Билет №5

1. Моделирование технологических процессов. Экологические аспекты ТМЕТ. тетр

2. Кристаллизация из расплава (выращивание полупроводниковых кристаллов методом Чохральского, направленная кристаллизация, зонная плавка).

Методом Чохральского Метод вытягивания

Выращивание монокристаллов германия, кремния и ряда других веществ методом вытягивания из расплавов является в настоящее время наиболее распространенным при промышленном производстве больших монокристаллов с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами. На рис. 2 представлены основные элементы устройства для вытягивания монокристаллов по Чохральскому. Процесс проводится в герметической камере, в атмосфере инертного газа или в вакууме. Камера снабжена смотровым окном для визуального наблюдения за процессом. Все исполнительные механизмы расположены вне камеры. Материал М помещается в тигель Л, насаженный на конец водоохлаждаемого штока Б-1. Шток Б-1 выводится из камеры через уплотнения Вильсона и при помощи электропривода, расположенного вне камеры, приводится во вращение со строго постоянной скоростью. Шток Б-1 можно также перемещать вверх или вниз для подбора оптимального положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному элементу В. В качестве нагревательного элемента обычно используют печь сопротивления (например, графитовые нагреватели) или источник индукционного высокочастотного нагрева. Через уплотнения Вильсона, расположенные на верхнем фланце камеры соосно с нижним штоком, в камеру вводится водоохлаждаемый шток Б-2. На нижнем конце штока Б-2 при помощи цангового крепления фиксируется монокристаллическая затравка кристаллизуемого материала. При помощи соответствующих электроприводов шток Б-2 может перемещаться вверх и вниз с любой заданной скоростью и вращаться с постоянной скоростью (5—100 об/мин)

Направленная кристаллизация

При наиболее старом и еще широко используемом методе Бриджмена расплав и растущий .кристалл находятся или в тигле (рис. 1, а) или в лодочке (рис. 1, б). Тигель или лодочка, изготовленные из более тугоплавкого материала, чем вещество кристалла, заполняется полукристаллическим материалом, помещается в печь к нагревается до температуры выше точки плавления. Затем тигель с расплавом охлаждают так, чтобы кристаллизация начиналась с заостренного конца. Поскольку объем расплава, находящийся в конусообразной части тигля, невелик, то вероятность образования одного центра кристаллизации увеличивается. Дальнейшее охлаждение проводят так, чтобы изотермическая поверхность, близкая к точке плавления вещества, перемещалась от конца тигля вверх через весь расплав. При этом происходит рост зародыша или зародышей, возникших в заостренном конце тигля; в результате получается слиток, повторяющий форму и размер тигля. Слиток будет монокристаллическим, если в заостренной части тигля спонтанно образовался единственный зародыш. При выращивании кристаллов в тигле, расположенном в вертикальной печи сопротивления, невозможность наблюдения за фронтом кристаллизации не позволяет использовать монокристаллические затравки. Большим недостатком этого метода является также то, что растущий кристалл находится в контакте со стенками тигля. Поскольку полупроводниковые материалы характеризуются неплотно упакованными структурами, объем кристалла больше объема расплава, а поэтому в образующемся кристалле возникают большие механические напряжения.

Зонная плавка

горизонтальной зонной плавки кристаллизуемый материал размещается в тигле. К материалу тигля в данном случае предъявляют те же требования, что и в методе нормальной направленной кристаллизации. Выращивание кристаллов методами зонной плавки, как правило, осуществляют с использованием монокристаллической затравки, которая размещается в одном из концов тигля. В начальный момент процесса расплавленная зона создается на границе затравка — исходный материал. При этом производится частичное расплавление монокристаллической затравки. Перемещение расплавленной зоны через исходный материал от затравки к другому концу тигля обеспечивает рост монокристалла. К числу важных преимуществ кристаллизации методом зонной плавки относится возможность выращивания кристаллов без использования тиглей — методом плавающей зоны (рис. 3.7,б). В этом случае не происходит загрязнения расплава за счет растворения в нем материала тигля, а также в выращиваемом кристалле не возникают дефекты вследствие различия коэффициентов линейного расширения кристалла и стенок тигля. В зависимости от значения удельного сопротивления исходного материала формирование расплавленной зоны осуществляется либо с помощью высокочастотного нагрева, либо с помощью электронно-лучевого нагрева. Движение зоны вдоль образца осуществляется перемещением материала относительно источника нагрева или перемещением источника нагрева относительно образца.