Выращивание кристаллов методами зонной плавки
Зонная плавка может производиться в тигле и без тигля. В «тигельном» варианте, так же как и в случае нормальной направленной кристаллизации, предварительно очищенный материал загружается в тигель, в одном конце которого располагается монокристаллическая затравка. Тигель помещается в кварцевую трубку, которая, как правило, заполняется инертным газом. Узкая жидкая зона создается с помощью специального нагревателя, который, перемещаясь вдоль кварцевой трубки, обеспечивает передвижение зоны расплава вдоль обрабатываемого слитка и, следовательно, рост кристалла (рис. 6.4,а).
С точки зрения процесса кристаллизации метод «тигельной» зонной плавки мало чем отличается от метода нормальной направленной кристаллизации со всеми его недостатками (наличие стенок тигля и свободной поверхности, что не позволяет обеспечить полную симметризацию теплового режима). Однако есть и преимущества. Преимуществом метода «тигельной» зонной плавки по сравнению с методом нормальной направленной кристаллизации является то, что время, в течение которого расплав находится в контакте с материалом тигля, в этом случае меньше, а поэтому и загрязнение материала менее значительно. Кроме того, используя метод зонной плавки, можно регулировать ширину расплавленной зоны, создавать вдоль слитка несколько отдельных расплавленных зон, а также применять монокристаллическую затравку.
Схема установки бестигельной вертикальной зонной плавки приведена на рис. 6.4,б. В зажимах (цангах) укрепляется заготовка — цилиндрический или плоский (вначале) стержень перекристаллизуемого материала — и монокристаллическая затравка. Расплавление зоны, как и в горизонтальной плавке, осуществляется с помощью нагревателя. В зависимости от значения удельного электрического сопротивления исходного материала формирование расплавленной зоны осуществляется либо с помощью высокочастотного нагрева (индукционный нагрев), либо с помощью электронно-лучевого нагрева, либо сфокусированным излучением источника света. Такие способы нагрева не вносят загрязнений в обрабатываемый материал. Индукционный нагрев более предпочтителен, поскольку он обеспечивает эффективное перемешивание расплава и, следовательно, выравнивание его состава. Он наиболее часто используется при зонной плавке Si и некоторых других полупроводниковых материалов. Электронно-лучевой нагрев используется для тугоплавких неразлагающихся материалов, а радиационный — для обработки непроводящих и диссоциирующих материалов в атмосфере паров и газов. Специальные механизмы обеспечивают вращение верхней и нижней частей стержня относительно друг друга (с целью перемешивания расплава и симметризации теплового режима). Движение зоны вдоль образца осуществляется либо его перемещением относительно источника нагрева, либо перемещением нагревателя относительно образца. Расплав в пределах зоны удерживается силами поверхностного натяжения.
К числу важных преимуществ кристаллизации методом вертикальной зонной плавки относится возможность выращивания кристаллов без использования тиглей. В этом случае не происходит загрязнения расплава за счет растворения в нем материала тигля, а в выращиваемом кристалле не возникают дефекты вследствие различия коэффициентов линейного расширения кристалла и материала тигля. Метод вертикальной зонной плавки широко применяется при выращивании особо чистых монокристаллов полупроводников, а также материалов с высокой температурой плавления, обладающих в расплавленном состоянии высокой реакционной способностью, а также однородно легированных полупроводниковых материалов.
Принципы получения бездислокационных монокристаллов на затравке при зонной плавке такие же, как и при вытягивании монокристаллов из расплава, но при этом площадь сечения кристалла обычно имеет размеры, близкие к диаметру затравки.
Существенно повысить диаметр кристалла, выращиваемого бестигельной зонной плавкой, позволяет модификация этого метода, а именно:
Рис. 6.5. Этапы процесса выращивания кристалла бестигельной зонной плавкой, когда диаметр индуктора меньше диаметра проплавляемого стержня (V1 и V2 — скорости движения стержня и затравки соответственно): а — создание капли расплава; б — смачивание затравки; в — выход на диаметр; г — выращивание кристалла постоянного диаметра.
