Методы вытягивания монокристаллов из расплавов. Метод Киропулоса

Применим для выращивания щелочно-галлоидных кристаллов NaCl, KCl, KBr, LiF и других.

Рисунок 35. Схема выращивания кристалла из расплава методом Киропулоса.

1 – кристаллодержатель; 2 – затравка; 3 – растущий кристалл; 4 – фронт кристаллизации; 5 – расплав; 6 – нагреватель; 7 – тепловой экран; 8 – держатель тигля.

Сущность метода:

Исходную соль помещают в цилиндрический тигель и нагревают до температуры расплава Т_расп.=Т_к+(50150)С, чтобы устранить дефекты на поверхности затравки 3 ее погружают в расплав 5, поверхностный слой затравки расплавляется. При этом все поверхностные дефекты окажутся в расплаве. Одновременно включив вращение кристаллодержателя 1.

Затем, медленно вращая затравку, её поднимают из расплава со скоростью постепенно увеличивающейся, формируя шейку;

d_ш(3-5)мм в зависимости от диаметра l_ш=4d_ш.

Достигнув диаметра шейки, скорость вытягивания шейки становится постоянной. Особенностью процесса является образование фронта кристаллизации 4 ниже уровня расплава и обеспечивается автоматической в процессе всего роста. В процессе вытягивания кристалла уровень расплава понижается. В процессе кристаллизации уровень расплава также понижается за счет сокращения объема при кристаллизации, происходит усадка материала.

Перед завершением процесса, чтобы исключить образование дефектов в кристаллах и обеспечение отрыва кристалла от расплава формируется обратный конус. Шейка обратного конуса при вращении кристалла 3 способствуют уменьшению дефектов при выращивании кристаллов.

Шейка препятствует переходу примесей затравки в кристалл. Частота вращения кристалла и тигля от 2 до 10 мин^-1. Обычно направление вращения обратное, что способствует лучшему перемешиванию расплава, равномерному нагреву расплава и постоянному диаметру вытянутого кристалла.

Из-за сил смачивания и поверхностных натяжений расплава, а так же вращения кристалла, кристалл не успевает самоограниться и имеет цилиндрическую или овальную форму. При вращении кристалла грани роста выраждаются и на цилиндрической поверхности кристалла образуются только риски, т.е. следы ребер пересекающих граней. В оптике эти риски позволяют определить направление кристаллографических осей.

Процесс ведут в герметичной камере, в которую подается инертный газ. Этим исключается образование окислов в процессе выращивания кристалла.

Метод Чохральского

Этим методом выращивают полупроводниковые кристаллы Si, Ge, Ga, As; диэлектрики LiNbO₃, LiTaO₃, TeJ-TeBr-CaF₂.

Рисунок 36. Схема выращивания кристалла из расплава методом Чохральского.

1 – кристаллодержатель; 2 – затравка; 3 – растущий кристалл; 4 – нагреватель; 5 – фронт кристаллизации; 6 – тепловой экран; 7 – держатель тигля.

Отличие этого метода лишь в том, что фазовая граница между раствором и растущим кристаллом находится выше уровня расплава.

Процесс формирования шейки и обратного конуса аналогичен предыдущему методу без всяких отличий.

Скорость вытягивания v_выт.=1-40мм/час (в зависимости от материала). Допустимые колебания температуры расплава не выходит за предел половины градуса.

В качестве исходной шихты используется сверхчистый поликристалл аналогичных соединений.

Главная проблема при этом обеспечить минимальное содержание примесей, которые могут быть до 10^-8 %, и дислокацией в процессе роста.

Существуют также другие методы выращивания из расплава, например Бриджмена.