Выращивание из расплавов

Эти методы наиболее широко распространены в промышленности. Существуют разные технологические приёмы (схемы) выращивания из расплавов, основанные на различных способах отвода тепла:

- изменение температуры при неподвижном тигле (это более привычный способ, когда обеспечивается постепенное охлаждение в печном агрегате);

- перемещение кристалла в поле температурного градиента;

- перемещение тигля или печи в поле температурного градиента.

Преимуществами указанных методов кристаллизации из расплавов являются относительная простота аппаратуры, допустимость использования высоких скоростей роста (до 10-10² мм/ч) и возможность выращивания больших кристаллов (до 1-10 кг и более).

Вместе с тем эти методы имеют и очевидные недостатки: полученный кристалл может содержать дефекты, образующиеся при его росте вследствие температурных напряжений, кроме того, вероятно появление сопутствующих (или "паразитных") кристаллов.

Метод Чохральского. Основан на вытягивании кристалла из расплава путем его перемещения в поле температурного градиента. Применяется для выращивания полупроводниковых кристаллов - кремния, германия, соединений GaAs, InSb и др., а также монокристаллов металлов.

В качестве центра кристаллизации используется затравка - небольшой образец, вырезанный из исходного монокристалла и, по возможности, не содержащий структурных дефектов. Затравка, опущенная в расплав (рис.11), им смачивается и приподнимается над его поверхностью с прилипшим к ней расплавом. Подъёмный механизм, который вытягивает затравку, охлаждается проточной водой. Рост идёт вследствие отвода тепла от растущего кристалла, при этом сам кристалл располагается над расплавом. Скорость вытягивания монокристалла должна строго соответствовать скорости процесса затвердевания, обычно она составляет 1-2 мм/мин.. При этом скорость кристаллизации зависит от градиента температуры у фронта кристаллизации.

Основное преимущество метода Чохральского - растущий кристалл не ограничен стенками сосуда, поэтому его можно использовать для выращивания веществ, сильно расширяющихся при затвердевании (например, германий при кристаллизации увеличивает объём на 5%).

Рис.11. Вытягивание кристаллов из расплава по методу Чохральского

Метод Бриджмена. Этот способ относится к технологической схеме, основанной на вертикальном перемещении тигля в поле температурного градиента. Запаянный тигель с расплавом медленно опускается в печи, спираль которой намотана неравномерно, так что в середине печи имеется зона более нагретая, чем вверху и внизу.

Кристаллизация начинается в нижнем конце тигля в момент, когда он переходит из верхней зоны печи в нижнюю. По мере опускания тигля постепенно растущий кристалл заполняет весь тигель (рис.12). Скорость перемещения тигля из зоны расплавления обычно варьируется от 10 до 60 мм/ч.

С помощью этого метода получают монокристаллы металлических материалов, в том числе кристаллы жаропрочных никелевых сплавов. Кроме того, этот метод оказывается пригодным для выращивания кристаллов галогенидов (соединений на основе F, Cl), щелочных (Li, Na , K) и щелочноземельных (Ca, Sr, Ba) металлов.

Реже его применяют для получения кристаллов полупроводниковых материалов, в частности таких технически важных веществ, как Ge и Si. Объясняется это тем, что названные элементы, как указывалось, при затвердевании расширяются в объеме на несколько процентов. Тигель же не позволяет растущему кристаллу расширяться, что приводит к возникновению больших напряжений и появлению дефектов структуры. В результате заметно ухудшаются электрические характеристики кристаллов, в значительной мере обусловленные формированием дефектной структуры.

Рис.12. Метод выращивания кристаллов из расплава по методу Бриджмена