Кристаллизация из паровой (газовой) фазы

Широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и эпитаксиальных пленок, тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала. Методы выращивания массивных кристаллов универсальны, практически для любого вещества может быть подобран такой процесс, который обеспечил бы рост монокристалла.

В методах выращивания, основанных на физической конденсации кристаллизуемого вещества, вещество поступает к растущему кристаллу в виде собственного пара, состоящего из молекул их ассоциаций — димеров, тримеров и т.д.

В зависимости от способа доставки вещества в зону кристаллизации различают четыре основных метода: метод молекулярных пучков в вакууме, метод катодного распыления, метод объемной паровой фазы в замкнутой системе и кристаллизацию в потоке инертного газа.

В методе молекулярных пучков нагретый до высокой температуры в вакууме компактный источник испускает атомы или молекулы, которые распространяясь по законам геометрической оптики, попадают на подложку, где и происходит конденсация. Высокую локальную температуру позволяет получить электронно-лучевой нагрев испаряемого вещества. Фокусируя электронный луч, нагревают малый участок на сравнительно массивном слитке испаряемого вещества, иногда доводя его до плавления. Испаритель и подложку помещают в камеру с холодными стенками, в которой обеспечивают высокий вакуум. Если на пути частиц поместить экран в отверстиями («маску»), то он вырезает отдельные пучки частиц. Таким способом можно локализовать кристаллизацию на выбранных участках.

Для повышения совершенства пленок метод молекулярных пучков комбинируют с химическими методами осаждения.

Метод катодного распыления — гибкий, легко управляемый процесс. Получил широкое распространение для осаждения пленок, как поликристаллических, так и монокристаллических. При использовании варианта катодного распыления с использованием тлеющего разряда между катодом и параллельным ему заземленным плоским анодом на котором располагаются подложки, зажигают разряд. Стационарность разряда поддерживается благодаря динамическому равновесию между числом ионов, нейтрализующихся на катоде, и числом новых ионов, генерируемых в плазме тлеющего разряда электронами, эммитируемыми с катода. Ударяющиеся о катод ионы выбивают из него атомы путем передачи импульса. Эти атомы электрически нейтральны и достигают анода, практически не соударяясь с молекулами газа. При осаждении на монокристаллическую подложку может быть обеспечен эпитаксиальный рост. Разработаны различные варианты метода катодного распыления.

К методам с участием химической реакции относятся методы химического транспорта, методы разложения соединений и методы синтеза в паровой фазе.

В методах химического транспорта кристаллизуемое вещество в твердом или жидком виде взаимодействует в зоне источника с другим веществом и превращается в газообразные соединения, которые переносятся в зону с иной температурой и, разлагаясь по обратной реакции, выделяют исходное вещество. В методах разложения соединений в зону кристаллизации вводится летучее соединение, которое под действием газообразного восстановителя и высокой температуры или любого иного воздействия разлагается с выделением кристаллизуемого вещества. В методе синтеза в паровой фазе кристаллизуемое соединение образуется в результате реакции между газообразными компонентами непосредственно в зоне кристаллизации.