книги из ГПНТБ / Лодиз, Р. Рост монокристаллов

234 Р. ЛОДИЗ . РОСТ МОНОКРИСТАЛЛОВ

найти способы изоляции высокотемпературной плазмы для кон­ тролируемого термоядерного синтеза. Хотя магнитная стабили­ зация и весьма перспективна, при выращивании кристаллов она еще редко применяется. Стабилизация плазмы при выращива­ нии кристаллов осуществляется главным образом за счет регу­ лирования скорости и направления газового потока между элек­ тродами. Если потоку придать круговое движение так, чтобы в центре вонзикала область низкого давления, иными словами, образовался вихрь, то плазма должна быть устойчивой в этой области. Вихревая стабилизация особенно удобна в индукцион­ ных плазмах. В горелках же постоянного тока чаще всего при­ меняется стабилизация «газовым чехлом». В такой горелке элек­ трическую дугу зажигают между вольфрамовым катодом и по­

обстановке довольно трудно поддерживать дугу длительное время. Следует признать, что до сих пор имеется мало сведений относительно получения кристаллов высокого качества с по­ мощью плазменных горелок постоянного тока в тех случаях, когда их нельзя было бы вырастить с большей легкостью дру­

[96] ранее использовали горелки переменного тока, которые тре­ бовали электродов, но они не были намного лучше горелок по­ стоянного тока. На фиг. 5.23 показана типичная индукционная безэлектродная плазменная горелка переменного тока. Рид [94] и Бауэр с Филдом [91] исследовали разные конструкции горе­ лок. По существу все горелки состоят из кварцевой трубки с одним открытым концом и с впуском для газа на другом и индук­ ционной спирали вокруг этой трубки для индукционной связи. Осуществить нагрев с одноатомными газами труднее, но в слу­ чае многоатомных газов или одноатомных с примесью много­ атомных большие количества тепла получить легко. Входные отверстия для газа нужно делать так, чтобы поток был направ­ лен по касательной к окружности трубы. В газе возникнет вихрь, который будет способствовать вихревой стабилизации. В области частот от 5 до 3000 МГц можно поддерживать плазму в 02 , N0,

5. РОСТ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА В ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЕ 235

С 0 2 , Не, Ar, S02 и в воздухе. Чтобы зажечь плазму, в высоко­ частотное поле обычно приходится вводить заземленный уголь­

менным нагревом можно выращивать кристаллы сравнительно

ные лампы типа используемых в проекторах в открытых кинотеатрах. В таких лампах предусмотрена автоматическая по­ дача угольных стержней, и ЛаРуе и Халден [97] успешно приме­ няли сфокусированный пучок света таких ламп при выращива­ нии кристаллов (фиг. 5.24). Однако угольные электроды в конце концов сгорают, и пока их заменяют новыми, выращивание пре­ рывается, в результате чего получаются кристаллы с сильными неоднородностями. Одно из решений проблемы — взять два ду­ говых источника для нагрева кристалла и на время замены электродов в одном из них включать другой. Это снижает не­ однородности, но не исключает их полностью, поскольку остают­ ся тепловые флуктуации в момент таких переключений. Удач­ ная геометрия для двух тепловых источников обеспечивается в так называемой двойной раковине, описанной Плотцем [91].

так, чтобы фокусировать излучение на образец. Каждая «рако­ вина» состоит из двух параболических рефлекторов с отверстием в центре. Снаружи каждого из рефлекторов (близко к отвер­ стию) устанавливается источник света, а свет последнего фоку­ сируется на некотором расстоянии от другого рефлектора.

Недавно появились высокотемпературные вольфрамовые лам­ пы с большим сроком службы (например, мощностью 2,5 кВт и со сроком службы до 1500 ч). Применение таких ламп должно

Ф и г . 6.24. Метод светового нагрева с дуговым источником света [97].

устранить многие трудности, присущие обычным источникам, использующим электроды. Последние достижения в методах фо­ кусировки теплового излучения описаны в книге [98]. С лампами такого типа обе «раковины» могут работать одновременно, по­ скольку отпадает необходимость в переключении их при сгора­ нии угольных электродов. Свет двух «раковин», сфокусирован­ ный на образце, позволяет достичь температуры выше 2500°С. При этом, естественно, легко контролировать атмосферу вокруг образца, окружив его соответствующей прозрачной оболочкой. Такой способ, по-видимому, наиболее перспективен из всех ва­ риантов метода Вернейля с точки зрения обеспечения чистоты

При выращивании методом Вернейля и аналогичными мето­ дами кристаллы подвергаются влиянию высоких температурных градиентов. Отжиг выращенных кристаллов помогает сильно

5. РОСТ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА В ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЕ 239

мы изобразили распределение температуры при концентрацион­ ном переохлаждении. Здесь концентрации примеси, активатора или растворителя вблизи межфазной границы выше, чем в объ­ еме расплава. Примеси сни­ жают температуру плавления, поэтому область перед фрон­ том кристаллизации оказыва­ ется сильно переохлажденной.

Вагнер [99], Боллинг иТиллер [100] иТемкин[101] деталь­ но рассмотрели условия обра­ зования дендритов, а Биллиг [45] и Беннет с Лонгини [102] впервые вырастили дендриты в контролируемых условиях.

