Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы роста кристаллов. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Тверской государственный университет»
Физико-технический факультет
И. А. Каплунов, А.И. Иванова, С.А. Третьяков
Физические основы роста кристаллов
Часть 1.
Учебное пособие
Тверь 2023
2
УДК 538.9
ББК 22.37
К 12
Рецензенты:
Доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВО ТвГУ Пахомов П.М.
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО ТГСА Голубев В.В.
К 12
Каплунов И.А., Иванова А.И., Третьяков С.А. Физические основы
роста кристаллов. Часть 1.: учеб пособие – Тверь: Твер. гос. ун-т. 2023.
– 84 с.
ISBN 978-5-7609-1829-1
Рассмотрены основные теоретические и практические вопросы роста
кристаллов. Описаны структурные и фазовые особенности кристаллических
материалов, рассмотрено влияние дефектов на свойства кристаллов,
представлены методы управления структурой и свойствами материалов,
физические и технологические аспекты процессов выращивания
монокристаллов.
Пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры
направлений 03.03.03, 03.04.03 Радиофизика профиль «Физика и технология
радиоэлектронных приборов и устройств», 03.03.02, 03.04.02 Физика
профиль «Физика конденсированного состояния вещества», а также для
аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированного
состояния вещества
Рекомендовано научно-методическим советом ТвГУ
(протокол заседания № 4 от 24 мая 2023 г.)
УДК 538.9
ББК 22.37
ISBN 978-5-7609-1829-1
© И.А. Каплунов, А.И. Иванова, С.А.
Третьяков, 2023
© Тверской государственный
университет, 2023
3
Оглавление
Введение .............................................................................................................. 6
1. Диаграмма состояния и условия выращивания монокристаллов ..... 8
2. Образование дефектов в кристаллах, растущих из расплава ............ 16
2.1. Точечные дефекты .................................................................................. 17
2.2. Краевые и винтовые дислокации .......................................................... 21
2.3. Плоскостные дефекты. Механическое двойникование ...................... 30
2.4. Объемные дефекты ................................................................................. 32
2.5. Влияние дефектов кристаллических материалов на свойства ........... 33
2.6. Методы управления структурой и свойствами материалов ............... 34
3. Легирование полупроводниковых материалов .................................... 39
3.1 Коэффициент распределения примесей ................................................ 40
3.2 Равновесный коэффициент распределения ........................................... 41
3.3 Эффективный коэффициент распределения примесей ....................... 44
3.4 Легирование объемных кристаллов в процессе выращивания из
жидкой фазы (общие принципы) ................................................................. 46
4. Выращивание кристаллов ........................................................................ 49
4.1. Метод Чохральского ............................................................................... 50
4.2. Источники нагрева .................................................................................. 55
4.3. Контроль температурно-временных режимов кристаллизации ........ 59
4.4. Системы управления и автоматизации ................................................. 62
4.5. Тигли ........................................................................................................ 68
4.6. Распределение температуры при выращивании кристаллов из
расплава. Тепловой баланс ........................................................................... 71
Список литературы......................................................................................... 82
Список литературы для самостоятельной
работы………………………………………….................................................85
4
Пояснительная записка
Учебное пособие "Физические основы роста кристаллов"
предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате и магистратуре
направлений "Физика" и "Радиофизика", а также для специалистов,
занимающихся изучением и производством кристаллических материалов.
Содержание курса базируется на курсах «Физическая кристаллография» и
«Кристаллохимия», непосредственно связано и необходимо для освоения
таких дисциплин, как «Физика кристаллизации», «Материаловедение
электронной техники». «Кристаллофизика», «Технологии кристаллических
материалов».
В ходе изучения дисциплины формируются следующие компетенции:
– способность использовать в своей научно-исследовательской
деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики
и радиофизики для решения научно-исследовательских задач (ОПК-1).
- способность понимать принципы работы методы эксплуатации
современной радиоэлектронной и оптической аппаратуры и оборудования
(ПК-1).
_ способность свободно владеть разделами физики, необходимыми для
решения научно-инновационных задач (ПК-2).
В учебном пособии "Физические основы роста кристаллов"
излагаются основные понятия, описывающие процесс кристаллизации,
основные стадии технологического процесса выращивания кристаллов,
фазовые особенности кристаллических материалов, структурные дефекты
(классификация, причины образования), методы управления структурой и
свойствами материалов.
