Вирощування монокристалів кремнію (стр. 5 из 5)
Цим методом вирощуються монокристали Si, насичений Au. Ростучі в цих умовах кристали Si мають довжину до 2 см і концентрацію золота приблизно 10-6 % . З розплаву в сріблі і цинку ростуть шестикутні пластинки січною 0.5 – 2 мм і товщиною 0.1 – 0.3 мм, але з більшим вмістом домішки ( до 0.15 % ).
Рис. 11 Вибір методу вирощування на основі діаграми температури - розчинність. А – розчин KNO3 при понижені температурі; б - розчин NaCl при ізотермічному випаровуванні води; 1 - область метастабільного перенасичення; 3 - область перенасичення внаслідок переохолодження; 4 - крива перетину; 5 - крива насичення.
Рис. 12 Використання зонної плавки для вирощування кристалів Si із сплавів Si - Au
Цим методом вирощуються також ряд інших напівпровідників B, Si, сіре олово ряд окислів: BaO, ZnO; ортоферити рідкоземельних M3, Fe3O3 (М галоліній, європій, лантан, неодом, паразеодим, самарій або іттирій ). В послідньому випадку використовуються розплави окису свинцю з відношенням вихідних речовин до PbO 1:6. Кристали титанату бакію вирощуються із сплавів щілинних і щілинно-земельних з’єднань. Великі кристалічні пластини BaTiO3 отримані із розплаву безводного фторида калію при охолодженні його від 1200 до 875 0С за час 8 годин.
Злитки, які складаються із декількох кристалів InP, були отримані із розплаву індію і фосфіду індію. Високі температури плавлення і більше значення тиску дисоціації з‘єднань A3B5 обумовлюють необхідність здійснення атмосфери летючого компонента. Тому кристали A3B5 вирощують в герметично закритому посуді.
В загальному випадку для A3B5 максимальна точка плавлення не співпадає із стехіометричнм складом. Оскільки кожні точці ліквідуса відповідає свій тиск пари, тому зміни його в прцесі кристалізації будуть призводити до зміни складу кристалізованх з’єднань. Шкідливий компонент веде себе як з коефіціентом розподілу k*<1 . Якщо це легкий компонент B, то буде відбуватися його відтіснення в розплав, який відповідно збагачується компонентом B.Останнє зумовлює порушення рівноваги між розплавом і паровою фазою.
Відновлення рівноваги виконується за рахунок переходу залишку компоненту B із розплаву в парову фазу. В свою чергу, якщо тиск пари, який робиться джерелом, буде за якихось причин змінюватися, то склад розплаву і ростучого кристалу також буде постійним.
Ріст кристалів із парової фази. Ріст кристалів із газової фази є одним з найбільш вивчених процесів. Розміри кристалів, вирощуваних цим методом, обмежуються малими транспортними можливостями газу як речовина, провідником і відвідником тепла кристалізації, а також легкістю утворення турболентних потоків поблизу ростучого кристалу. За допомогою цього методу вирощують кристали теллура і селену. Кристали сульфіду кадмію вирощуються із газової фази декількома методами: 1) газодинамічний потік, в якому пари Cd поглинаються сірководнем або парами сірки і на холодних частинках посуду осідає CdS; 2) квазіорівномірно, при якому CdS кристалізується із пари CdS в холодних частинах посуду за умовами, близькими до рівноважних.
В першому випадку під фарфорову лодочку з Cd, розміщеного в кварцовій трубці, пропускається при 800 – 1000 0С вивід суміші з сірководнем. Cd реагує з сірководнем, і перетворившись в CdS осідає у холодних частинках трубки у вигляді лентоподібних кристлів ~ 3х5х0.2 мм. При пропусканні суміші водню і селену росли кристали CdSe розміром 1 -2 мм. Кристали CdS, ZnS також можуть бути вирощені за рахунок переносу пари азоту або аргону. Форми росту кристалу і загальний їх облік при вирощуванні із газової фази представлені на рисунку 13.
Ростучі кристали можуть бути леговані домішками ( наприклад, Cl, Ga, Zn ) в кількості 0,01 – 0,1%. Наявність домішок впливає на форму росту. Наявність хлору обумовлює ріст в товщину. Лентоподібні кристали виникають при вмісті Ga в концентрації менше 1019 см-3. При NGa>1019 см-3 ростуть гексагональні призми довжиною до 30 мм і діаметром 0,3 – 1 мм.
Рис. 13 Форма кристалів CdS при вирощуванні із газової фази.
1 – пластинкова; 2 – голкова; 3 – тип 1 з прямокутними штрихами; 4 – тип 1 з косими штрихами; 5 – двійники; φ=30, 45 або 600
На форму кристалів впливають також методи вирощування. При сублімації CdS найчастіше зустрічається другий тип кристалів, зображений на рисунку 13. При реакціях випарів кадмію і сірки найчастіше зустрічається п’ятий тип кристалів.
Рис.14 Схема Пайпера і Полінга
1 – піч;2 – шитка;3 – кристал 4 – муллітома труба;4 – ампула (а); розподіл температури вздовж печі (б)
Можливість отримання великих монокристалів CdS методом сублімації була реалізована Пайпером і Полішем, які використовували принцип переміщення сублімарної зони через ущільнену полікристалічну засипку, поміщену у замкнуту кварцову ампулу. Схема установки зображена на рисунку 14. Кварцова ампула з однієї сторони має затравочний корпус з припаяним до нього кварцовим стержнем для покращення умов зародження зародків монокристалу і з відкритої сторони щільно входячу в середину ампули запаяну трубку. Мулітовану трубку ( яка служить для захисту ) з розміщеними всередині неї ампулами з ущільненим порошком переміщають з швидкістю 0,5 – 1,5 мм/год в печі, маючи (показано у верхні частині на рисунку 14) розподіл температури. При початковому положенні конічного носика ампули в зоні максимальної температури конус повністю очищується від полікристалічної засипки, а потім по мірі руху ампули в холодну зону в ньому виникає монокристалічний зародок, розростаючись по діаметру ампули на довжину декількох сантиметрів.
Металографічне і рентгенівське дослідження показують, що в кристалах CdS, отриманих із пари, присутні дефекти упаковки і двійники 15. Вивчення фігур росту вказує на наявність гвинтових дислокацій і суттєвих розбіжностей швидкості травлення в різних кристалографічних напрямах. На основі цих результатів припускається, що грані, перпендикулярні осі С, сильно порушені.
Рис. 15 Двійник CdS Ф=580
Методом росту із пари получають тяжкі кристали сульфіду цинку розміром до 10х2х2х мм. Кристали ZnS ростуть більш ідеальними, якщо до пари додати домішои як: ZnO або сіль міді. Крім зміни модифікації “ кубічна гексагональна ”, при 10200С існує зворотнє перетворення при 12400С ” гексагональна – кубічна ”. Гексагональна модифікація є стійкою в широкому діапазоні температур. Кубічна - стабілізується домішкою 0.5 – 1.0 моль%.
Методом росту із пари отримують кристали PbSe розміром 6х6х2 мм і сульфіду олова, а також сульфіду стронцію. Великий інтерес представляє ріст із пари кристалів SiC. Гексагональна або α- форма карбіду кремнію стійка нище 21000С. Між 2100 і 24000С відбувається перетворення в кубічний SiC. Чисті компоненти Si і С вступають у реакцію лише при температурі, вищій 14300С.
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Матеріали мікроелектронної техніки В. М. Андреєв Москва 1986
2. Методи вирощування напівпровідникових кристалів Р. А. Матіш В. Н. Лунь Москва 1988