Механічна підживлення розплаву твердою фазою

Можливі два способи:

Рис 72 Схема методу механічної підживлення розплаву твердою фазою: 1 – Живильний кристал 2 – Нагрівач для підігріву живлячої кристала 3 – Тигель 4 – Вирощуваний кристал 5 – Розплав 6 – Основний нагрівач

1 Ідея першого способу полягає в опусканні в розплав живить стрижня (рис 72) Процесом підживлення можна управляти, змінюючи площа поперечного перерізу живить стрижня, його склад і механічну швидкість його подачі При необхідності в розплав може одночасно вводитися кілька стрижнів Для того, щоб отримати математичне вираз, що описує процес вирівнювання складу в даному методі, необхідно скласти рівняння балансу домішки в розплаві і прирівняти зміна концентрації домішки нулю З цього рівняння для будь-якого варіанту механічної підживлення розплаву опускається стрижнем легко знайти умови, що забезпечують отримання однорідного кристала Так, для найбільш цікавого з практичної точки зору режиму отримання легованих кристалів рішення рівняння зводиться до відшукання чи необхідної концентрації живить стрижня при заданих інших параметрах, або до відшукання його площі поперечного перерізу Зокрема, якщо перетину витягається кристала і стрижня підживлення рівні, і рівні їх щільності, то склад живить стрижня повинен бути дорівнює складу зростаючого кристала Цей спосіб вирівнювання складу дозволяє отримувати однорідні монокристали з високим виходом і великим діапазоном рівнів легування Він використовується і для вирощування монокристалів твердих розчинів (див гл 6), наприклад, в таких системах як Ge-Si, Bi-Sb, InAs-GaAs і т д

2 Другий спосіб підживлення – метод розплавленого шару (Рис 73) У цьому випадку злиток живить матеріалу поміщають в нижній частині кристала, вирощування якого ведуть з вершини живить злитка, подплавляет спеціальним нагрівачем Зростання кристала в цьому випадку супроводжується синхронним переміщенням живить злитка вгору

Рис 73 Схема методу підживлення розплаву твердою фазою (метод розплавленого шару): 1 – Живильний кристал 2 – Нагрівач 3 – Вирощуваний кристал, 4 – Розплав

Аналіз умов вирощування однорідного за складом кристала і виходу придатного матеріалу в методі розплавленого шару проводиться аналогічно попередньому випадку Однак цей метод має певні переваги: ​​а) виникають у розплаві концентраційні та теплові потоки симетричні б) процес вирощування проводиться в бестігельной умовах Ці переваги послужили стимулом для розвитку цього методу і виготовлення легованих бездислокаційних кристалів напівпровідників

Механічну підживлення кристаллизуемой розплаву рідкою фазою найчастіше здійснюють при вирощуванні кристалів методом Чохральського Найбільше поширення отримали дві модифікації цього методу: перший – Витягування монокристала з розплаву в плаваючому тиглі або в тиглі, механічно переміщається щодо зовнішнього контейнера, з яким вони повязані капілярним каналом (рис 74) другий метод – витягування кристала з тигля, розділеного перегородкою, через яку робоча і підживлюють частини тигля зєднані капілярним каналом (рис 75) В обох модифікаціях в робочому режимі в сполучному каналі йде безперервний потік розплаву у напрямку до робочого обєму При цьому перенесення примесного компонента в каналі складається з двох частин: потоку, викликаного потоком рідини, і потоку, обумовленого молекулярної дифузією Для управління процесом вирівнювання складу витягається кристала необхідно, щоб перенесення домішки в каналі здійснювався тільки механічним перетіканням розплаву, а компенсаційна дію молекулярної дифузії було придушене Ця умова найлегше виконується при використанні довгих і вузьких сполучних каналів-капілярів

У процесах з плаваючим або механічно переміщуються рабо

Рис 74 Основні варіанти капілярної підживлення: а – Плаваючий тигель б – Механічно опускається тигель (1 – Розплав 2 – Кристал 3 – Внутрішній тигель 4 – Капіляр трубка 5 – Зовнішній тигель 6 – Тримач внутрішнього тигля 7 – Двигун 8 – Тримач кристала)

Рис 75 Схема капілярного подвійного тигля: 1 – Капілярний канал 2 – Розплав 3 – Кристал

чім тиглем найбільшого поширення набули режими вирощування, при яких забезпечується сталість робочого обєму розплаву Тому розподіл домішкового складу в кристалі, вирощують цим методом, аналогічно розподілу складу в кристалі, одержуваному за допомогою методу зонної плавки Однак розглянутий метод отримання однорідно легованих кристалів має ряд важливих переваг у порівняно з методом зонної плавки: 1) відсутність необхідності приготування вихідних зразків потрібного складу 2) можливість безпосереднього спостереження за процесом витягування 3) сталість робочого розплаву (у випадку з плаваючим тиглем) або можливість його варіювання в широких межах у випадку з механічним переміщенням тигля

