Вопросы на три (Alex.BiT & Рома Edition) (987495), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Метод Чохральского +гарнисажный способ.

Р ис. 11.1.4. Схема выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

1 - механизм, вращения, подъема и опускания затравки; 2 -водоохлаждаемый вал; 3 - цанговый держатель; 4 - тугоплавкая свеча; 5 - затравка; 6 - водоохлаждаемый корпус установки; 7 -тигель, 8 - исходная смесь выращиваемого соединения; 9 - водо-охлаждаемый вал; 10 - механизм подъема, опускания и вращения тигля; 11, 12 – индукторы; 13 - смотровое окно; 14 - ввод для откачки и запуска газа

Монокристаллы достаточно больших размеров, выращенные по методу Чохральского, по степени структурного совершенства явля­ются наиболее совершенными из кристаллов соединений, выращенных другими методами.

температуры плавле­ния в пределах до 2500 К по этому методу.

при слишком быстром вращении кристалла может возникнуть резкая турбулентность в пограничном слое перед фронтом роста и нестабильность границы разде­ла фаз.

Среди преимуществ метода следует выцедить: отсутствие прямо­го контакта между стенками тигля и кристаллом, что способствует получению не напряженных монокристаллов; возможность извлечения кристалла из расплава на любом этапе выращивания, что важно в связи с исследованием условий выращивания; возможность изменения геометрической формы кристалла при варьировании температуры рас­плава и скорости выращивания. Последнее используется для получе­ния бездислокационных кристаллов; задавая специальную программу вытягивания, добиваются в начале процесса уменьшения диаметра кристалла, при этом большая часть дислокации выходит на боковые поверхности кристалла в месте сужения, т.е. покидает кристалл (вы­клинивается). Затем диаметр кристалла вновь увеличивают, и плот­ность дислокации и нем становится очеБыли получены зависимости концентрации распределения примесей в кристалле с учетом метопа выращивания. В частности, для метода Чохральского характерно в стационарном режиме постоянство поверхности расплава; зависимость имеет следующий вид:

[K+δ₁(S₀/S-1)]/[1+δ₂(S₀/S-1)]-1 (11.1.11)

C=KC₀(1-x)

где С и С₀ - весовые концентрации примеси в кристалле и расплаве к моменту начала кристаллизации δ₁=φ/ρV- фактор испарения при­меси; δ₂=γ/ρV- фактор испарения основного вещества; x - теку­щая координата; φ — коэффициент испарения примеси; γ- коэф­фициент испарения основного вещества; V - объем кристалла; скорость роста; ρ - плотность кристалла; К - эффективный коэффициент распределения примесей; S,S₀-площади поперечного се­чения кристалла и расплавань малой.

Для того, чтобы избежать возможного нарушения стехиометрии расплава из-за испарения, свободную поверхность расплава иногда изолируют от атмосферы слоем флюса, т.е. жидким слоем специаль­но вводимого вещества, не смешивающегося с расплавом и не обра­зующего с ним химически прочных соединений.

Метод горизонтально направленной кристаллизации (метод Багдасарова)

Метод горизонтально направленной кристаллизации, схематично показанный на рис. 11.1.7, заключается в следующем: в контейнер, имеющий форму лодочки, загружают шихту (в виде порошка, кристал­лического боя или керамики) расплавляют ее и путем перемещения контейнера сквозь зону нагрева, закристаллизовывают.

Р ис. 11.1.7. Схема метода горизонтально направленной кристалли­зации 1- затравка; 2 - кристалл; 3 - расплав; 4 - контейнер; 5— нагреватель

Для данного метода, характеризуемого изменяющейся величиной зеркала расплава, эффективный коэффициент распре­деления К с учетом испарения будет иметь вид

С=С₀K(1-x)^K-1 (1-δ₂ l₀ /h₀ x) φ/γ-1 (11.1.15)

где h₀ - первоначальная высота расплава в прямоугольной лодоч­ке; l₀ - первоначальная длина расплава.

Гарнисажный метод выращивания кристаллов

. Для создания и удержания расплава, поглощающего энергию высокочастотного поля, не­обходимо, чтобы исходное неэлектропроводное вещество было нагрето до температуры, при которой оно приобретает электропроводность, достаточную для эффективного поглощения высокочастотного поля. Наиболее радикальным решением проблемы является создание стар­тового (или затравочного) расплава, т.е. небольшого количества расплава в массе твердой фазы. Условием жизнеспособности стартового расплава, т.е. его способности увеличиваться в объеме, является неравенство

VP>k (T_p-T₀)πD₀² (11.1.17)

где \/ - объем стартового расплава; Р - мощность потребляемая единицей объема расплава; k -коэффициент теплопередачи от расgлава к теплоносителю; Т₀ -температура расплава, Т_p -температура теплоносителя; D₀- диаметр стартового расплава.

