Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Метод Чохральського



План:


Введення

Схема методу Чохральського

Метод Чохральського - метод вирощування кристалів шляхом витягування їх вгору від вільної поверхні великого обсягу розплаву з ініціацією початку кристалізації шляхом приведення затравочного кристала (або декількох кристалів) заданої структури і кристалографічної орієнтації в контакт з вільною поверхнею розплаву.

Може використовуватися для вирощування кристалів елементів і хімічних сполук, стійких при температурах плавлення-кристалізації. Метод найбільш відомий стосовно до вирощування монокристалічного кремнію.

За час промислового використання (з 1950-х років) були розроблені різні модифікації методу Чохральського. Так, для вирощування профільованих кристалів використовується модифікація методу Чохральського, звана методом Степанова. Модифікація найбільш відома стосовно до вирощування сапфіра і кремнію.

В іноземній літературі для позначення матеріалів, отриманих методом Чохральського, а також для самого технологічного процесу та обладнання, що використовується для вирощування зливків цим методом, використовується абревіатура "CZ" (від англ. CZochralski Zone - Ср з FZ - Float Zone). Наприклад: англ. "CZ-puller" або ньому. "Die Ofen fuer CZ-Kristallzuechtung" установка для вирощування матеріалу методом Чохральського), "CZ-ingot" (кристал, вирощений методом Чохральського) і т.д.


1. Історія

Метод був розроблений польським хіміком Яном Чохральського і спочатку використовувався ним для вимірювання ступеня кристалізації металів ( олово, цинк, свинець).

За деякими відомостями, Чохральського відкрив свій знаменитий метод в 1916 році, коли випадково впустив свою ручку в тигель з розплавленим оловом. Витягуючи ручку з тигля, він виявив, що слідом за металевим пером тягнеться тонка нитка застиглого олова. Замінивши перо ручки мікроскопічним шматочком металу, Чохральського переконався, що утворюється таким чином металева нитка має монокристаллическую структуру. В експериментах, проведених Чохральського, були отримані монокристали розміром близько одного міліметра в діаметрі і до 150 см завдовжки. Чохральського виклав суть свого відкриття в статті "Новий метод вимірювання ступеня кристалізації металів", опублікованій в німецькому журналі "Zeitschrift fr Physikalische Chemie" (1918). [1]

У 1950 співробітники американської корпорації Bell Labs Тіл (Gordon K. Teal) і Літтл (JB Little) використовували метод Чохральського для вирощування монокристалів германію високої чистоти, поклавши тим самим початок використання методу Чохральського для промислового виробництва напівпровідникових кристалів, який у той час використовувався головним чином для виробництва транзисторів. [2]


2. Характеристики методу

Метод відносять до тигельні, оскільки при вирощуванні іспользуюются контейнери з матеріалів стійких до розплаву і атмосфері установки. При вирощуванні кристалів з тигля відбувається забруднення розплаву матеріалом тигля (так для кремнію, що вирощується з кварцового тигля, головними забруднюючими елементами є містяться в кварці кисень, бор, Фосфор, Алюміній, Залізо).

Метод характеризується наявністю великої відкритої площі розплаву, тому летючі компоненти і домішки активно випаровуються з поверхні розплаву. Відповідно змістом летучих легуючих компонентів управляють, змінюючи тиск і / або складу атмосфери в ростової установки. Так, наприклад, з поверхні розплаву кремнію, що вирощується з кварцового тигля, активно випаровується монооксид кремнію - SiO, що утворюється при розчиненні матеріалу тигля. Концентрація кисню і рівномірність його розподілу в готовому зливку є важливими параметрами, тому тиск та швидкість протоку над розплавом аргонової атмосфери, в якій злитки кремнію вирощують з 70-х років ХХ-ого століття, зазвичай підбирають експериментально і регулюють протягом всього процесу.