использование индуктора (нагревателя), диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня (рис. 6.5). Суть метода заключается в следующем. Заготовку 4, которая подвергается переплавке, закрепляют в верхнем держателе. Соосно с верхним держателем снизу располагают монокристаллическую затравку 1. На нижнем конце заготовки с помощью индуктора 2 создается капля расплава 3, которая удерживается на ней за счет сил поверхностного натяжения. К образовавшейся капле подводят затравку до соприкосновения с расплавом и полного ее смачивания. Далее индуктор перемещается относительно заготовки вверх, в результате чего заготовка над индуктором расплавляется, а под индуктором расплав кристаллизуется на затравку, образуя монокристалл. Верхний и нижний держатели вращаются в противоположных направлениях, что способствует перемешиванию расплава, симметризации теплового поля и выращиванию кристалла цилиндрической формы. Применение этого метода в технологии Si позволило увеличить диаметр выращиваемых монокристаллов до 100 мм. Существуют и другие разновидности метода зонной плавки: выращивание монокристаллов с пьедестала, метод Вернейля.
Основными недостатками бестигельной зонной плавки являются трудность управления величинами температурных градиентов вблизи фронта кристаллизации и трудность управления распределением температур вдоль слитка, что ведет к достаточно высокой концентрации собственных дефектов в выращиваемых кристаллах.
Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002
Источник
22. Бестигельные методы выращивания монокристаллов. Зонная плавка. Основные параметры. Достоинства и недостатки.
Для получение особо чистых монокристаллов кремния, т.к. обычный метод в лодочке не применим из-за отсутствия материала инертного к кремнию.
Поликристаллический слиток кремния цилиндрической формы крепиться вертикально к двум соосным водоохлаждаемым стоком в герметичной камере. Штоки вращаются с const скоростью и с помощью локального нагрева внизу слитка создается узкая зона расплава. Это сила удерживается силами поверхностного натяжения ( между расплавом и 2-я твердыми поверхностями).
Рисунок: 1 – камера; 2 – шток; 3 –поликристаллический стержень; 4 – зона расплава; 5 –индуктор.
4 – удерживается пока вес расплава меньше, чем силы поверхностного натяжения. Предельная длина зоны зависит от периода материала 
, (где d – удельный вес расплава; 
— сила поверхностного натяжения). Передвигая источник нагрева вдоль слитка можно перемещать расплавленную зону и осуществлять направленную кристаллизацию. Монокристалл можно получить с 1- го прохода. Тогда вокруг 1 зажима крепиться монокристаллическая затравка, а в другую поликристаллическая заготовка, а расплавленная зона создается в том месте, где они стыкаются. Для того, чтобы слиток получился правильной геометрической формы штоки должны крутиться в разных направлениях ω=50 об/мин. После продвижение зоны вдоль всего слитка можно вернуть источник в исходное положение и повторить процесс. Таким образом, очистить кристалл от примесей.
Преимущество: выращивание без тигля, нет загрязнений и дефектов вследствие разницы ТКЛР.
Используется для выращивание особо чистых кристаллов и материалов с высокой Тпл, которое обладает высокой реакцией способностью в расплавленном состоянии.
23. Бестигельные методы выращивания монокристаллов. Метод выращивания с пьедестала. Основные параметры. Достоинства и недостатки.
Вариант бестигельной зонной плавки – метод выращивание монокристалла с пьедестала или гарнисажный метод Чахральского.
Рисунок: 1 –пьедестал; 2 – индуктор; 3 – расплав; 4 – выращивание кристаллов.
Метод заключается в создании расплава на торце переплавленного стержня большого диаметра ( пьедестала) и вытягивание из него кристалла на затравку. Метод называется выращивание из капли, если зона расплава небольшая и из лужи, если большая. По сравнению с бестигельной зонной плавкой расплав более устойчив, но при выращивании крупных кристаллов трудно обеспечить необходимую глубину расплава. Кроме того сложно управлять фронтом кристаллизации и выращивать кристаллы без дислокаций. Преимущество: возможность получения монокристаллов с высокой однородностью распределения примеси по длине и поперченному сечению. Бестигельные методы применяют для тугоплавких пп и диэлектри-х материалов. Разогрев до Тпл может быть улучшен путем увеличения отношения площади поверхности расплава к его объему. Это обеспечивается созданием расплавленного слоя на поверхности затравки.
