Метод Чохральского

При уменьшении мощности нагревателя имеют место обратные изменения. Фронт кристаллизации приближается к основной массе расплава, касательная к капиллярному мениску отклоняется в противоположном направлении, и диаметр кристалла возрастает (рис. 3.8в).

Изменение скорости подъема кристалла (0,25...7 мм/мин) сказывается на его диаметре в основном из_за изменений условий теплоотвода по кристаллу. С увеличением скорости вытягивания осевой градиент уменьшается. При прочих равных условиях примыкающая к границе роста область кристалла обладает более высокой температурой («не успевает остывать»). Отвод выделяющейся теплоты кристаллизации по раскаленному кристаллу происходит не столь интенсивно, и фронт кристаллизации

продвигается  вверх. В итоге кристалл подрезается. При меньшем диаметре может установиться новый стационарный режим, поскольку с уменьшением диаметра количество тепла, выделяемого при кристаллизации, убывает быстрее, чем боковая излучающая поверхность кристалла (квадратичный и линейный законы соответственно). Уменьшение скорости вытягивания дает обратный

эффект: изотерма ликвидус смещается в расплав, кристалл разращивается. В предельном случае этот режим приводит к методу Киропулоса.

Изменение скорости вращения тигля (1...25 мин–1) и кристалла (1...35 мин–1) влияет на величину градиентов в расплаве. С увеличением частоты вращения улучшаются условия перемешивания, что способствует выравниванию температуры по объему. В капиллярный столбик поступает перегретый расплав, фронт кристаллизации перемещается вверх. Столбик стягивается, и в итоге кристалл подрезается. В медленно вращающемся тигле развиваются обратные явления: зона переохлаждения увеличивается в объеме, фронт кристаллизации приближается к расплаву, диаметр кристалла возрастает. Аналогичное, хотя менее выраженное влияние имеет скорость вращения кристалла.

Большое значение для качества монокристалла  имеет не только его диаметр, но и форма границы раздела с расплавом в процессе роста. Форма фронта кристаллизации в зависимости от режима и этапа выращивания изменяется (рис. 3.9).

 Вначале,  когда кристалл еще «выходит  на диаметр (разращивается), интенсивный теплоотвод вдоль оси,

через затравку и водоохлаждаемый шток приводит к выпуклому фронту 1. После выхода на диаметр при наличии большой массы расплава и обычного соотношения d/D форма фронта приближается к плоскости 2. Такая форма фронта кристаллизации близка к оптимальной. Затем, когда образуется большая боковая поверхность, излучающая тепло, влияние теплоотвода через затравку нивелируется,

внешние слои кристалла остывают быстрее  осевой части, и фронт становится вогнутым 3. В этом периоде роста увеличиваются внутренние термические напряжения в кристалле. Следующие этапы эволюции фронта кристаллизации связаны с интенсификацией лучистого нагрева кристалла от стенок тигля по мере понижения уровня расплава (кристалл «видит» нагреватель). Фронт постепенно становится плоским, а затем — вновь выпуклым (4). Изменения формы фронта кристаллизации сильно

влияют  на распределение примесей в кристалле  и его структурное совершенство.

 

Подробная установка, аппаратурное оформление.

Подробнее рассмотрим метод на процессе выращивания граната.

Монокристаллическая затравка граната 5, закрепляется в свече 4, которую держит цанговый держатель 3, водоохлаждаемого вала 2, соединенного с механизмом вращения, подъема и опускания 1. Исходная смесь загружается в иридиевый тигель 7, укрепленный на водоохлаждаемом валу 9, связанном с механизмом подъема, опускания и вращения 10. Загрузка тигля (на плавление) может производиться в специальной установке. Исходная смесь прессуется в виде цилиндрических таблеток, которые ставятся в тигель одна на другую, камера откачивается и производится расплавление. Количество таблеток определяется требованием полного заполнения тигля. Применение гидростатического прессования значительно упрощает процесс направления. Иногда применяется наплавление прямо в установке выращивания, без выключения нагрева, что способствует значительному увеличению как сроков службы тигля и керамики, так и производительности системы. Наблюдение за процессом выращивания осуществляется через смотровое окно 13. Откачка и напуск газа производится через специальный ввод 14. Нагрев тигля и печи отжига производится с помощью индукторов 11 и 12, связанных с высокочастотным генератором (генераторами). Перед проведением процесса системы нагреваются и откачиваются, причем последняя операция проводится несколько раз для максимально полного удаления посторонних газов из охлаждаемого водой корпуса установки 6.