Левая часть неравенства представляет собой мощность, выделяющуюся в стартовом расплаве, а правая - мощность, теряемую через поверхность расплава. Теплоту фазового перехода из рассмотрения исключаем, так как расплавление может происходить в принципе коль угодно медленно, тогда условием жизнеспособности расплава является

D>6k/P*(T_p-T₀) (11.1.18)

т.е. начальный диаметр капли расплава превышать некоторый критический D_к.

метод оптической зонной плавки

Э тим методом можно выращивать моно­кристаллы высокотемпературных соединений в любой атмосфере, в вакууме и под давлением без загрязнения материала в процессе выращивания, быстро получать целые серии кристаллов, легирован­ных различными примесями, а также отсутствие температурных ог­раничений, легкость стабилизации и автоматизации. При проведении экспериментов по этому методу затраты сравнительно малы, что объясняется как небольшим количеством материала, так и отсутст­вием необходимости использовать дорогостоящие тигельные мате­риалы (например, иридий или платина) для контейнера. К числу недостатков следует отнести ограниченность диаметра выращивае­мых кристаллов, что связано с мощностью выпускаемых промышлен­ностью газоразрядных ламп, большие температурные градиенты, свойственные методу зонной плавки.

Выращивание диэлектрических кристаллов из высокотемпературных растворов

Известно, что монокристаллы одного и того же вещества можно получить различными методами кристаллизации. В тех случаях, когда выращивать монокристаллы из собственных расплавов не целесообраз­но, например, по ниже перечисленным причинам, процесс выращивания желательно вести при температуре ниже температуры плавления вы­ращиваемого материала. Это обычно обусловлено следующими обстоятельствами:

1) выращиваемое вещество неустойчиво при высоких температуpax и характеризуется полиморфными превращениями вблизи темпера­туры плавления, большой величиной давления пара при температуре выращивания или инконгруэнтной точкой плавления;

2) в случаях, когда необходимо получать кристаллы с понижен­ной концентрацией вакансий или предотвратить появление больших термических напряжений в кристалле;

3) для достижения нужного распределения ряда примесей при некоторых условиях, например, когда примесь характеризуется повы­шенной летучестью при температуре плавления материала.

Под кристаллизацией из растворов обычно подразумевается рост кристалла соединения, химический состав которого заметно отличает­ся от химического состава исходной жидкой фазы. В зависимости от условий протекания процесса и химической природы растворителя ис­торически различают процессы выращивания в гелях (как правило, при температурах не выше 350-360 К), из перегретых водных растворов (гидротермальный метод, температура до 1073 К) и из солевых расплавов (метод кристаллизации из раствора в расплаве), температуры процесса в этом случае обычно не превышают 1500-1573 К но иногда бывают и выше.

Методы выращивания кристаллов из растворов в расплавах (РРМ) характеризуются рядом методических особенностей, позволяющих при их рассмотрении объединить эти методы в отдельный раз­дел. Как уже говорилось, для РРМ характерны промежуточные тем­пературы процесса между расплавленными методами и методами вы­ращивания из водных растворов. РРМ позволяют выращивать в лю­бой атмосфере кристаллы высокотемпературных соединений, характе­ризующиеся полиморфными переходами в температурной области ниже точки плавления, обладающих повышенной летучестью кристаллизуемо­го вещества или лавирующей примеси вблизи температуры плавления. С помощью РРМ могут быть выращены кристаллы практически лю­бых соединений поскольку метод подразумевает неограниченный вы­бор как растворителей, так и температурных областей кристаллиза­ции. К основным недостаткам рассматриваемой группы методов сле­дует отнести: изменение условий роста в ходе проведения единично­го процесса выращивания, загрязнение получаемого кристалла компо­нентами растворителя и материалом тигля, сравнительно небольшие скорости роста.

РАСТВОРИТЕЛИ

С термодинамической точки зрения растворителем можно считать любой компонент системы, имеющий более низкую температуру плав­ления, чем другие компоненты системы и способный переводить их в жидкую фазу при температуре более низкой, чем точка плавления каждого из растворяемых соединений.

Растворители подбираются по критериям.

1. Величина растворимости выращиваемого соединения в данном растворителе должна быть достаточно велика.

2. Растворитель не должен образовывать соединений и твердых растворов с растворенным веществом.

3. Растворитель не должен взаимодействовать с материалом тигля при температуре процесса в течение длительного промежутка времени.

4. Необходим заметный температурный коэффициент растворимо­сти (~1 вес % на 10°), чтобы можно было медленно охлаждать раствор (при выращивании в изотермических условиях с температур­ным градиентом, а также при выращивании на счет испарения раст­ворителя это требование имеет меньшее значение).