Для забезпечення більш рівномірного розподілу температури і домішок за обсягом розплаву затравочний кристал і тигель з розплавом обертають, причому зазвичай в протилежних напрямках. Незважаючи на це, обертання в завідомо неоднорідному тепловому полі завжди приводять до появи на поверхні злитка дрібної гвинтовий нарізки. Більш того, у разі несприятливих умов зростання крім гвинтовий нарізки на поверхні сам злиток може рости у формі штопора (коленвала). Аналогічна картина і з розподілом домішок: незважаючи на обертання, уздовж фронту кристалізації завжди залишається нерухома область розплаву змінної товщини, в якій транспорт компонентів розплаву (наприклад домішок) здійснюється повільно, виключно за рахунок дифузії. Це обумовлює нерівномірність розподілу компонентів розплаву по діаметру злитка (по перетину). Додатковим фактором який впливає на розподіл домішок по перетину є стійкі і не стійкі турбулентні вихори в розплаві при вирощуванні зливків великого діаметру.

Метод відрізняється наявністю великого обсягу розплаву, який у міру зростання злитка поступово зменшується за рахунок формування тіла кристала. При зростанні кристала на фронті кристалізації постійно відбувається відтискування частини компонентів в розплав. Розплав поступово збіднюється компонентами, більш інтенсивно вбудовується в кристал, і збагачується компонентами, відтісняє при зростанні кристала. У міру зростання концентрації компонента в розплаві його концентрація підвищується і в кристалі, тому розподіл компонентів по довжині злитку нерівномірно (для кристалів кремнію характерне підвищення концентрацій вуглецю і легуючих домішок до кінця злитку). Крім того, при зменшенні обсягу розплаву зменшується площа контакту розплаву з матеріалом тигля, що зменшує надходження забруднень з тигля в розплав (у разі кремнію кисень з тигля безперервно надходить в розплав і потім випаровується з поверхні у вигляді монооксиду кремнію; в результаті через зменшення площі контакту розплаву і тигля концентрація кисню в зливку зменшується від початку злитку до його кінця).

Вирощування кристала йде з вільної поверхні розплаву, не обмежується стінками контейнера (тигля), тому кристали, отримані методом Чохральського, менш напружені, ніж кристали, отримані іншими тигельними методами. Форма кристала близька до циліндричної, але при цьому виявляються викривлення, які визначаються тепловими умовами вирощування, швидкістю витягування, кристалічною структурою і кристалографічної орієнтацією вирощуваного злитка. Так, бездислокаційних злитки кремнію, що вирощуються в орієнтації [111], завжди мають виражену огранювання, тобто на циліндрі як правило формується одна чітка грань, як якщо б з циліндра зрізали сегмент висотою до 1/6 діаметра зливка, і дві нечітких грані, як якщо б з циліндра зрізали сегмент висотою в кілька міліметрів. Бездислокаційних злитки кремнію, що вирощуються в напрямку [100] при значному переохолодженні прагнуть придбати виражену квадратну огранювання, причому зниження швидкості витягування сприяє прояву огранки. Надмірне підвищення швидкості витягування і / або переохолодження розплаву нерідко призводять до того, що злиток набуває більш-менш гвинтоподібну форму (твістінг).

Ініціація процесу вирощування проводиться шляхом введення в розплав затравочного кристала необхідної структури і кристалографічної орієнтації. При змочуванні затравки розплавом через поверхневого натягу в рідині на поверхні кристала приманки спочатку утворюється тонкий шар нерухомого розплаву. Атоми в цьому шарі шикуються в упорядковану квазікристалічної грати, продовжує кристалічну решітку затравочного кристала. Таким чином, вирощений злиток отримує ту ж кристалічну структуру, що й вихідний затравочний кристал.

