Кабардино – Балкарский Государственный Университет

Курсовая работа

Тема : “Выращивание профильных монокристаллов кремния методом Степанова.”

Выполнил : Ульбашев А.А.

Проверил :

Нальчик 2000г.

Задание.

1.Описать Метод.

а - Теоретические основы формообразования.

б - Технологические особенности.

в - Конструктивные особенности.

2.Область применения ПРОФИЛЬНО выращенных Монокристаллов.

3.Расмотреть на примере кремния.

КВАЗИРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

С ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ МЕНИСКА РАСПЛАВА

(СПОСОБ СТЕПАНОВА)

a Теоретические основы формообразования.

Принципиальная основа и методика получения фасонных изделий из металлов и полупроводников с использованием различных эффектов (сил поверхностного натяжения, тяжести, электромагнитного взаимодействия, гидродинамических явлений и т.п.), формирующих мениск расплава в процессе вытягивания кристалла, разработаны чл.-корр. АН СССР А. В. Степановым'.

Жидкость может принимать определенную форму не только с помощью стенок сосуда, но и вне сосуда, в свободном состоянии. На этом основано формообразование профилированных кристаллов, принцип которого сформулирован А. В. Степановым : форма или элемент формы, которую желательно получить, создается в жидком состоянии за счет различных эффектов, позволяющих жидкости сохранить форму; сформированный так объем жидкости переводится в твердое состояние в результате подбора определенных условий кристаллизации.

А. В. Степанов предложил, например, формировать мениск при помощи специальных формообразователей. помещаемых в расплав так, чтобы мениск расплава приподнимался над щелью в поплавке, лежащем на поверхности расплава в тигле и изготовленном из материала, не смачиваемого расплавом. Для формообразования мениска можно применять также электромагнитное поле высокочастотного индуктора.

Таким образом, формообразующее устройство в общем случае представляет собой довольно сложный комплекс элементов. Оно позволяет управлять формой, геометрией, тепловым состоянием столба расплава и вытягиваемого кристалла, а также распределением примеси в кристалле. Твердый формообразователь характеризуется физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (его смачиваемостью, плотностью, теплопроводностью, теплоемкостью), а также конфигурацией (форма отверстия или щели, глубина отверстия, форма. отверстия по глубине).

В теории вытягивания кристаллов по способу Степанова предполагается условие:

* сумма потоков тепла, выделяющегося при затвердевании расплава, и тепла, поступающего к фронту кристаллизации из жидкой фазы, равна потоку тепла, отводящемуся от фронта. кристаллизации через твердую фазу.

Данное условие нужно для устойчивого роста кристалла с сохранением габаритов его поперечного сечения, угол сопряжения жидкой фазы с поверхностью растущего кристалла a является одной из важных капиллярных характеристик, определяющих процесс роста и формообразования кристалла. Таким образом, форма поперечного сечения кристалла зависит от тепловых и капиллярных условий процесса.

РИС. 1. Форма мениска расплава и изменение контактного угла при вытягивании кристалла из расплава: а - стационарный рост, а = 0; б - сужение кристалла, а < 0; в - расширение кристалла, а > 0

Как показано на рис. 1, предполагается, что достаточно большим отрицательным значениям угла a соответствует уменьшение диаметра кристалла, большим положительным значениям – увеличение диаметра.

Предельные отрицательные и положительные значения a определяются величиной угла смачивания 0₀ на границе твердой и жидкой фазы (для германия 0₀ = 45⁰ , для кремния 0₀ = 60⁰ ):

(1)

При соблюдении условия (8) и в приближении достаточного медленного вытягивания, чтобы можно было пренебречь кинетической энергией расплава, движущегося за кристаллом, форма мениска, соответствующая минимуму энергии системы, определяется уравнением Лапласа:

(2)

Где P - давление, действующее на мениск в данной точке;

s - поверхностное натяжение расплава;

R и R₁ - главные радиусы кривизны мениска.

Решение уравнения (2) показывает, что в условиях стационарного роста кристалла (см. рис. 1, a) высота • мениска h₀ связана с радиусом кривизны периметра фронта кристаллизации R₀ соотношениями

при (3)

и

при (4)

где ---капиллярная постоянная;

r - плотность расплава;

g - ускорение силы тяжести.

Если мениск примыкает к плоской грани кристалла, то R₀ = ¥, и тогда на основании соотношения (4) получим

(5)

Изменение угла a при небольших отклонениях от величины h₀ определяется следующим выражением

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--