Следующей операцией является расплавление исходной  смеси граната 8, путем индукционного, нагрева иридиевого тигля. Расплав некоторое время  выдерживают при температуре  на 50-100°С выше точки плавления граната, после чего начинают опускание затравки. Когда затравка коснется расплава, необходимо несколько, снизить температуру  последнего до момента, когда начинается затвердевание расплава непосредственно вокруг затравки, после чего, выключая механизм подъема затравки, можно начинать процесс вытягивания. Во время процесса желательно осуществлять вращение кристалла и тигля для сглаживания асимметрии тепловых полей. В том случае, когда требуется хорошее перемешивание расплава тигель и затравке вращаются в разные стороны. Если же имеется значительная опасность загрязнения расплава материалом тигля, вращение затравки и тигля может осуществляться в одном направлении с одинаковой скоростью, и заметного перемешивания расплава происходить не будет. В приведенной схеме применяется индукционный нагрев, преимущество которого заключается в разделение источника энергии - водоохлаждаемого индуктора и тигля, что позволяет снизить степень загрязнения расплава. Для снижения возникающих в растущем кристалле механических напряжений в системе установлена дополнительная печь 12, питаемая от отдельного индуктора. Сглаживание температурных градиентов может быть реализовано системой специальных экранов. Хорошие результаты в диапазоне температур до 1200 К дает применение трубчатых экранов, внутри которых имеется жидкий металлический теплоноситель (натрий).

 

 

Оборудование для роста кристаллов.  

Установка для выращивания кристаллов представлена на

рисунке 2,и включает в себя 4 основных узла:                    

1.Печь в которую входят тигель,контейнер,   

 механизм вращения,нагреватель,источник пита-  

 ния и камера.

2.Механизм вытягивания кристалла  содержащий 

 стержень,или цепь с затравкой,механизм вращения 

 затравки и устройство для  зажима затравки.

3.Устойство для управления составом  атмосферы, 

 состоящее из газовых источников,расходомеров,  

 системы продувки и вакуумной  системы.

4.Блок управления,в который входят микропроцессор,датчики и устройства вывода.  

 

Блок управления.

Блок управления может включать в себя разные

приборы.Он предназначен для контроля и

управления такими параметрами  процесса,как

температура, диаметр кристалла, скорость вытягивания и скорость вращения. Контроль

может проводиться по замкнутому или  разомкнутому контуру. Параметры,включающие

скорости вытягивания и вращения,имеют большую

скорость отклика и чаще всего  контролируються

по принципу замкнутого контура  с обратной связью.

Большая тепловая масса обычно не требует

кратковременного контроля температуры. Например

для контроля диаметра растущего кристалла  ин-

фракрасный датчик температуры может быть сфокусирован на границе раздела фаз расплав-

монокристалл и использован  для определения температуры  мениска. Выход датчика связан с

механизмом вытягивающего устройства и контро-

лирует диаметр слитка путем изменения скорости вытягивания.Наиболее перспективными управляющими являються цифровые микропроцессорные системы.Они позволяют уменьшить непосредственное участие оператора в

процессе выращивания и дают возможность

организовать програмное управление многими этапами технологического процесса.

 

Выбор материала контейнера.

Тигель является наиболее важным элементом  ростовой системы. Так как тигель содержит расплав, его материал должен быть химически инертен по отношению  к расплавленному кремнию.

Это основное требование при выборе материала тигля, так как электрические  свойства кремния чувствительны  даже к таким уровням примеси, как 10(-7)ат.%. Кроме того, материал тигля должен

иметь высокую температуру плавления, обладать термической стабильностью  и прочностью.

Также он должен быть недорогим или  обладать способностью к многократному  использованию.

К сожалению, расплавленный кремний  растворяет почти все используемые материалы (например

карбиды тугоплавких металлов TiC или TaC, тем самым способствуя слишком высокому уровню

металлических примесей в растущем монокристалле. Тигли из карбида  кремния также неприемлимы. Несмотря на то что углерод является электрически нейтральной примесью в

кремнии, вырастить высококачественные монокристаллы кремния из расплавов, насыщенных

углеродом, не удаеться. Отношение диаметра тигля к его высоте в больших установках =1 или немного превышает это значение. Обычно диаметр тигля равен 25,30 или 35 см.для

объема загрузки 12,20 и 30 кг. соответственно. Толщина стенок тигля равна 0.25см,однако кварц

недостаточно тверд,чтобы использовать его в качестве контейнера для механической поддержки расплава.После охлаждения несоответствие термических коэффициентов линейного расширения

между оставшимися в тигле кремнием и кварцом приводит к растрескиванию тигля.

