Нормальная направленная кристаллизация

Метод нормальной направленной кристаллизации (рис. 18.12) используют для очистки полупроводника от примесей, имеющих малое значение К, и для получения монокристаллов. Химически очищенный полупроводник помещают в ампулу (или в графитовую лодочку), которую перемещают в печи, имеющей по длине большой градиент температуры. В начале процесса полупроводник расплавляется, а затем часть его, попадая в зону печи с пониженной температурой, кристаллизуется. Если кристаллизация начинается с острого конца ампулы, то растет очищенный монокристалл. Примеси, у которых А < 1, сохраняются в жидкой фазе. Распределение примеси по длине кристалла при нормальной направленной кристаллизации для разных значений К показано на рис. 18.12, в. После затвердевания конец кристалла, обогащенный примесью, отрезают. [c.591]

Рис. 18.12. Схемы получения горизонтального (а) и вертикального (й) монокристалла методом нормальной направленной кристаллизации и распределение примесей по его длине при различном К (в)

НОРМАЛЬНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ [c.316]

Монокристаллический рост обеспечивается малыми скоростями роста и наличием единственного кристаллического зародыша . Единственный зародыш образуется за счет наличия в передней части контейнера острого угла, который уменьшает поверхность раздела фаз жидкость - кристалл у зародыша при гетерогенной кристаллизации и снижает величину работы образования критического зародыша (1.74). Один из недостатков метода нормальной направленной кристаллизации заключается в сложности использования внешней затравки, так как невозможность наблюдения (контроля) за ней часто приводит к ее расплавлению либо неполному расплавлению исходного материала. [c.317]

Рис. 5.4. Схема получения монокристалла методом нормальной направленной кристаллизации

Метод нормальной направленной кристаллизации имеет важное значение для получения крупных монокристаллов ряда полупроводниковых и диэлектрических материалов (табл. 5.1). [c.317]

Некоторые диэлектрические материалы, монокристаллы которых получают методом нормальной направленной кристаллизации [c.318]

Рис. 5.5. Распределение примеси по длине слитка при нормальной направленной кристаллизации

Основным недостатком метода нормальной направленной кристаллизации являются высокие термические напряжения в выращенном монокристалле, обусловленные значительным градиентом температуры. [c.319]

Почему метод называется нормальная направленная кристаллизация [c.319]

Метод зонной плавки наряду с широким применением для глубокой очистки материалов используется при выращивании монокристаллов полупроводников и диэлектриков. Если при нормальной направленной кристаллизации исходный слиток делится на две части жидкую и твердую (см. рис. 5.4), то при зонной плавке расплавленная зона делит слиток на две твердые части (рис. 5.6). Расплавленная зона (или зоны) обычно создается при помощи высокочастотного индуктора. Движение зоны приводит к расплавлению кристалла с одной стороны зоны и кристаллизации - с другой. На начальном этапе для получения монокристалла используют монокристаллическую -затравку. [c.319]

К материалам тигля такие же, как и в методе нормальной направленной кристаллизации. [c.320]

К недостаткам метода зонной плавки, как и в случае метода нормальной направленной кристаллизации, следует отнести большие термические напряжения, возникающие из-за значительных температурных градиентов, а также сложности управления процессом в бестигельном варианте при росте монокристаллов с очень большим диаметром. [c.322]

Преимущество зонной плавки перед нормальной направленной кристаллизацией - возможность легко осуществлять несколько проходов расплавленной зоны по длине кристалла, и тем самым повышать степень очистки. Монокристаллический рост для случая зонной плавки обычно обеспечивается наличием монокристаллической затравки, однако можно использовать и контейнер с острым углом. [c.322]

Чем зонная плавка отличается от нормальной направленной кристаллизации [c.322]

Распределение примеси по длине кристалла в случае неединичного коэффициента распределения рассчитывается так же, как и в способе нормальной направленной кристаллизации (5.3) (см. рис. 5.5). [c.322]

Нормальная направленная кристаллизация. В этом случае эпитаксия идет из жидкой фазы определенного состава и объема. Этот объем в процессе роста не взаимодействует с окружающей средой (не испаряется и не подпитывается из внешней среды) и уменьшается по мере роста эпитаксиального слоя. [c.331]

Рассмотрим сущность основных методов очистки кристаллизацией. Для того, чтобы обеспечить получение материала с предельной степенью чистоты кристаллизационными методами необходимо, чтобы кристаллизация начиналась в заданном месте и происходила в определенном направлении, то есть необходимо создать четкую границу между твердой и жидкой фазами и обеспечить ее медленное и равномерное движение вдоль очищаемого слитка. Эти условия достигаются заданием градиента температуры, обеспечивающего направленный отвод тепла и направленное продвижение фронта кристаллизации. При этом, в зависимости от значений К, примесь будет или захватываться твердой фазой К > 1), освобождая от нее расплав, или оттесняться от границы раздела в расплав < 1). В первом случае части слитка, затвердевающие позже, будут чище предыдущих во втором случае наиболее чистой оказывается начальная часть слитка. При рассмотрении процессов очистки кристаллов, выращиваемых из расплава, все многообразие методов выращивания кристаллов направленной кристаллизацией можно свести к двум идеализированным схемам нормальной направленной кристаллизации и зонной плавке. В частности, первой схемой описывается процесс очистки кристаллов, выращиваемых широко используемым в промыш- [c.204]

Рис. 5.8. Схема выращивания кристалла методом нормальной направленной кристаллизации.

