3.1.2. Форма кристаллов. Псевдограни.

Форма получаемых кристаллов определяется двумя факторами: стремлением свободно растущего кристалла ограниться плотноупакованными гранями {111} и стремлением сил поверхностного натяжения придать растущему кристаллу округлую форму, что приводит к уменьшению площади поверхности. В результате на боковых поверхностях кристалла могут образовываться так называемые псевдограни.

На рис. 25. показан механизм образования псевдограней из ребер октаэдра (указаны индексы псевдограней в зависимости от направления вытягивания кристалла).

Кристаллы из материалов с высокими значениями поверхностного натяжения стремятся к цилиндрической форме.

Огранка заметнее проявляется с уменьшением диаметра кристалла, увеличением скорости вращения и уменьшением градиента температур. Огранку формируют в зависимости от направления выращивания грани, которые образуют выделенные в октаэдре сечения: <100> – квадрат со стороной а; <110> – ромб с диагоналями а и а, где а – длина ребра октаэдра.

В направлении <111> – центральную часть кристалла формирует грань BFC, периферийные части кристалла – расходящиеся грани ABF, CDF и BCE. Кроме того, в направлении выращивания <111> при увеличении диаметра кристалла после затравливания и при отрыве его от расплава в конце выращивания наблюдают шестигранную пирамиду, вызванную участием в формировании псевдограней на конусе помимо перечисленных расходящихся граней, также сходящихся граней ABE, CDE и AFD.

Рис. 25. Механизм образования псевдограней при различных кристаллографических направлениях вытягивания монокристалла.

Достоинства метода Чохральского:

• высокие производительность и скорость роста;

• большие размеры получаемых монокристаллов с заданной ориентацией;

• простота реализации.

Общие недостатки тигельных методов:

• сложность реализации процесса при выращивании тугоплавких и легколетучих материалов;

• трудность получения монокристалла полупроводника, претерпевающего фазовый переход в твердом состоянии;

• наличие тигля предполагает снижение чистоты монокристалла. Тигель неизбежно загрязняет расплав, например, при использовании кварца в качестве контейнерного материала происходит реакция окисления кремния:

Si_(ж.) + SiO_2(тв.) = 2SiO.

3.1.3. Бестигельные методы получения монокристаллов

1. Метод Вернейля.

Мелкозернистый порошок из бункера дозировано поступает в камеру, где расплавляется в пламени горелки. Микрокапли материала попадают на затравку, где происходит их растекание и кристаллизация (рис. 26.). Материал в процессе плавления загрязняется кислородом. Структурное совершенство получаемого кристалла в большинстве случаев недостаточно для их применения. Однако метод нашел применение в технологии тугоплавких и, особенно, оксидных материалов.

Рис. 26. Метод Вернейля: 1 – бункер с порошкообразным материалом; 2 – горелка; 3 – подача горючего газа; 4 – подача кислорода; 5 – затравка; 6 – вращающийся пьедестал.

2. Метод гарниссажной плавки.

На поверхности поликристалла с помощью электроннолучевого нагрева создается расплавленная зона, из которой производится вытягивание монокристалла. Значительный перегрев расплава позволяет удалять легколетучие примеси. Процесс не обеспечивает высокое структурное совершенство монокристалла из-за высокого градиента температур у фронта кристаллизации (рис. 27,а.).

Рис. 27. Методы гарниссажной плавки (а) и выращивания с пьедестала (б): 1 – затравка; 2 – монокристалл; 3 – поликристалл; 4 – электронные пушки, 5 – индуктор.