1.1. Методы получения монокристаллов из расплавов

В процессах получения монокристаллов из расплавов без подпитки жидкой фазой и взаимодействия с паровой фазой используют разновидности процессов, схематически представленных на рис. 1. В горизонтальном и вертикальном методе нормальной направленной кристаллизации фронт кристаллизации может формироваться при перемещении контейнера с расплавом (ампулы или лодочки) через высокотемпературную зону с градиентом температуры.

Рис. 1. Схемы методов получения монокристаллов без подпитки расплава:

а, б – горизонтальный и вертикальный методы нормальной направленной кристаллизации; в – метод выращивания монокристаллов по Чохральскому; г – метод выращивания монокристаллов по Чохральскому с жидкостной герметизацией расплава; 1 – нагреватель; 2 – контейнер; 3 – монокристалл; 4 – расплав; 5 – герметизирующая жидкость

Рис. 2. Схемы методов получения монокристаллов с подпиткой расплава:

а, б – горизонтальная и вертикальная бестигельная зонная перекристаллизация; в – метод выращивания с «пьедестала»; г – метод Чохральского с подпиткой расплава из паровой фазы; д –подпитка расплава из газовой фазы при зонной перекристаллизации; 1 – выращиваемый кристалл; 2 – расплав; 3 – нагреватель; 4 – подпитывающий кристалл; 5 – тигель

Рациональнее, однако, перемещать печь, в которой создано требуемое температурное поле с градиентом температуры, относительно контейнера. Это устраняет вносимую механизмом перемещения вибрацию контейнера с растущим монокристаллом. При небольших градиентах температуры (до 20 – 25 К/см) нормальная направленная кристаллизация называется методом Бриджмена, при больших (100 – 200 К/см) – методом Стокбаргера.

Наибольшее применение для получения монокристаллов полупроводников из расплавов нашел метод Чохральского (рис. 1в). В расплав, находящийся в тигле, погружается

монокристаллическая затравка с требуемой кристаллографической ориентацией. При последующем её подъеме происходит наращивание монокристалла на затравку. Для уменьшения возможной радиальной асимметрии теплового и концентрационного полей тигель и кристалл вращаются в противоположных направлениях. На рис. 1г показана разновидность метода Чохральского, используемая при получении из расплавов монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений и твердых растворов на их основе. Для предотвращения испарения легколетучего компонента расплав покрывают слоем жидкого флюса, чаще всего обезвоженного борного ангидрида (жидкостная герметизация), а в технологической камере создают избыточное давление инертного газа, которое в 1,5 – 2,5 раза превышает давление диссоциации соединения.

Основные методы получения монокристаллов с подпиткой расплавом или из паровой фазы схематически представлены на рис. 2. К ним относятся горизонтальная (рис. 2а) и вертикальная (рис. 2б) зонная перекристаллизация. В этом методе расплавляется только часть слитка (зона). При продвижении расплавленной зоны вдоль слитка, либо за счет перемещения печи или нагревателя, либо за счет перемещения слитка, в начале зоны создается фронт плавления, через который осуществляется ее подпитка, а в конце – фронт кристаллизации. По мере продвижения зоны весь слиток постепенно проплавляется и направленно кристаллизуется. Горизонтальный вариант зонной перекристаллизации используется для очистки германия и других материалов. При этом часто в начале лодочки помещается монокристаллическая затравка. Бестигельный вертикальный вариант зонной перекристаллизации широко используется для получения монокристаллов кремния. Расплавленная зона удерживается на слитке за счет сил поверхностного натяжения расплава. Достоинством метода является исключение контакта расплава и кристалла с контейнером и, следовательно, устранение возможности загрязнения монокристалла. Схема метода выращивания монокристаллов с «пьедестала» представлена на рис. 2в. В нём сохраняются достоинства бестигельной зонной перекристаллизации. Вверху поликристалла с помощью нагревателя создается расплав, в контакт с которым приводится монокристаллическая затравка. Кристалл, так же как и в методе Чохральского, выращивают при подъеме и вращении затравки. Одновременно осуществляют подъем поликристалла и подпитку расплава за счет его плавления. Для сохранения постоянного объема расплава, скорости подъема монокристалла и поликристалла выбирают в соответствии с их диаметрами.