Источник
Бестигельные методы выращивания кристаллов
§ 20. Выращивание монокристаллов из расплава
В последние 25 — 30 лет в связи с развитием новой техники началось промышленное применение монокристаллов многих элементов и различных соединений. Наиболее широко используются монокристаллы полупроводников — кремния и германия, являющиеся основой многих полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и др.). В последнее время выявилась потребность в монокристаллах металлов (вольфрама, молибдена, меди, алюминия и др.). По этой причине выросла новая отрасль производства — выращивание монокристаллов. Монокристаллы полупроводников и металлов получают выращиванием из расплава тремя способами: по Бриджмену, по Чохральскому и бестигельной зонной плавкой.
Способ выращивания монокристаллов по Бриджмену впервые был широко использован американским ученым П. Бриджменом в 1920 — 1930 гг. для получения монокристаллов олова, цинка, алюминия, меди. Он состоит в том, что металл расплавляется в тигле-контейнере, который вначале полностью размещен в печи (рис. 37). Затем тигель медленно выводят из печи вниз. В остром конце конического дна тигля после выхода из печи зарождается несколько кристаллов. В ходе роста один из них постепенно занимает все сечение контейнера.
Рис. 37. Схема получения монокристаллов по Бриджмену: 1 — печь; 2 — нагреватель; 3 — тигель-контейнер; 4 — расплав; 5 — тепловой экран; 6 — растущий кристалл
Ориентировка монокристаллов, полученных по Бриджмену, обычно оказывается случайной, т. е. продольная геометрическая ось монокристаллического слитка может совпадать с любым кристаллографическим направлением. Чтобы получить ориентированный монокристалл, в коническую часть контейнера помещают затравку — заранее выращенный кристалл, обработанный таким образом, чтобы нужное кристаллографическое направление совпадало с продольной осью контейнера и будущего слитка. При выращивании ориентированных кристаллов процесс ведут таким образом, чтобы не произошло расплавления затравки. Необходимо лишь, чтобы ее верхняя часть немного оплавилась и от нее начался рост ориентированного монокристалла.
Процесс выращивания кристаллов по Бриджмену проводится на специальных установках в вакууме, инертной атмосфере, водороде и на воздухе. Способ Бриджмена пригоден для металлов со сравнительно невысокой температурой плавления и небольшой химической активностью. Эти ограничения возникают из-за трудности подбора материала тигля-контейнера. Обычно используют тигли из графита, кварца, окиси алюминия. Большое достоинство способа Бриджмена состоит в том, что он позволяет получать кристаллы больших размеров.
Способ выращивания монокристаллов по Чохральскому получил свое название по имени немецкого исследователя, впервые применившего его для изучения условий роста металлических кристаллов. Сущность способа Чохральского заключается в том, что кристалл вытягивается из расплава вверх (рис. 38). Процесс начинается с полного расплавления металла в тигле и последующего снижения температуры почти до точки кристаллизации. Затем в расплав опускают затравку, закрепленную на верхнем штоке. Тигель и затравка вращаются (10 — 30 об/мин) в разные стороны, в результате чего растущий на затравке монокристалл приобретает цилиндрическую форму. Регулируя температуру расплава и скорость подъема затравки, получают нужный диаметр кристалла.
Рис. 38. Схема получения монокристаллов по Чохральскому: 1 — затравка; 2 — растущий кристалл; 3 — расплав; 4 — корпус печи; 5 — верхний шток; 6 — смотровое окно; 7 — тепловые экраны; 8 — нагреватель; 9 — тигель; 10 — нижний шток
Установки для получения кристаллов вытягиванием из расплава по Чохральскому обязательно снабжаются смотровыми отверстиями. Поскольку процесс затравления проводится вручную, в ходе выращивания необходимо наблюдение за процессом. Процесс выращивания по Чохральскому может быть осуществлен в вакууме, водороде или инертном газе. Воздушная среда для этого процесса малопригодна из-за образования окислов на поверхности расплава, мешающих росту кристалла. Способ Чохральского является одним из главных процессов получения больших монокристаллов (диаметром до 150 — 200 мм) полупроводникового кремния.