В том случае, когда процесс  проводится в вакууме или в  атмосфере инертного газа, тигель может быть изготовлен из обычных тугоплавких металлов, например, из вольфрама. Для работы в окислительной среде применяют платиновые или иридиевые тигли. Иногда в целях защиты металлического тигля его поверхность покрывают плёнкой тугоплавкого окисла, например, окисью циркония. Тем не менее, в настоящее время практически отсутствуют тигли, способные работать при температурах порядка 2300 К в окислительной атмосфере. В связи с этим, в тех случаях, когда такая атмосфера остро необходима, мы вынуждены пользоваться другими бестигельными методами, выращивания, например одной из разновидностей гарнисажного способа.  

 Контейнер используеться для поддержки кварцевого тигля .В качестве материала для контейнера

служит графит,поскольку он обладает хорошими высокотемпературными свойствами.Обычно используют сверхчистый графит.Высокая степень чистоты необходима для предотвращения загрязнения кристалла,примесями,которые выделяються из графита при высоких температурах процесса .Контейнер устанавливают на пьедестал,вал которого соединен с двигателем,

обеспечивающим вращение.Все устройство можно поднимать или опускать для поддержания уровня расплава в одной фиксированной точке,что необходимо для автоматического контроля диаметра растущего слитка. 

 Камера высокотемпературного  узла установки должна соответствовать  определенным требованиям.Прежде всего она должна обеспечивать легкий доступ к деталям узла для облегчения

загрузки и очистки. Высокотемпературный  узел должен быть тщательно герметизирован,дабы

предотвратить загрязнение системы  из атмосферы

Кроме того,должны быть предусмотрены специальные устройства,предотвращяющие нагрев

любого узла камеры до температуры,при которой давление паров ее материала может привести к загрязнению кристалла.Как правило,наиболее сильно нагреваемые детали камеры имеют водяное охлаждение,а между нагревателем и стенками камеры устанавливают тепловые экраны. 

Для расплавления материала загрузки используют главным образом высокочастотный  индукционный или резистивный нагрев.Индукционный нагрев применяют при малом объеме загрузки,а резистивный-исключительно в больших ростовых установках. Резистивные нагреватели при уровне мощности порядка нескольких десятков киловатт обычно меньше по размеру, дешевле,легче в изготовлении и более эффективны.Они представляют собой графитовый нагреватель,соединенный с источником постоянного напряжения.    

 

В том случае, когда процесс  проводится в вакууме или в  атмосфере инертного газа, тигель может быть изготовлен из обычных тугоплавких металлов, например, из вольфрама. Для работы в окислительной среде применяют платиновые или иридиевые тигли. Иногда в целях защиты металлического тигля его поверхность покрывают плёнкой тугоплавкого окисла, например, окисью циркония. Тем не менее, в настоящее время практически отсутствуют тигли, способные работать при температурах порядка 2300 К в окислительной атмосфере. В связи с этим, в тех случаях, когда такая атмосфера остро необходима, мы вынуждены пользоваться другими бестигельными методами, выращивания, например одной из разновидностей гарнисажного способа.

 

Преимущества  и недостатки.

 

Преимущества следует  выделить отсутствие прямого контакта между стенками тигля и растущим монокристаллом, что позволяет избежать критических по величине остаточных напряжений; кроме того, имеется возможность извлечения кристалла из расплава на любом этапе выращивания (метод декантации), что очень важно при определении условий выращивания монокристаллов. Метод Чохральского позволяет заведомо задавать геометрическую форму растущего монокристалла путем варьирования температуры расплава и скорости вытягивания. Это преимущество позволяет избавиться от большей части дислокаций, которые выходят на боковую поверхность, а не углубляются в растущий монокристалл

возможность наблюдения за ростом кристалла

В случае кремния слиток, полученный методом зонной плавки, по чистоте обычно существенно превосходит аналогичный, полученный методом Чохральского, но кристаллы, получаемые зонной плавкой, имеют меньшие диаметры, более высокую себестоимость в изготовлении, другое распределение и содержание легирующих и иных примесей, существенных для последующих технологических циклов.