Знания, получаемые бакалаврами, магистрами и аспирантами при
освоении данного материала, будут полезны при работе в основной области
профессиональной деятельности: решение проблем, требующих применения
фундаментальных знаний в области физики и радиофизики,
материаловедения, специализированной подготовки в области
теоретического и экспериментального исследования природы
5
кристаллических и аморфных материалов и изменений их физических
свойств и структуры при различных внешних воздействиях.
ВВЕДЕНИЕ
Создание приборов для электронного и оптического применения
базируется в основном на кристаллических материалах с конкретными
структурными и физико-химическими свойствами. Развитие
полупроводниковой электроники и новые принципы конструирования, в
частности создание интегральных схем, где большое число активных и
пассивных элементов схемы сосредоточено в малом объеме кристалла,
предъявляет новые требования к материалу. Повышение надежности и
процента выхода ИС часто не может быть достигнуто только за счет
совершенствования конструкции, а требует повышения качества кристалла.
В оптических системах приема-передачи изображений очень важно иметь
материалы однородные, с низкими коэффициентами поглощения и
рассеяния, на основе которых изготавливают линзы, защитные окна и др. В
связи с этим возникает необходимость понимания структуры кристалла, как
идеальной решетки, вмещающей дефекты.
Растущая потребность в кристаллах, обладающих определенным
набором свойств: высоким структурным совершенством, отсутствием
нежелательных примесей, сложным химическим составом, четко
реагирующим на многие физические воздействия, обусловила интенсивное
развитие новой отрасли – выращивание кристаллов. Кристаллизация – это
сложный физико-химический процесс, протекание которого зависит от
большого числа факторов. Успех в получении кристаллов с заданными
свойствами во многом связан с пониманием механизмов кристаллизации.
В настоящее время имеются весьма эффективные методы контроля
структуры материалов. Необходимо знать возможности их в применении к
материалам микроэлектроники. Усложнение задач, которые ставятся
6
современной полупроводниковой техникой, привело и к усложнению
методов контроля структуры и свойств материалов зачастую в
микрообъемах схем. Разработка расчетных методов диагностики
электрофизических свойств материалов привело к созданию сложных
экспериментальных установок. Однако эти исследования окупаются,
поскольку позволяют раскрыть новые горизонты развития науки, а изучение
строения вещества, что приводит к созданию принципиально новых
приборов, вычислительной техники, устройств приема и обработки
информации.
Развитие технологий выращивания кристаллов явилось стимулом для
развития смежных областей, таких как, электронная и вакуумная техника,
машиностроение, технологии особо чистых веществ и методы легирования.
7
1. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И УСЛОВИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ
МОНОКРИСТАЛЛОВ
В науке и технике широко применяются искусственно полученные
материалы, такие как поликристаллические и монокристаллические
металлы, полупроводники (элементарные и на основе химических
соединений), диэлектрики; различного типа сплавы, стеклообразные и
керамические материалы, композиционные материалы.
Основной задачей является либо получение материалов с заданными
свойствами, либо разработка новых материалов. При этом важным является
экспериментальное изучение зависимостей физических свойств материалов
от структуры материалов, фазового состава, особенностей электронного
строения материала на основе которых формулируются закономерности
влияния на свойства.
Основными факторами, влияющими на физические и
электрофизические свойства материала с точки зрения материаловедения
являются структура материала и его фазовый состав. Особенности
электронного строения материала привлекаются лишь для более глубокого
понимания причин изменения физических свойств материала.
К структурным особенностям материала относятся:
1. Наличие или отсутствие упорядочения в расположении атомов
(кристаллические или аморфные тела).
2. Тип кристаллической структуры для кристаллов или наличие
ближнего порядка (для аморфных тел).
3. Точечные или линейные дефекты в твердом теле (вакансии,
дислокации и т.д.).
4. Макродефекты (поры, границы зерен)
5. Макрокристаллическая структура (монокристалл, поликристалл,
текстурированный материал).
8
Фазовые особенности материала базируются на фундаментальном
понятии фаза, более широком, чем понятие агрегатное состояние. Фазой
называется часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью,
обладающая определенным набором физических и химических свойств и
отличающаяся хотя бы по одному из этих параметров от свойств системы
вне замкнутой поверхности.
