Выращивание монокристаллов

Ферритгранаты. Технология выращивания монокристаллов фер-ритгранатов различных составов из растворов-расплавов хорошо отработана. Исходные реактивы, включающие компоненты кристалла и растворителя в соотношениях, обеспечивающих температуру насыщения раствора около 1200 °С, загружают в платиновые тигли (объемом от 200 до нескольких тысяч кубических сантиметров), которые помещают в муфельную печь, способную поддержать постоянную температуру в пределах долей градуса. После выдержки раствора-расплава при температуре около 1300 °С в течение 15 ч его охлаждают со скоростью 0,5°С до 950 "С. Затем раствор сливают, а выращенные спонтанной кристаллизацией монокристаллы охлаждают

15. Схема установки бестигельной зонной плавки для выращивания монокристаллов ортоферритов:

16. Схема установки выращивания монокристаллов вытягиванием из расплава в «гарнисаже»:

Рассмотрим физико-химические процессы, обусловленные термической диссоциацией исходного вещества, его химическим взаимодействием с материалом контейнера и атмосферой кристаллизации. Без учета этих процессов невозможно определить температурно-вре-менной режим кристаллизации, а следовательно, оптимальные условия и метод выращивания монокристаллов.

Применяя этот метод выращивания монокристаллов, необходимо учитывать возможность изменения стехиометрического состава смеси из-за повышенной летучести одного из компонентов, особенно, если расплав выдерживается некоторое время для удаления воздуха и газов.

Когда подобраны активный ион и матрица, следует рассмотреть диаграмму состояний, которая показывает, что получается в результате взаимодействия двух (и более) веществ. В твердотельной электронике в качестве активной среды применяют сложные оксиды (например, 5 А12О3 X 3 Y2O3 — гранат), так как они обладают высокими прозрачностью в нужном диапазоне длин волн, теплопроводностью и температурой плавления, а также отсутствием взаимодействия с агрессивными средами. При выборе оптимального состава активной среды необходимо учитывать изоморфное замещение с минимальным искажением кристаллической решетки матрицы ее ионов ионами редкоземельного элемента и метод выращивания монокристаллов.

Высокие температуры плавления, необходимость создания специальной и агрессивной атмосферы (сера) в зоне выращивания монокристаллов оксисульфидов сдерживают их использование в приборах квантовой электроники. Тем не менее эти материалы в виде поликристаллического порошка находят применение при нанесении покрытий на экраны цветных телевизоров и визуализаторов лазерного излучения.

3.25. Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов.

На 3.28 приведена схема установки выращивания монокристаллов бинарных соединений полупроводников из газовой фазы методом взаимодействия исходных компонентов. Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. Печь применяют трехсекционную, причем две крайние секции используют для испарения компонентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденсацию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.

§ 1. Методы выращивания монокристаллов...... 88

Монокристаллы ортоферритов можно получать различными способами. Одним из наиболее перспективных считают выращивание монокристаллов из расплава с применением бестигельной зонной плавки и радиационного нагрева. Таким методом можно получать монокристаллы в виде цилиндров диаметром до 8 мм и длиной до 80 мм. Далее образцы поступают на механическую обработку — резку, шлифовку и полировку до нужной толщины, оптимальной для каждого материала, которой соответствуют ЦМД минимального диаметра. Ортоферриты обладают относительно малыми значениями намагниченности насыщения и, следовательно, большими значениями диаметров ЦМД, составляющими десятки или сотни микрометров.