Наиболее полно изучен, ве­ роятно, Ge. Кристаллы со структурой типа алмаза, такие, как Ge, выращивают следую­ щим образом:

Типичным продуктом такого процесса является лентовидный кристалл с гладкими гранями и зубчатыми краями в несколько метров длиной, несколько десятых миллиметра толщиной и меньше сантиметра шириной. Такие кристаллы имеют опреде­ ленные преимущества в полупроводниковой технике (например, отпадает операция разрезания объемного кристалла), и в па­ тентной литературе этому вопросу уделяется большое внимание.

6

РОСТ КРИСТАЛЛОВ ИЗ ПАРОВ

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Выращивание кристаллов из паров, или, как говорят иначе, из газовой фазы, в однокомпонентной системе имеет довольно ограниченное применение и в целом ряде способов настолько аналогично выращиванию в моногокомпонентной системе, что мы

зывают эпитаксиальным выращиванием из газовой фазы (разд. 6.5). Одно из преимуществ методов выращивания из газо­ вой фазы заключается в том, что при таких методах очень часто оказывается возможным заранее рассчитать константы равно­

2. Методы выращивания в многокомпонентных системах. а) выращивание при обратимых реакциях; б) выращивание при необратимых реакциях.

Среди методов выращивания в однокомпонентных системах только методы распыления нашли широкое применение при вы­ ращивании кристаллов, но и их в основном используют для по­ лучения эпитаксиальных пленок. Методы сублимации — конден­ сации имеют ограниченное применение, поскольку довольно мало таких веществ, у которых упругость пара была бы доста­ точно высокой для роста. Вообще говоря, можно вводить допол­ нительные компоненты, связывающие нелетучие соединения в летучие комплексы; в этом случае рост осуществляется в про­ цессе реакции. Ионное внедрение, строго говоря, нельзя считать методом выращивания. Это скорее способ активации уже выра­ щенных кристаллов.

Росту кристаллов из газовой фазы посвящены работы Брен­ нера [1] (металлы), Бредли [2] (органические вещества), Рей-

нольдса [3] (сульфиды), Гленга и Вейжды [4] (кремний), О'Коннора [5] (SiC) 1 ), Мейсона [6] (образование льда) и Энтела [7] (соединения I I I — V групп). Кроме того, о выращивании из газо­ вой фазы кристаллов полупроводниковых соединений много го­ ворится в книге под редакцией Грабела [8] и о выращивании

фера [10]; в книге под редакцией Френкомба и Сато [11] много полезной информации по получению монокристаллических пле­ нок, а при написании этой главы автор в значительной степени пользовался обзором Эллиса [12]2 ).

При выращивании кристаллов из газовой фазы в однокомпонентных системах не возникает проблем, связанных с приме­

ден для получения кристаллов низкотемпературных полиморф­ ных модификаций и веществ, испаряющихся инконгруэнтно. Он применяется также там, где по условиям эксперимента невоз­ можно создать температуры, необходимые для роста кристаллов в однокомпонентных системах.

6.2. СУБЛИМАЦИЯ — КОНДЕНСАЦИЯ

При выращивании кристаллов методом сублимации — кон­ денсации обычно применяют два типа систем: замкнутые и про­ точные. В первом случае используют запаянную ампулу или установку для испарения в вакууме. В типичном варианте ме­ тода системы замкнутого типа (фиг. 6.1, а) транспортируемое вещество помещают в ампулу (обычно из плавленого кварца) и откачивают ее (если вещество инертно по отношению к воз­ духу, то откачка и не обязательны). Иногда ампулу после от­ качки заполняют до определенного давления газом, препят­ ствующим разложению, или инертным газом. Если реакция между газом и транспортируемым веществом существенна, то метод правильнее рассматривать как метод реактивного пере­ носа. Наличие инертного газа улучшает перенос, поскольку его конвекция способствует движению сублимированных частиц в направлении зоны роста. Но так как средняя длина свободного

') Кроме того, ряд глав, посвященных выращиванию кристаллов SiC из

кууме обычно обеспечивается лучший перенос. Эксперимен­ тально установлено, что иногда инертные газы-носители помо­

с использованием замкнутых и проточных систем. Для обеспе­ чения нужной температуры и градиента используют обычного

Фиг. 6.1. Выращивание методом сублимации и конденсации.

о — метод замкнутой системы; б— вакуумное испарение; в —метод проточной системы.

типа горизонтальные и вертикальные трубчатые печи и обычные регуляторы и регистрирующие приборы.

С точки зрения технологии наибольший интерес представ­ ляет, вероятно, выращивание кристаллов SiC методом переноса в однокомпонентной системе. Метод Лели [19, 20], которым по­ лучают кристаллы SiC, по существу основан на сублимации. Порошкообразный SiC нагревают в инертной атмосфере до температуры около 2500°С. В центре массы порошка образуются пластинчатые кристаллы a-SiC. Если исходный SiC имеет вид полого цилиндра [20], в который вставлен полый цилиндр из по-

4 ) Возможно, что некоторые из этих эффектов обусловлены процессами

вгазовой фазе, аналогичными концентрационному переохлаждению. При

выращивании из газовой фазы концентрационное переохлаждение может иметь место и в много- и в однокомпонентной системах. В однокомпонентных системах в силу того, что градиент концентрации обусловлен диффузией ИЛИ конвекцией, парциальное давление в некоторых частях системы может пре­ вышать равновесное парциальное давление над твердым веществом при тем­ пературах ниже рассматриваемых. Такую ситуацию в паре можно рассмат­ ривать как аналогичную концентрационному переохлаждению. Вопрос о кон­