Выращивание из расплава

Разработано несколько групп методов выращивания из расплава.

Рис. 12.7. Метод Киропулоса

К первой группе методов выращивания из расплавов относится метод Киропулоса. Рас­плав находится в неподвижном тигле, от растущего кристалла непрерывно отводится тепло: затравка укреплена на холодильнике, который охлаждает­ся проточной водой. По мере выраста­ния кристалла холодильник поднима­ют (автоматически или вручную), так чтобы в соприкосновении с расплавом был

не весь кристалл, а лишь неболь­шой слой, прилегающий к растущей поверхности.

Метод Киропулоса применяют для выращивания оптических щелочно-галоидных (KCl, NaF, SzJ) и металлических кристаллов.

Рис. 12.8. Метод Чохральского

Из второй группы наиболее распро­странен метод Чохральского, приме­няемый в основном для выращивания полупроводниковых кристаллов – гер­мания, кремния, соединении арсенида галлия GaAs, сурьмянистого индия InSb, а также монокристаллов металлов. Затравка, опущенная в рас­плав, смачивается расплавом и при­поднимается над его поверхностью с прилипшим к ней расплавом (рис. 349). Подъемный механизм, который вытя­гивает затравку, охлаждается проточ­ной водой. Как и в методе Киропуло­са, рост происходит благодаря отводу тепла от растущего кристалла, но раз­личие этих двух методов заключается в том, что в методе Киропулоса крис­талл растет в расплаве, а в

методе Чохральского – над расплавом. Ско­рость вытягивания монокристалла из расплава должна быть равна скорости кристаллизации; которая, в свою очередь, зависит от градиента темпе­ратуры у фронта кристаллизации.

Основное преимущество метода Чох­ральского состоит в том, что растущий кристалл не ограничен стенками сосу­да. Поэтому его можно применять для выращивания веществ, сильно расши­ряющихся при затвердевании (напри­мер, германий, затвердевая, увеличи­вает свой объем на 5%).

К третьей группе методов относится метод Бриджмена – Стокбаргера. Запаянная кварцевая ампула с исходной шихтой медленно опускается в печи, спираль которой намотана неравно­мерно, так что в середине печи имеет­ся область более нагретая, чем вверху и внизу.

Рис. 12.9. Метод Бриджмена-Стогбаргера     Рис. 12.10. Метод Вернейля

Примерное распределение температуры по высоте печи показано на рис. б. По мере повышения температуры при опускании ампулы шихта расплавляется. При дальнейшем опускании ампулы температура уменьшается, и расплав кристаллизуется внутри ампулы. Из методов четвертой группы (так наз. бестигельных) наибольшее распространение получил метод Вернейля, при котором порошок исходного материала (1) сыплется через пламя газовой горелки (2) (первоначально это был гремучий газ, т.е. кислородно-водородная горелка) и, расплавляясь в этом пламени, оседает на растущий кристалл (3). Кристалл при этом растет, подобно сталагмиту. Недостатком этого метода являются очень большие термические напряжения в растущем кристалле, что может привести к его растрескиванию. Преимуществами методов кристал­лизации из расплава являются относи­тельная простота аппаратуры, возмож­ность использования высоких скорос­тей роста – до десятков миллиметров в час и выращивания очень больших кристаллов – до нескольких десятков килограммов.

Но вырастающие кристаллы ­содержат множество дефектов, образующихся из-за температурных напряжений при росте и в основном в процессе остывания готового кристал­ла. После роста требуется специаль­ный отжиг.