Систему называют гомогенной, если все макроскопические части
системы имеют одни и те же химические и физические свойства.
Примерами могут служить кристаллическое твердое тело, жидкость, газ или
смесь газов. В гетерогенной системе физические свойства и состав
различны в разных макроскопических участках. Примеры гетерогенных
систем: твердое вещество в равновесии со своим расплавом, насыщенный
раствор в присутствии избытка растворенного вещества, две
несмешивающиеся жидкости или жидкость в равновесии со своим паром.
Под фазой понимают часть системы, гомогенную на всем своем
протяжении и физически отделенную от других фаз четкими границами.
Число компонентов системы - это минимальное число химических
составляющих, которое нужно выделить для описания состава всех
присутствующих фаз. Интенсивная переменная - это переменная, не
зависящая от количества присутствующей фазы, тогда как экстенсивная
переменная (например, масса) зависит от количества вещества.
Гиббс вывел количественное соотношение, называемое правилом фаз,
которое выражает связь между числом степеней свободы в равновесии С,
числом компонентов К и числом фаз Ф в виде С+Ф=К+2. Это соотношение
соблюдается, когда в качестве интенсивных переменных выбраны давление,
температура и состав. Согласно этому правилу, чем больше компонентов в
системе, тем больше степеней свободы; с другой стороны, чем больше фаз
тем меньше переменных, необходимо определить для полного описания
системы.
9
Для любой системы число фаз максимально, когда С=0.
Для однокомпонентной системы К=1 максимальное число фаз Ф=3.
Для двухкомпонентной системы К=2 максимальное число фаз Ф=4.
Для однокомпонентной системы К=1 правило фаз записывается в
виде С+Ф =3.
Если Ф = 1, то С =2 , говорят, что система бивариантна;
Ф = 2, то С =1 , система моновариантна;
Ф = 3, то С =0 , система нонвариантна.
К фазовым особенностям материала относят:
1. фазовый состав (однофазный или многофазный).
2. тип фаз, входящих в состав материала (фазы постоянного или
переменного состава)
3. факторы, определяющие стабильность фаз (электронный или
размерный)
К электронно-зонным характеристикам, которые рассматриваются в
материаловедении относятся:
1. тип межатомной связи (ионная, ковалентная, металлическая, ван-дер-
ваальсовая, водородная).
2. характер заполнения верхних электронных зон твердого тела (пустая
или частично заполненная зона проводимости, ширина запрещенной
зоны, наличие и расположения электронных уровней или дефектов в
запрещенной зоне)
3. наличие перекрытия электронных зон в твердом теле.
Чтобы вырастить монокристалл из вещества, находящегося в любом
агрегатном состоянии, необходимы три условия:
1. перевод системы в метастабильное состояние,
2. наличие затравочного кристалла
3. направленный теплоотвод.
10
Метастабильное состояние — это относительно устойчивое
состояние пересыщенных растворов, переохлажденных расплавов и т. д.,
которое перестает быть устойчивым, когда в систему вводится затравка —
кристаллик не меньше определенного, так называемого критического
размера. На затравке происходит кристаллизация вещества, если при этом
обеспечен постоянный отвод тепла.
Кристаллизация – процесс образования участков кристаллической
решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.
Процесс кристаллизации и связанные с ним закономерности строения
кристаллических материалов описывают с помощью диаграмм фазового
равновесия, которые в графической форме показывают фазовый состав и
структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы
построены для условий равновесия, которое соответствует минимальному
значению свободной энергии.
Изучая равновесные диаграммы состояния можно определить:
• фазовый состав вещества при определенной температуре и химическом
составе;
• фазовые превращения при нагреве и охлаждении;
• критические температуры фазовых превращений;
• предельная растворимость компонентов в фазах;
• химический состав и весовое количество фаз;
• структурные составляющие и др.
Диаграмма состояния позволяет установить основные условия
кристаллизации: состав выращиваемого монокристалла, атмосферу
кристаллизации, ее давление и температурные режимы.
Для построения диаграммы состояния необходимо знать
зависимости химических потенциалов всех компонентов
системы от температуры, давления и состава фаз. Диаграммы
состояния строят на основе экспериментальных данных, получаемых
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]