Процес вирощування легованих кристалів з капілярного подвійного тигля є своєрідною комбінацією процесів зонної плавки і нормальної спрямованої кристалізації Для забезпечення сталості складу кристалів, вирощуваних цим методом, досить, щоб протягом усього процесу зростання при зміні висоти розплаву відношення площі робочої частини тигля до всієї його площі зберігалося постійним Ця вимога легко реалізувати, наприклад, в тиглі усередині якого коаксіально встановлюється циліндрична перегородка з капілярним каналом (рис 75) Даний метод успішно застосовується для легування кристалів домішками з K > 1 і K < 1. Однак аналіз теоретичного виходу придатного матеріалу показав, що для домішок з K 1 застосування капілярних тиглів з метою отримання однорідно легованих кристалів недоцільно

Механічну підживлення кристаллизуемой розплаву газовою фазою здійснюють як при вирощуванні кристалів методом Чохральського, так і при вирощуванні методом зонної плавки Підживлення може проводитися як нелетучей, так і летючої домішкою

У разі нелетучей домішки зазвичай ця домішка підводиться до розплаву у вигляді летючого хімічної сполуки Останнє, взаємодіючи з розплавом, розкладається, що вводиться домішка виділяється і легуючих розплав Такий процес виділення домішки в результаті хімічних реакцій використовується лише для домішок з K > 1

При легуванні кристалів летючими домішками, що володіють при температурі розплаву високим тиском пари, необхідно враховувати взаємодію розплаву з паровою фазою Процес підживлення кристаллизуемой розплаву парової фазою може здійснюватися як шляхом поглинання домішки (K > 1) з газової фази, так і шляхом її випаровуванні

Рис 76 Схема підживлення кристала за допомогою випаровування летючої домішки з K < 1 з розплаву: 1 – Тигель 2 – Вирощуваний кристал 3 – Розплав 4 – Нагрівач

(K < 1) з розплаву. Перехід летючого компоненту через поверхню розділу розплав-газ буде відсутня тільки в тому випадку, коли концентрація розчиненої в розплаві летючої домішки знаходиться в рівновазі з її концентрацією в газовій фазі. Зміна складу розплаву за рахунок сегрегації викликає обмін летючим компонентом між розплавом і газом. Процес межфазного обміну, який врешті-решт призводить концентрації домішки в розплаві і газі до рівноважних значень, припиниться тільки тоді, коли припиниться зміна складу розплаву. Якщо в системі є летючий компонент, то за наявності вільних поверхонь розплаву обов'язково відбувається обмін летючим компонентом між розплавом і газом і рівноважна підживлення розплаву цим компонентом.

При роботі з летючими компонентами використання рівноважної газової підживлення можна вести за двома схемами У першій з них стінки установки для вирощування кристала спеціально не підігріваються, і їх температура, як правило, близька до кімнатної У стаціонарних умовах вся домішка повинна випаруватися з розплаву і осісти на холодних стінках системи При вирощуванні ж легованих кристалів все відбувається по-іншому Рівноважний випаровування домішки компенсується механічною подачею в розплав летючого компонента Наприклад, найпростіший варіант такого процесу реалізується при рівності відтісняти на фронті кристалізації в розплав в одиницю часу кількості домішки і кількості домішки, що випаровується за цей же час з вільної поверхні розплаву (рис 76) Необхідна для цього процесу швидкість росту кристала знаходиться з рівняння балансу домішки в розплаві

За другою схемою вирощування кристалів ведуть в установці зі спеціально підігріваються стінками робочої камери У цьому випадку сі

Рис 77 Схема механічної підживлення розплаву парової фазою: 1 – Вирощуваний кристал 2 – Розплав 3 – Основний нагрівач 4 – Посудина з летючої домішкою 5 – Допоміжний нагрівач, регулюючий тиск пара, швидкість його подачі до поверхні розплаву 6 – Конденсат летючої домішки 7 – Термопара

стема являє собою замкнутий, попередньо вакуумований обсяг з певним температурним полем (рис 77) У зоні знижених температур поміщають надмірна кількість летючого компонента (джерело) Температуру основної частини системи, в якій відбувається зростання легованого кристала, вибирають проміжною між температурою джерела і температурою розплаву Процес кристалізації ведуть так, щоб зміна складу розплаву, викликане Сегрегаційні явищами, компенсувалося поглинанням домішки з газової фази розплавом (повинно встановитися рівноважний розподіл домішки в системі розплав-які підживлюють газова фаза) Для отримання однорідного за складом кристала необхідно, щоб рівновагу в системі встановлювалося зі швидкістю більшою, ніж швидкість сегрегаційних змін складу рідкої фази Це можливо тільки при дуже малих швидкостях росту кристалу, значно менших, ніж зазвичай використовують на практиці Тому цей метод при вирощуванні однорідних обємних кристалів застосовують порівняно рідко (зазвичай для вирощування концентрованих твердих розчинів тугоплавких матеріалів і диссоциирующих зєднань)

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