В методе нормальной направленной кристаллизации вещество расплавляют в тигле заданной формы, который затем медленно охлаждают с одного конца, осуществляя отсюда направленную кристаллизацию (рис. 5.8). [c.205]

Распределение примесей при нормальной направленной кристаллизации [c.207]

Этой схемой описывается распределение примесей в кристаллах, выращенных методом нормальной направленной кристаллизации и методом вытягивания из расплава. [c.207]

Рис. 5.11. Распределение относительной концентрации примеси с различными значениями К по длине кристаллов, выращенных нормальной направленной кристаллизацией (L — длина слитка) [37].

При зонной плавке в начале слитка из очищаемого материала с помощью специального нагревателя (например, катушки высокочастотного нагрева) создается узкая расплавленная зона, которая затем движется вдоль слитка. Схема расположения зоны в произвольной части слитка показана на рис. 5.10. Расплавленная зона заключена между двумя твердыми частями кристалла уже затвердевшей и еще не расплавленной. Проходя по слитку, она вбирает в себя примесь (при К < 1), перенося ее к концу. Принципиальным отличием зонной плавки от нормальной направленной кристаллизации является то, что доведенная до конца слитка зона может быть перекинута в его начало, где при повторном ее проходе она контактирует с уже предварительно очищенными участками, извлекая из них оставшиеся примеси и продолжая таким образом очистку материала. [c.209]

Следует отметить, что поскольку при зонной плавке весь образец сразу не плавят, то его состав не усредняется. Поэтому распределение примеси в кристалле после зонной плавки в отличие от нормальной направленной кристаллизации должно зависеть от вида исходного распределения примеси в заготовке. [c.209]

Ясно, что при К < 1 накопление примеси в зоне будет происходить тем быстрее, чем меньше /. Поэтому длина зоны не должна быть слишком малой. Например, пусть / = 0.1Ь, тогда при К < 1 условие насыщения зоны примесью не выполняется в пределах всего слитка, и слиток будет эффективно очищаться до х < 0.9Ь, то есть пока правый конец зоны не дойдет до конца слитка. После этого распределение (5.27) перестает действовать, поскольку длина зоны начинает уменьшаться, и дальнейшая кристаллизация расплава (на последнем участке 0.9Ь < х < Ь) происходит по схеме нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в этом случае описывается зависимостью (5.22), где в качестве Со (начальные условия) должна быть взята величина Сз(Ь — I), определяемая уравнением (5.27). [c.211]

В основе всех методов выращивания монокристаллов из расплава лежит направленная кристаллизация расплава, при которой зарождение и рост кристалла при наличии переохлаждения АТ в расплаве осуществляются на одной фазовой границе, а теплота от фронта кристаллизации отводится преимущественно в одном направлении. Это позволяет кристаллизовать расплав в виде одного монокристалла. Методы направленной кристаллизации подразделяются на три группы методы нормальной направленной кристаллизации] методы вытягивания из расплава методы зонной плавки. [c.222]

Методы нормальной направленной кристаллизации [c.222]

В методах нормальной направленной кристаллизации заготовка расплавляется целиком, а затем расплав кристаллизуется с одного конца. Общим для этих методов является рост кристалла в контакте со стенками тигля, содержащего расплав. Создание переохлаждения на фронте кристаллизации осуществляют путем перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя, создающего тепловое поле с градиентом температуры, или путем перемещения нагревателя относительно тигля. Кристаллизация также возможна и при охлаждении неподвижного тигля с расплавом в тепловом поле с температурным градиентом (получаемым путем неравномерной намотки печи) при программном снижении питающей печь мощности. В зависимости от расположения тигля с материалом различают горизонтальный и вертикальный методы нормальной направленной кристаллизации. Вертикальный метод получил название метода Бриджмена (рис. 6.1,а). [c.222]

Оборудование, необходимое для проведения процесса нормальной направленной кристаллизации, включает (рис. 6.1) [c.222]

Рис. 6.1. Схема выращивания кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации расплавов а — вертикальная модификация (метод Бриджмена) б — горизонтальная модификация.