Выращивание монокристаллов бестигельной зонной плавкой (рис. 39) заключается в том, что исходную заготовку закрепляют верхним концом в вертикальном положении. Нижний конец заготовки оплавляется в результате нагрева одновитковым высокочастотным индуктором и к нему снизу подводят затравку. Далее осуществляется перемещение индуктора относительно заготовки и затравки, так что жидкая зона движется снизу вверх. В том же направлении растет монокристалл, развивающийся на затравке. Растущий кристалл и заготовка вращаются в противоположные стороны. Это обеспечивает равномерный прогрев и образование слитка круглого сечения. Затравка и заготовка имеют возможность независимо одна от другой перемещаться в продольном направлении. Это позволяет регулировать диаметр выращиваемого кристалла. Жидкая зона, движущаяся вдоль заготовки, должна иметь небольшую высоту, чтобы поверхностное натяжение могло удержать ее, противодействуя гидростатическому давлению.
Рис. 39. Схема выращивания монокристаллов бестигельной зонной плавкой: 1 — расплавляемая заготовка; 2-нагреватель; 3 — жидкая зона; 4 — растущий кристалл
Бестигельная зонная плавка используется для получения монокристаллов полупроводникового кремния и монокристаллов металлов с температурой плавления 1000 — 2000°С. При этом применяется индукционный нагрев. Процесс может проводиться в вакууме, водороде, инертной атмосфере. Для получения монокристаллов тугоплавких металлов применяют бестигельную зонную плавку с электронным нагревом. В этом случае вместо индуктора устанавливают кольцевой катод; между слитком и катодом, электрически изолированными один от другого, создается разность потенциалов в несколько тысяч вольт, и электроны, летящие с катода, бомбардируют слиток и создают жидкую зону. В этом случае процесс проводится в вакууме при остаточном давлении не выше 13,3 мПа.
Главное достоинство способа бестигельной зонной плавки заключается в отсутствии тигля-контейнера. Расплав соприкасается только с собственной твердой фазой и газовой средой, создаваемой внутри установки. Поэтому способ пригоден для получения монокристаллов любых материалов, за исключением тех, которые обладают большим давлением пара в жидком состоянии вблизи точки плавления. К таким материалам относится, например, хром, у которого при 1900°С давление пара достигает нескольких миллиметров ртутного столба. Основное требование к монокристаллам — это отсутствие примесей и высокая степень химической и физической однородности. Поэтому исходный материал для выращивания монокристаллов должен быть возможно наивысшей чистоты. Поскольку необходимо получить именно монокристалл, должна быть исключена возможность появления дополнительных зерен, т. е. возможность зарождения и роста других кристаллов. Это обеспечивается малыми скоростями линейного роста кристаллов, которые обычно составляют 2 — 5 мм/мин. Условия охлаждения кристалла в ходе роста не должны приводить к возникновению больших перепадов температуры в объеме кристалла, так как они могут быть причиной появления внутренних термических напряжений. Такие напряжения ухудшают совершенство структуры монокристаллов, вызывают появление дислокаций.
В последние годы процессы выращивания монокристаллов стали использовать для получения монокристаллических фасонных отливок. Оказалось, что жаропрочные никелевые сплавы приобретают в несколько раз лучшие свойства, если используются в монокристаллическом состоянии. Был разработан процесс получения монокристаллических лопаток для газотурбинных двигателей. В этом случае используют способ Бриджмена. Литейную форму изготавливают по выплавляемым моделям; она служит одновременно тиглем, в котором наплавляется расплав и который затем медленно выводится из печи. Поскольку используется очень сложный сплав, содержащий 5 — 6 компонентов и состоящий в равновесном состоянии из 3 — 4 фаз, не удается получить монокристаллическую структуру. Практически получаются отливки с ярко выраженной столбчатой структурой по всей длине и со строчечным распределением мелких частиц упрочняющих фаз.
Советуем Вам купить нарукавники цена выгодная
Источник