5. В качестве растворителей выгоднее использовать соединения, которые образуют с растворенным веществом низкотемпературную и наиболее близкую к ординате растворителя эвтектику.

6. Растворитель должен быть таким, чтобы вхождение его в виде примеси в растущий кристалл не влияло на интересующие нас свойства (например, не вело к тушению излучения активного иона).

7. Желательно, чтобы валентность компонентов растворителя бы­ла постоянной, а сам он имел одинаковый ион с кристаллизуемым веществом, чтобы не вводить в систему посторонние частицы. Если это осуществить не удается, тогда радиусы ионов растворителя должны, по возможности, максимально отличаться от ионных радиусов растворяемого вещества. Близость ионных радиусов компонентов растворителя и растворяемого вещества, а также возможность заря­довой компенсации между ними может привести к изоморфному вхож­дению нежелательных примесей в кристаллизуемое вещество и изме­нению его свойства.

8. Растворитель не должен характеризоваться повышенной вели­чиной летучести, за исключением случая, когда состояние пересыщения достигается испарением растворителя. Высокая летучесть растворителя вызывает изменение в составе раствора, мешающее определению положения растворимости на кривой зависимости растворимости от температуры, усложняет получение совершенных кристаллов и требует герметизации объема, что создает дополнительные технические трудности при выращивании, например, на затравку. Повышенная лету­честь приводит также к локальному пересыщению и последующему спонтанному образованию центров кристаллизации на поверхности раствора, которые, осаждаясь на затравку при ее погружении в растворитель, ухудшают качество растущего кристалла. Конденсация па­ров летучего компонента ведет к разрушению оборудования печи. Для обеспечения пониженной летучести растворителя температуры плавле­ния и кипения последнего должны сильно различаться.

9. Совершенные кристаллы могут быть выращены лишь тогда, когда оптимально подобран весь комплекс условий: плотность, пересыщение, вязкость и т.д. Разница плотностей расплава-растворителя и кристаллизующегося вещества определяет, будет ли идти кристалли­зация в данных или близ поверхностных слоях. Если плотность распла­ва растворителя больше, чем у растущих кристаллов, то может иметь место их химическое взаимодействие с атмосферой, хотя, например, при выращивании кристаллов оксидных соединений на воздухе это мо­жет оказывать и положительное влияние. Расплав с плотностью более низкой, чем у кристаллов, обладает защитным действием по отноше­нию к окружающей атмосфере. Для растворителя с повышенной вязко­стью характерно прохождение основных процессов за счет диффузии растворенного вещества. Так как коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости, скорость притока подпитывающего вещества к поверхности роста будет мала по сравнению со скоростью осаждения на поверхности роста, и возможно растворение первоначально вырос­шего слоя монокристалла. Для достижения равновесия раствора необ­ходимы или более длительная выдержка, или более высокая температура. В растворителях с повышенной вязкостью в условиях отсутст­вия принудительного перемешивания будет наблюдаться увеличение размеров пограничного диффузионного слон, уменьшение градиента концентрации выращиваемого материала в этом слое, ухудшение вос­становления состояния перенасыщения у поверхности роста — все это ведет к торможению процесса кристаллизации, уменьшению скорости роста монокристалла.

10. Растворитель должен быть легкоплавким, нетоксичным, ста­бильным в значительном интервале температур, легко приготовляе­мым и саморастворимым в водном, кислотном или щелочном раство­рах.

11. Свойства растворителя должны обеспечивать независимость коэффициентов распределения компонентов кристаллизуемого вещест­ва от температуры.

12. Желательно, чтобы растворитель хорошо смачивал затравку и исходный материал.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. В установках МПЭ имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью.

Технология молекулярно-пучковой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж. Р. Артуром (J. R. Arthur) и Альфредом Чо (Alfred Y. Cho).

Технология

В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества на кристалическую подложку. Несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычйно сложных технических решений. Основные требования к установке эпитаксии следующие:

• В рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум (около 10^-8 Па).

• Чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999%.

• Необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы) с возможностью регулировки плотности потока вещества.

Особенностью эпитаксии является медленная скорость роста пленки (обычно менее 1000 нм в минуту).

Устройство установки молекулярно-пучковой эпитаксии

Вакуумная камера

Камера создаётся из нержавеющего сплава высокой чистоты. Для обеспечения вакуума в камере, перед работой ее прогревают до высоких температур. При этом происходит дегазация поверхности.

В современных установках могут использоваться несколько соединенных единой транспортой системой камер:

• Рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры.

• Загрузочная камера, выполняющая роль шлюза между рабочей камерой и атмосферой.

• Исследовательская камера с приборами.

Насосы

Форвакуумный насос - производит начальное откачивание газа из установки (до ,,,).

Характеристики

Список файлов вопросов/заданий