Суть метода нормальной направленной кристаллизации заключается в следующем. Предварительно тщательно очищенный исходный материал загружают в тигель и расплавляют процесс проводят в вакууме или в нейтральной атмосфере в герметичной камере. Затем начинается охлаждение расплава, причем наиболее интенсивному охлаждению подвергается оттянутый заостренный участок тигля здесь зарождаются центры кристаллизации (рис. 6.1). Заостренный конец используется с целью увеличения вероятности образования только одного центра кристаллизации, поскольку объем расплава, находящегося в заостренной части тигля, невелик. Кроме того, в случае образования нескольких центров кристаллизации один из них, имеющий наиболее благоприятную ориентацию для роста, подавляет рост остальных зародышей. С течением времени по мере перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя или перемещения нагревателя относительно тигля фронт кристаллизации перемещается в сторону расплава и постепенно весь расплав в тигле закристаллизовывается. Слиток будет монокристаллическим, если будет расти только один зародыш. [c.223]

Следует заметить, что, если используются методы нормальной направленной кристаллизации для выращивания кристаллов, то процессы зарождения и роста не контролируются с достаточной степенью точно- [c.223]

Применение затравок при выращивании кристаллов методами нормальной направленной кристаллизации затруднительно, особенно в случае вертикального расположения тигля. Это связано с недостаточно высокой точностью измерения теплового поля печи (малые температурные градиенты) и часто с невозможностью визуального наблюдения за фронтом кристаллизации и затравкой из-за непрозрачности материала тигля и стенок рабочей камеры. В результате этого в начальный период процесса может происходить либо полное расплавление затравки, либо неполное расплавление исходного материала. [c.224]

Основными преимуществами методов вытягивания кристаллов из расплава по сравнению с методами нормальной направленной кристаллизации являются следующие. [c.231]

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). [c.232]

Выращивание кристаллов из растворов можно производить как без специальных затравок, путем спонтанного образования и роста центров кристаллизации, так и контролируемым ростом на затравке. Практически выращивание крупных монокристаллов производят на затравках методами, аналогичными кристаллизации из собственных расплавов методами нормальной направленной кристаллизации, методами вытягивания из раствора и методами зонной плавки. Однако технологическая аппаратура при выращивании кристаллов из растворов усложняется устройствами для обеспечения равномерной подачи исходных материалов в зону кристаллизации, то есть устройствами для обеспечения поддержания жидкой фазы в состоянии пересыщенного раствора. [c.237]

Однородные кристаллы полупроводников проще всего получить, используя без всяких изменений обычные кристаллизационные процессы нормальную направленную кристаллизацию и зонную плавку. В этом случае используют приблизительно однородно легированную часть кристалла. Анализ кривых распределения примесей (см. гл. 5) в этих процессах показывает, что наиболее равномерно легированная часть кристалла примыкает к одному из его концов, поэтому целесообразно для дальнейшей работы использовать именно эти части. [c.269]

Для доведения германия до степени чистоты, отвечающей требованиям полупроводниковой электроники, производится донолнительная очистка методом фракционной кристаллизации (по способу зонной плавки или нормальной направленной кристаллизации). [c.530]

Получение особо Ч. в. — чрезвычайно сложная технологич. задача, решенная пока для немногих веществ. Наиболее широко для очистки веществ применяют реакции восстановления из соединений, образование летучих соединений с последующим их разложением, промывку, избирательное растворение, вакуумную плавку и др. Эффективными оказались электрохим. методы, сорбция, хроматографи.ч и ионный обмен. Высокой степени очистки удается достичь экстрагированием, дистилл.чцией и ректификацией, а также кристаллизационными методами, среди к-рых особое место занимают нормальная направленная кристаллизация (по Бриджмену), вытягивание из расплава (по Чохральскому) и зонная плавка, позволяющие получать вещества в виде. монокристаллов с совершенной структурой. Перспективно комплексное применение различных методов очистки. [c.416]

Эта зависимость для различных К представлена на рис. 5.11. Видно, что специфика очистки с помощью метода нормальной направленной кристаллизации заключается в перемещении примеси в тот или другой конец слитка. Максимальная степень очистки имеет место в начале К < 1) или конце К > 1) слитка. Заметим, что при К < 1 s g)/ o по мере приближения g к 1 неограниченно возрастает, то есть как бы ни была мала концентрация примеси в расплаве Со в начале, концентрация ее в конечных частях кристалла согласно (5.22) должна быть безгранично большой, что противоречит физическому смыслу. Это противоречие является следствием нарушения допущения, что К = onst, в конечных частях кристалла и поэтому выражение (5.22) не справедливо для этих частей кристалла. [c.208]

Метод нормальной направленной кристаллизации имеет важное значение для получения крупных монокристаллов с достаточно высокой скоростью выращивания (1-10 мм/ч). Таким способом растят химические соединения, например РЬТе, GaAs. Однако в случае GaAs из-за высокой летучести As приходится проводить выращивание в специальных условиях при избыточном давлении паров мыщьяка. Основным недостатком метода является трудность получения кристаллов достаточно высокого структурного соверщенства. [c.225]

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 меньще, а поэтому и загрязнение материала менее значительно. Кроме того, используя метод зонной плавки, можно регулировать щирину расплавленной зоны, создавать вдоль слитка несколько отдельных расплавленных зон, а также применять монокристаллическую затравку. [c.232]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...