Метод Чохральского для роста кристаллов

   В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогниды, вольфраматы, ванадаты, ниобаты, и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Наличие альтернативных методов выращивания кристаллов из расплава позволяет на основании сравнительного анализа их основных технологических характеристик правильно выбрать тот или иной метод получения кристаллов с различными свойствами.

   Веществами, наиболее подходящими для выращивания  из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных  переходов и характеризуются  низкой химической активностью. При  кристаллизации из расплава важно учитывать  процессы, влияющие на состав расплава (термическая диссоциация, испарение, взаимодействие расплава с окружающей средой), процессы на фронте кристаллизации, процессы теплопереноса в кристалле  и расплаве, процессы массопереноса (перенос примесей, обусловленный  конвекцией и диффузией в расплаве).

   Один  из наиболее широко используемых промышленных методов получения полупроводниковых  и других монокристаллов это метод  Чохральского. Разработан в 1918 году. Исходный материал (шихту) загружают в тугоплавкий тигель и нагревают до расплавленного состояния. Затем затравочный кристалл в виде тонкого стержня диаметром в несколько мм устанавливают в охлаждаемый кристаллодержатель и погружают в расплав. Столбик расплава, осуществляющий связь растущего кристалла с расплавом, поддерживается силой поверхностного натяжения и формирует мениск между поверхностью расплава и растущим кристаллом. При этом граница расплав-кристалл, т. е. фронт кристаллизации, оказывается расположенной над поверхностью расплава. Высота расположения границы раздела зависит от степени перегрева расплава и условий теплоотвода от затравки. После частичного оплавления торца затравки ее вместе с растущим на ней кристаллом вытягивают из расплава. В результате теплоотвода через затравку на ней начинается ориентировочная кристаллизация. Диаметр растущего кристалла регулируется путем подбора скорости вытягивания и температуры расплава. В процессе вытягивания кристалл вращают с целью перемешивания расплава и выравнивания температуры на фронте кристаллизации.

   Преимущество  метода вытягивания из расплава по сравнению с другими методами заключается в том, что кристалл растет в свободном пространстве без контакта со стенками тигля, при  этом достаточно легко можно менять диаметр растущего кристалла  и визуально контролировать рост. Методами вытягивания из расплава в  настоящее время выращивают большинство  полупроводниковых (кремний, арсенид галлия, фосфид и арсенид индия и др.) и диэлектрических материалов, синтетических кристаллов драгоценных камней. Технологические особенности проведения процесса определяются свойствами выращиваемого материала и требованиями, как по геометрическим параметрам, так и по физико-химическим свойствам, предъявляемыми к монокристаллу.

   Для выращивания монокристаллов полупроводниковых  соединений, содержащих в своем составе  легколетучие компоненты, используют метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава. В этом случае кристаллизуемый расплав находится  под слоем легкоплавкого флюса, плотность которого меньше плотности  расплава. Тигель с расплавом и  флюсом помещают в рабочую камеру, в которой создают давление инертного  газа на 50 –100% превышающее давление пара летучего компонента.

   В общем случае выращивание монокристаллов полупроводников методом Чохральского можно проводить как в вакууме, так и в атмосфере инертного  газа, находящегося под различным  давлением. Выращивание монокристаллов разлагающихся полупроводниковых  соединений методом жидкостной герметизации проводят под высоким давлением  инертного газа (10Мпа). Метод Чохральского может осуществляться как в контейнерном, так и бесконтейнерном вариантах.

   Низкоградиентный  метод Чохральского разработан для  выращивания кристаллов смешанных  оксидов вольфрама и молибдена  в конце 1980-х гг. для выращивания сцинтилляционных кристаллов, например, германата висмута Bi₄Ge₃О₁₂. В этом методе длинный тигель с расплавом помещают в печь сопротивления, имеющую, как правило, не менее трех зон с независимыми контурами регулирования температуры. Поскольку визуальное наблюдение за процессом в данной конфигурации невозможно, и снижение градиентов при росте кристаллов сопровождается снижением динамической устойчивости процесса, то неотъемлемой частью низкоградиентного метода Чохральского является автоматический весовой контроль поперечного сечения.

   Наиболее  существенным недостатком метода Чохральского является значительная химическая неоднородность выращиваемых кристаллов, выражающаяся в монотонном изменении состава  последовательных слоев кристалла  вдоль направления роста. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

   Таврический Национальный Университет имени  В.И. Вернадского

   физический  факультет

   кафедра физики твердого тела. 
 
 

   Реферат на тему:

   «Метод  Чохральского» 

   Выполнил:

   студент 4-го курса

   группы ФПТТ-4

   Миронюк Алексей. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Симферополь, 2011 г.