Розглянемо сутність основних методів очищення кристалізацією Для того, щоб забезпечити отримання матеріалу з граничною ступенем чистоти кристалізаційними методами необхідно, щоб кристалізація починалася в заданому місці і відбувалася в певному напрямку, тобто необхідно створити чітку межу між твердою і рідкою фазами і забезпечити її повільне і рівномірне рух уздовж очищаемого злитка Ці умови досягаються завданням градієнта температури, що забезпечує спрямований відвід тепла і спрямоване просування фронту кристалізації При цьому, залежно від значень K, Домішка буде або «захоплюватися» твердої фазою (K > 1), звільняючи від неї розплав, або відтискуватися від межі розділу в розплав (K < 1). У першому випадку частини злитка, затвердевающие пізніше, будуть чистішими попередніх; у другому випадку найбільш чистою виявляється початкова частина злитка. При розгляді процесів очищення кристалів, вирощуваних з розплаву, все різноманіття методів вирощування кристалів спрямованою кристалізацією можна звести до двох ідеалізованим схемами: нормальної спрямованої кристалізації і зонної плавці. Зокрема, першою схемою описується процес очищення кристалів, вирощуваних широко використовуваним в промисло

Рис 58 Схема вирощування кристала методом нормальної спрямованої кристалізації

Рис 59 Схема вирощування кристала методом витягування з розплаву

ленній практиці методом витягування кристалів з розплаву

У методі нормальної спрямованої кристалізації речовина розплавляють в тиглі заданої форми, який потім повільно охолоджують з одного кінця, здійснюючи звідси спрямовану кристалізацію (рис 58)

У методі витягування кристалів з розплаву в розплав опускають приманку у вигляді невеликого монокристала, яку потім безперервно переміщають вгору Запал захоплює за собою рідкий стовпчик, який, потрапляючи в зону нижчої температури, безперервно кристалізується Схема цього методу показана на рис 59 (більш докладно див гол 6)

При зонної плавці в злитку речовини розплавляють тільки невелику зону, яку переміщають уздовж зразка У міру її спрямованого просування попереду зони відбувається плавлення речовини, а позаду – його кристалізація (рис 510)

Ступінь чистоти речовини і розподіл домішки вздовж кристала в кожній з ідеалізованих схем розрізняються і є характеристиками схеми В даний час зонна плавка стала одним з найбільш поширених кристалізаційних методів, застосовуваних для глибокого очищення багатьох матеріалів

Використовуючи основні закони фазових перетворень в многокомпонентен

Рис 510 Схема вирощування кристала методом зонної плавки

них системах, виведемо аналітичні вирази для розподілу концентрації залишкової домішки в твердій фазі в методах нормальної спрямованої кристалізації і зонної плавки Розглянемо найбільш поширений випадок – бінарну систему (напівпровідник – домішка) при невеликій концентрації домішки Досить чітке і надійне математичний опис розподілу домішки при спрямованої кристалізації бінарної системи може бути отримано тільки в деякому наближенні

Нехай:

1 Процесами дифузійного перерозподілу компонентів у твердій фазі можна знехтувати, тобто коефіцієнт дифузії компонентів у твердій фазі

DS = 0                                         (512)

2 Перерозподіл компонентів і відповідно вирівнювання складу в рідкій фазі відбувається миттєво, тобто коефіцієнт дифузії в рідкій фазі

DL = ∞                                       (513)

Ця умова зазвичай називають умовою повного перемішування рідкої фази

3 Значення ефективного коефіцієнта поділу постійно, тобто

K = const                                       (514)

Це припущення справедливо в області малих концентрацій домішки, коли K не залежить від концентрації домішки Крім того, так як K залежить і від швидкості росту кристала (рівняння (511)), то умова K = Const також має на увазі сталість швидкості росту кристала протягом усього процесу:

V = const                                       (515)

4 При плавленні і затвердінні обсяг кристаллизуемой матеріалу не змінюється, тобто щільності рідкої і твердої фаз рівні:

ρ= ρ= ρ                                     (516)

У системі немає летких і диссоциирующих компонентів Розглянемо в рамках зроблених припущень розподіл домішки в кристалі, вирощують різними методами

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002