температури,яка перевищує точку плавлення на 700 С, спричиняє ріст кристала навкруги холодильника в формі, яка зображена на рисунку 3. Нарощена на початку полікристалічна сфера 1 піднімається над розплавом до тих пір, доки змочений розплавом на її поверхні ділянка не зменшиться до 7 мм ( тобто діаметр холодильника ) ; із цієї шийки починається ріст монокристалічної напів сфери 2.
Методом Коропулоса отримують монокристали ряду речовин, в тому числі напівпровідників і ізоляторів ( широкозонних напівпровідників ) A111 B5 ( GaP, GaAs, GaSb,InP,InAs,InSb,AlSb ). Найбільш поширені це метод для вирощування щілочко-галоідних кристалів (CaCl2 , SrCl2 ,BaCl2 ,Kbr,NaJ,KJ,CaJ2 та інші.
Переміщення тигля в температурному градієнті. На цьому принципі засновані відомі методи вирощування Стокбаргера і Бріджмена. Установка складається із трубчастої печі, через яку опускається ампула, яка наповнюється кристалічною речовиною. Кристали виникають в результаті різкого охолодження ампули холодильником або в більш благородних умовах в другі печі з більш низькою температурою (рис. 2, з – Метод Стокбергера). В методі Бріджмена ( рис. 2, ж) додатково використовується кристалізаційна посудина ( рис. 4 ) . після досягнення опускаючої ампулної зони, де температура трохи нижча точки плавлення, починається кристалізація.
Рис. 4 Варіація форми посудин і її вплив на кристалізацію.
В нижчі частині посудини виникає декілька зародків. Один з яких досягає вказаної частини, звідки і росте вже один монокристал. Причому, застосований Бріджменом, виявляється досить успішним в умовах, коли швидкість виникнення зародків мала при температурах лише трішки нижче точки плавлення.
Методом Стокбергера вирощують кристали галогенідів металів NaF, LiF, CaF, MgF2 , KRS – 5 ( 44мол.% TIBr і 56 мол.% TIJ ), PbF2 ; методом Бріджмена – монокристали напівпровідникових з’єднань PbS, PbSe, PbTe. Кристали PbSe, вирощувані Лоусоном і Пізарелою досягали розмірів в довжину до 60 і у діаметрі 12,5 мм. Методом Бриджмена вирощувалися сульфід залі, селенід олова і селенідотелурид олова.
Для отримання тугоплавких з високою міцністю пара з’єднань типу – Стокбаргера кристалізацію проводять під тиском інертного газу, тиск якого досягає декількох сотень атмосфер. Найбільш точні значення температур плавлення сульфідів, селенеїдів і телуридів цинку і кадмію отримані прямими термографічними вимірами в роботі. Оскільки температури плавлення ZnS, ZnSe і CdS досягають 1718, 1526 і 1305 то в якості матеріалів тег і нагрівачів використовують графіт. Високий тиск інертного газу необхідний для подолання проблеми втрати речовини при плавленні, а також непотрібних реакцій графіту з дисоціюючими халькогенідами. З використанням техніки високих тисків вирощуються монокристали вказаних з’єднань масою до декількох кілограм. Вплив форми затравочної частини посуду в методах цього типу на процесі кристалізації ілюструється на ( рис 4, б ) на прикладі росту кристалів антрацен та. В ампулі з довгим капіляром ( рис. 4 а ) виникає багато зародків, які дають початок зросту із 3-5 кристалів. Якщо початок капіляру розширити в малу ковбочку ( рис. 4, б) за ідеєю Бріджмена число окремих кристалів зменшується, і в оптимальних випадках росте один монокристал. В зігнутих капілярів ( рис 4, в, г ), відбираються один зародок, виникне один монокристал, охоплений полікристалічною фазою. При введенні в посудину стакана з конічним дном, яке закінчується вигнутим капіляром, можливо получити великий монокристал, частково ( рис. 4, д ) або повністю ( рис. 4, е ) заповнюючий посуд для кристалізації.