Круглий затравочний кристал кремнію з фрагментом початку відтяжки
Кварцовий тигель, заповнений подрібненим кремнієм
Початкова стадія вирощування циліндричної частини монокристала кремнію в напрямку (100)

3. Етапи методу

  1. Готується навішування шихти і поміщається в контейнер (тигель). У разі великих наважок (десятки і сотні кілограм) наважку намагаються формувати з невеликих шматочків (від 10 до 50мм), щоб виключити руйнування контейнера і вихлюпування частини розплаву: при плавленні тверді шматки, що залишаються у верхній частині навішування в якийсь момент починають просідати і падати в розплав. Формування навішування з більш дрібних фракцій навішування недоцільно, оскільки не досягаючи температури плавлення частинки можуть спікатися, утворюючи масивне тіло. Особливо небезпечним може бути плавлення мелкоізмельченним багатокомпонентних наважок, оскільки в зонах контакту частинок можуть утворюватися спайки.
  2. При необхідності в установці створюється атмосфера з необхідними параметрами (для монокристалічного кремнію - це нейтральна аргонова атмосфера з тиском не більше 30 Торр).
  3. Навішування шихти розплавляється, при цьому підведення енергії ведеться переважно знизу і з боків контейнера. Це пов'язано з тим, що при оплавленні навішування зверху вниз розплавлений матеріал буде стікати вниз і кристалізуватися на більш холодної шихті з ризиком руйнування стінок контейнера.
  4. Виставляється таке положення рівня розплаву щодо нагрівача при якому створюються необхідні умови для початку кристалізації виключно в центрі розплаву поблизу від його поверхні. Строго кажучи, класичний метод Чохральського, стосовно до вирощування зливків кремнію діаметром понад 50 мм, має ще одну зону локального переохолодження поблизу зони контакту трьох фаз (розплав-тигель-атмосфера), однак, за відсутності затравочних центрів, кристалізація в цій області не починається. При цьому в ростової установки виникають (визначені конструкцією теплового вузла) квазістаціонарні умови з певним градієнтом температурного поля, що забезпечує виникнення і підтримання стійких ламінарних потоків розплаву. Відзначено, що на кристалах великих діаметрів, крім ламінарних перемішують потоків в обсязі розплаву, поблизу фронту кристалізації додатково формується деякий непарна кількість турбулентних вихорів, що відповідають за нерівномірність розподілу домішок в зоні формування. Надалі необхідні умови забезпечуються, в основному, підтримкою сталості положення рівня розплаву щодо нагрівача.
  5. Система витримується в такому стані для стабілізації потоків і розподілу температури в системі. Для кремнію за різними даними час витримки може складати від 15 хвилин до декількох годин. Витримка може проводитися як пасивно (власне витримка), так і активно - супроводжуючись активним зміною режимних параметрів процесу.
  6. Жорстка або гнучка підвіска (залежить від виробника обладнання) із закріпленим на ній затравочним кристалом необхідної структури та орієнтації опускається вниз, затравочний кристал наводиться в контакт з поверхнею розплаву і витримується там для прогріву і оплавлення зони контакту. Якщо зона контакту не була повністю оплавлені до початку зростання, то, по перше, можливе отримання кристала неналежної структури або орієнтації, а також в подальшому може відбутися розлом по недоплавленному місцем і падіння злитку в розплав.
  7. Починається витягування затравочного кристала вгору в холодну зону. В ході витягування спочатку формується циліндр діаметром в декілька міліметрів - продовження затравочного кристала, особливо важливе при вирощуванні бездислокаційних кристалів. Діаметр відтяжки може бути незмінний по довжині, хоча деякі виробники роблять його ступінчастим. Діаметр фінальної частини прізатравочного циліндра намагаються зробити мінімальним (з урахуванням її міцності на розрив і наявних можливостей щодо корекції малого діаметра). Довжина циліндра для кристалів з різних матеріалів, при різних вимогах щодо структури та орієнтації зможуть коливатися від декількох міліметрів до декількох сотень міліметрів.
  8. Потім за рахунок зниження температури і швидкості витягування діаметр прізатравочного циліндра збільшують до необхідної величини, після чого витягають циліндр максимально можливої ​​довжини. При цьому передбачається залишення певного запасу розплаву для фінішних операцій процесу зростання. У разі витягування кристалів великої ваги деякі виробники формують потовщення у верхній частині кристала, призначені для роботи підтримують пристроїв. Такі пристрої зазвичай встановлюються на ростові установки з жорсткою підвіскою затравочного кристала.
  9. Перед завершенням процесу за рахунок збільшення температури розплаву і за рахунок деякого збільшення швидкості витягування діаметр кристала поступово зменшують (довжина формованого конуса для зливків кремнію діаметром більше 300 мм і більше може досягати 2-х діаметрів).
  10. Після завершення конуса і вичерпання залишків розплаву проводиться відрив злитка від розплаву і поступове охолодження злитка до заданої температури за деяких умов.

