Метод Киропулоса

Метод Киропулоса, как и метод Чохральского, относится к методам с неограниченным объемом расплава. В отличие от метода Степанова, для реализации метода Киропулоса не используются капиллярные силы. Этот метод заключается в том, что выращивание монокристаллов осуществляется непосредственно в расплаве путем плавного снижения температуры.

Суть метода: рост монокристаллов за счет плавного понижения температуры. Температуры понижаются в расплаве, и изменяется теплоотвод от кристалла за счет охлаждающего затравочного кристалла.

Вначале метод применялся для роста щелочных и щелочноземельных металлов, но после этим методом успешно выращивают синтетические сапфиры.

Описание роста монокристаллов по методу Киропулоса:

Шихта расплавляется в тигле до определенных температур, выше температур плавления и после в расплав вводится охлаждаемая затравка (холодильник). Расплав медленно охлаждается и затем затравка продувалась холодным газом. В результате чего на концах охлаждаемой затравки начинается кристаллизоваться монокристалл. Кристаллизация происходит в расплаве, но монокристалл медленно вытягивают из расплава по мере уменьшения объема расплава. Рост обычно происходит в вакууме. В результате получаются чистые монокристаллы сапфира, применяемые в оптике, медицине, лазерах и других отраслях промышленности.

Основное преимущество метода Киропулоса заключается в его технической простоте и надежности. Он экономически выгоден, поскольку возможно более эффективное экранирование источника нагрева, сводящее невозвратные потери тепла к минимуму. Метод Киропулоса позволяет выращивать крупные монокристаллы, например, монокристаллы лейкосап-фира весом до 10 - 4 - 20 кг и более.

Существенным недостатком метода, однако, является непостоянство скорости выращивания, поскольку теплообмен по мере увеличения массы монокристалла претерпевает изменения, учесть которые технически трудно. Поэтому скорость роста задается заведомо низкой ( для лейкосапфира порядка 2 мм / ч), чтобы избежать возможного образования в монокристаллах различного рода включений, блоков и малоугловых границ.

К методу Чохральского очень близок метод Киропулоса, отличающийся тем, что рост кристалла осуществляется не вытягиванием затравки из расплава, а усиленным теплоотводом через нее, за счет чего фронт кристаллизации продвигается в глубь расплава.

Метод Чохральского

По методу Чохральского производят вытягивание вверх на затравку монокристалла из ванны с расплавом. Нагрев обычно осуществляют при помощи СВЧ излучения. Для снятия возникающих напряжений используют дополнительную печь, через которую проходит выращиваемый кристалл и отжигается.

Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

1 - тигель с расплавом,

2 - кристалл,

3 - печь,

4 - холодильник,

5,6 - механизм вытягивания.

Метод Чохральского относится к консервативным процессам, предназначенный для вытягивания монокристаллов из расплавов и растворов с помощью затравочного кристалла. Метод относится к тигельным, так как для его реализации необходим тигель.

Метод Чохральского применяется для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, в частности кремния с чистотой 99,9999999% и сплавов III и V групп периодической таблицы Менделеева, например: арсенида галлия. Методом Чохральского выращивают 80% монокристаллов, применяемых в полупроводниковой промышленности.

Суть метода Чохральского - стабильный рост монокристаллов за счет вытягивания из расплава с помощью затравочного кристалла, такой же чистоты, как и монокристалл.

Описание роста монокристаллов по методу Чохральского

В тигель загружается шихта (например: кремний) и начинается процесс плавления до определенной температуры выше температуры плавления (для кремния - 1415 градусов). После в расплав вводится затравка, выдерживается некоторое время и начинает подниматься, вращаясь с определенной скоростью (например: 2мм/мин) и вытягивая монокристалл с определенной скоростью. Тигель вращается в противоположную сторону, оптимизируя массообмен в расплаве. Начинается вытягивание монокристалла в более холодную зону.

После того как кристаллизация на конце затравки началась, растет цилиндр монокристалла длиной в несколько сантиметром, а после происходит формирование диаметра монокристалла за счет плавного понижения температур в расплаве.

К завершению процесса температуру вновь поднимают выше температуры, при которой происходил рост для формирования цилиндрической структуры в несколько сантиметров. После температуры медленно понижают и монокристалл извлекают из ростовой установки.

Метод Чохральского имеет преимущества по сравнению с аналогичными методами роста монокристаллов:

Одно из важнейших преимуществ данного метода - постоянство скорости роста. Это способствует получению бездислокационных монокристаллов с правильной ориентацией, упорядоченной кристаллической структурой, определенными оптическими и электрическими параметрами, высокой чистотой монокристалла и другими свойствами.

Вытягивания монокристалла в свободном пространстве позволяет исключить образования паразитных зародышей на стенках тигля, что тоже приводит к нарушению структуры кристаллической решетки монокристалла и образованию несовершенств.

Бесконтактный рост со стенками тигля не допускает попадание примесей в монокристалл.

Визуализация расплава (расплав виден) позволяет вводить легирующие добавки в монокристалл для повышения определенных свойств кристалла.

Вращения затравки и тигля в разные стороны позволяет оптимизировать массообмен в расплаве и немного сократить нерегулярную конвекцию и концентрационное переохлаждение в расплаве, влияющих на формирование структуры монокристалла и адсорбцию примесей.

Минусы: 1. Т.к. это тигельный метод, то надо использовать тигли из благородных металлов платиновой группы, следовательно, расход платины (из-за высоких температур).

2. Иногда взаимодействие материала тигля с расплавом.