При хранении, транспортировке, на промежуточных подготовительных операциях, а также в ходе выращивания монокристаллов поверхность полупроводников окисляется и загрязняется примесями из внешней среды — атмосферы, контейнеров и др. Поэтому направляемые на выращивание монокристаллов исходные полупроводники и обороты полупроводникового производства подвергают операции химического травления, в процессе которого с поверхности подо

а, 6 — вертикальный (по Бриджмену) и горизонтальный методы соответственно; в — ординарный метод Чохральского; г — метод жидкофазной герметизации (выращивание монокристаллов методом Чохральского из-под слоя флюса); д — гарнисажный метод выращивания монокристаллов (метод Чохральского с электронно-лучевым нагревом); е, ж — вертикальный бестигельный и горизонтальный методы зонной плавки; / — резистивный высокочастотный нагреватель; 2 — контейнер (тигель, лодочка); 3 — кристаллизуемый расплав; 4, 5 — за- или перекристаллизованная и неперекристаллизованная части исходного расплава или кристалла; 6 — флюс; 7—«исходная загрузка»; Vpo —начальный объем рабочего расплава; VK — объем закристаллизованной его части; х — абсолютная координата положения фронта кристаллизации от начала исходного кристалла; / — длина расплавленной зоны; L — длина исходного кристалла «а

Выращивание монокристаллов методом Чохральского можно проводить как в вакууме, так И В атмосфере ИНСрТ-ного газа, находящегося под различным давлением. Выращивание монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений методом жидкостной герметизации проводят под высоким давлением инертного газа, доходящим до

Выращивание монокристаллов кремния методом бестигель- 0001 ной зонной плавки иногда необходимо проводить в высоком ва- о кууме. В этом случае расплав легируют из газовой фазы, подавая молекулярный поток паров примеси или ее соединения непосредственно к расплаву в зоне (см. 4.25,6). Молекулярный

Значительное влияние на возможность появления двойников оказывает кристаллографическое направление роста монокристалла., Кристаллы с алмазоподобной структурой растут преимущественно путем развития наиболее плотно-упакованных атомами плоскостей {111}. Выращивание монокристаллов в направлениях, отличных от {111}, приводит к возникновению двойников в результате стремления одной из систем плоскостей {111} в растущем монокристалле [ а их всего 8 по числу граней октаэдра (см. 4.8)] стать в положение, определяемое основным градиентом температуры. Поэтому наиболее склонным к двойникова-

В производственных условиях для выращивания монокристаллов различных полупроводников наибольшее применение находят установки, в которых выращивание монокристаллов осуществляется методом Чохральского. Мощность таких установок определяется массой загрузки исходного материала в тигель. Самые мощные установки, имеющие загрузку до 50 кг, используют в производстве монокристаллического кремния. Намного ниже этот показатель в установках для выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений, в частности для выращивания наиболее распространенного из них (арсенида галлия) он доходит до 18 кг.

Выращивание монокристаллов кремния методом БЗП производят на установках, имеющих высокочастотный способ нагрева расплава в зоне. В комплект установки входят печной агрегат ( 4.55, а), пульт управления автоматическими устройствами установки и высокочастотный генератор. Последний обычно состоит из одного-двух генераторных блоков и блока-выпрямителя. Поэтому установки БЗП более громоздки и занимают больше площади, чем установки для выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского. Так же, как и большинство других установок

Шашков Ю. М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания. — М.: Металлургия. — 1982. — 311 с.

Области применения плазмотронов весьма широки. Это — химическая промышленность, где высокая температура плазмы позволяет проводить реакции в газовой фазе с большой скоростью и полнотой; металлургия — плавление и переплав металлов, сварка и резка металлов, особенно цветных и тугоплавких; скоростное бурение гор-ных пород; напыление — плазменное нанесение антикоррозионных, жаростойких и износостойких покрытий; стенды для испытаний материалов на ударные тепловые нагрузки; получение особо чистых порошков и выращивание монокристаллов.

В настоящее время электронный нагрев нашел применение в следующих областях промышленности: 1) плавка тугоплавких и химически активных металлов; 2) сварка электронным лучом; 3) спекание тугоплавких металлов; 4) зонная очистка тугоплавких металлов; 5) выращивание монокристаллов; 6) металлизация и напыление; 7) термообработка тугоплавких металлов.