Всі режимні параметри кожного з етапів процесу є, як правило, ноу-хау конкретного виробника.


4. Модифікації методу

Розроблено кілька модифікацій методу.

  1. Метод Чохральського з використанням плаваючого тигля. Метою методу є отримання більш рівномірного розподілу домішок по довжині і перерізу кристала за рахунок контрольованого надходження домішок із зовнішньої частини розплаву. Існує безліч розмірів і конструкцій плаваючих тиглів, в тому числі, захищених патентами. Конструктивно метод реалізується шляхом введення в основний тигель з розплавом тигля меншого розміру, що виділяє малий обсяг розплаву, з якого і проводиться вирощування цільового кристала. Малий обсяг розплаву повідомляється з основним об'ємом розплаву таким чином, щоб забезпечити приплив додаткових порцій розплаву ззовні натомість пішли на формування цільового кристала, При цьому змішування обох обсягів і, відповідно, зміна стабілізувався концентрацій домішок в малому обсязі повинно бути виключено.
  2. Метод Чохральського з підживленням. Мета методу полягає в збільшенні продуктивності установок вирощування за рахунок безперервного поповнення обсягу розплаву, що витрачається на формування тіла цільового кристала. Можливі 2 основних апаратних реалізації методу: підживлення поступовим розплавленням в периферичної області тигля (або поза плаваючого тигля) полікристалічного стрижня; підживлення подачею поза плаваючого тигля гранульованого або дробленого полікристалічного кремнію. Попутно метод дозволяє досягти більш рівномірного розподілу домішок по довжині кристала.
  3. Метод Чохральського з проміжними дозавантаження. Мета методу полягає в збільшенні продуктивності установок вирощування і зниженні витрат за рахунок повторного використання контейнерів (тиглів) і за рахунок скорочення часу на обслуговування між процесами, герметизацію та створення захисної атмосфери. Суть методу - готові кристали виводяться з установки з використанням шлюзових пристроїв, а замість них в тигель досипається наступна порція шихти для розплавлення і вирощування наступного злитка.
  4. Метод Чохральського з використанням п'єдесталу. Суть методу: в розплав у відповідній футеровці вводиться плоский нагрівальний елемент, забезпечений температурними датчиками, розподіленими по площі елемента. Елемент вводиться в розплав на глибину 15-30 мм в зону, де буде вирощуватися злиток. В ході росту контролюється розподіл температури по площі елемента і подається харчування на відповідні зони нагрівального елемента для забезпечення "правильного" розподілу температур поблизу фронту кристалізації. Метод дозволяє знизити ймовірність виникнення порушень росту кристалу, але додатково забруднює кристал матеріалом футеровки, вирівнює розподіл домішок по перетину кристала.

5. Порівняння з іншими методами

Кристали деяких матеріалів, вироблених за допомогою методу Чохральського, не можуть бути отримані методом бестигельной зонної плавки, і навпаки. Деякі матеріали можуть бути отримані обома способами.

У разі кремнію злиток, отриманий методом зонної плавки, по чистоті зазвичай істотно перевершує аналогічний, отриманий методом Чохральського, але кристали, одержувані зонної плавкою, мають менші діаметри, більш високу собівартість у виготовленні, інший розподіл і зміст легуючих та інших домішок, істотних для наступних технологічних циклів.


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Метод
Метод Фолля
Метод Остроградського
Метод Ейлера
Многосеточних метод
Метод Бекона
Метод опитування
Метод Брінелля
Метод Грама
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru