Метод плавающей зоны

Рис. 95. Выращивание кристаллов из расплава по методу (о) Бриджмена, (б) Чохральского, (в) методом плавающей зоны и (г) по методу Вернейля.

Достоинство метода плавающей зоны (рис. 95, в) состоит в том, что расплав не контактирует со стенками сосуда. Ограниченный участок вещества в форме стержня, установленного вертикально, расплавляют с помощью излучения, электронной бомбардировки или индукционного нагрева. Поскольку длина и диаметр расплавленного участка малы, величина поверхностного натяжения достаточна для предотвращения растекания расплава. Медленное перемещение стержня вдоль оси приводит к постепенному плавлению с одной стороны зоны и затвердеванию с другой. Если затвердевающий участок контактирует с затравкой в виде монокристалла, весь стержень может превратиться в монокристалл. Метод плавающей зоны используется для серийного получения монокристаллов кремния большой длины, диаметром, более двух сантиметров. [c.207]

Как МЫ видели, существенным препятствием в использовании равновесия жидкость — кристалл при выращивании кристаллов может оказаться химическое взаимодействие расплава с контейнером и плавление последнего. Это обстоятельство становится особенно существенным в случае выращивания кристаллов с высокими температурами плавления, так как если здесь химическое взаимодействие отсутствует, то верхний предел ставится плавлением тигля. Частично проблема решается применением вольфрамовых тиглей (Гпл = 3370°С) и тиглей из карбидов и нитридов (Гпл более 4000°С). Тем не. менее, по-видимому, самым высокотемпературным материалом, успешно выращенным с применением тигля, является сапфир (Гпл = = 2015°С), полученный методом вытягивания из расплава в иридиевом тигле (Гпл = 2554 °С), с которым расплав практически не вступает в химическую реакцию (см. разд. 5.4). Если отсутствие химического взаимодействия между расплавом и тиглем считается критерием успешного выращивания кристаллов, то необходимо выяснить, можно ли практически найти тигель, устойчивый при более высоких температурах. Одним из решений проблемы является, как мы видели, метод плавающей зоны. Однако часто бывает трудно обеспечить высокую тепловую энергию в зоне, необходимую для плавления тугоплавких материалов. В первую очередь это относится к непроводящим расплавам (здесь нельзя применить высокочастотный нагрев) и к расплавам, прозрачным в инфракрасной и видимой частях спектра (нельзя использовать радиационный нагрев с помощью нагревателей сопротивления или сфокусированным излучением лампы, электрической дуги или солнца). Один из способов улучшить подвод тепловой энергии — увеличить отношение поверхности расплава к его объему. Это легко достигается тем, что на поверхности затравки или поликристаллической массы создают наплыв расплавленного материала (фиг. 5.21,а). Он удерживается на затравке или поликристаллическом образце силами поверхностного натяжения. Другие бестигельные методы выращивания представляют собой различные варианты этого способа. [c.227]

СОВ перекристаллизации из расплава. Принцип очистки при затвердевании расплава ясен из описанного выше характера распределения примеси между расплавом и кристаллом. Если коэффициент распределения >1, примесь вытесняется из кристалла, который становится чище расплава. Если к<, кристалл более загрязнен, чем расплав. В обоих случаях такой характер распределения можно использовать для очистки очистка невозможна только, если й=1. Чем больше величина к отличается от единицы, тем эффективнее разделение. Детали метода зонной плавки можно видеть из рис. 95, в. Незначительная область загрязненного кристаллического стержня, расположенного в лодочке горизонтально или вертикально, как в методе плавающей зоны, плавится от тепла внешнего источника. Расплавленная зона медленно передвигается вдоль стержня от одного конца к другому процесс повторяют столько раз, сколько необходимо. При к<Х, когда расплав обогащен примесью, она проходит каждый раз через весь стержень и накапливается на другом конце. Многократное проведение расплавленной зоны от одного конца к другому будет все более очищать кристалл независимо от величины первоначального загрязнения, потому что расплав всегда богаче примесью, чем кристалл. При >1 примесь будет концентрироваться в начальном участке стержня. Распределение примесей по стержню после первого цикла очистки определяется выражением [c.213]

ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОКИСЛОВ МЕТОДОМ ПЛАВАЮЩЕЙ ЗОНЫ [c.220]

При выращивании монокристаллов окислов и окисных соединений из собственных расплавов возникает целый ряд проблем, связанных с созданием высоких температур, защитой расплава от загрязнения материалом тигля, созданием атмосферы, снижающей летучесть компонентов и обеспечивающей рост бездефектных кристаллов. Применение метода плавающей зоны снимает проблему загрязнения материалом тигля благодаря тому, что расплав силой поверхностного натяжения удерживается между двумя цилиндрическими стержнями из того же материала. [c.220]

Наиболее широко метод плавающей зоны используется на практике для получения монокристаллов и очистки от примесей металлов (особенно тугоплавких, таких как вольфрам, молибден и т. п.) и полупроводников. Применение этого метода к окислам сдерживается, но-видимому, целым рядом методических и физикохимических особенностей создания плавающей зоны в этих материалах, анализу которых посвящено настоящее сообщение. [c.220]

Аппарат для синтеза монокристаллов методом плавающей зоны должен состоять из следующих частей (блоков) нагревательного устройства, механизма для крепления и перемещения образца, камеры для создания защитной атмосферы (вакуума), пульта управления и контрольных устройств. Нагревательные устройства могут быть основаны на омическом нагреве косвенного нагревателя можно использовать зеркальные ( оптические ) печи, газовые лазеры, высокочастотный индуктор, электронные пушки нагрев может производиться также за счет тихого электрического разряда ( полый катод ) или переноса вещества в электрической дуге постоянного тока [c.229]

В целом нри работе установки для выращивания монокристаллов методом плавающей зоны должны соблюдаться следующие условия [26] [c.229]

Метод плавающей зоны чрезвычайно плодотворен при исследовании физико-химических процессов на границе раздела твердой и жидкой фаз, построении диаграмм состояния сложных систем. Если при изучении металлических систем благодаря зонным методам получен богатый теоретический и экспериментальный материал, то применительно к окисным системам проведено еще очень мало исследований, для того чтобы считать проблему изученной с должной полнотой. Особого внимания заслуживает проблема взаимоотношения дворика кристаллизации и остального расплава, так как именно малый объем расплавленного участка по сравнению с площадью фронта кристаллизации делает процесс получения монокристаллов весьма чувствительным к составу исходной шихты. Имеющиеся к настоящему времени отрывочные сведения показывают, что при целенаправленном управлении факторами процесса выращивания можно корректировать отклонения, вызванные одним из этих факторов. Например, отклонение в исходном химическом составе исправляется путем изменения скорости движения зоны. [c.240]

Следует учесть, что наряду с целым рядом положительных моментов у выращивания монокристаллов методом плавающей зоны имеется и целый ряд недостатков, связанных с особенностями физико-химических процессов на границе раздела фаз. Это в настоящее время затрудняет как получение монокристаллов сложных окисных соединений, так и получение гомогенно активированных элементов для устройств типа ОКГ или мазеров. [c.240]

Рис. 5. Установка, используемая для очистки железа без лодочки методом плавающей зоны.

Подлежащий перекристаллизации слиток можно расположить и вертикально (фиг. 2.6,6). Такой метод плавающей зоны [17— 20] не требует тигля для расплава, что устраняет возможность попадания из него загрязнений в расплав. Расплавленная зона, [c.76]

ИЗ нее, то диаметр кристалла будет зависеть от отнощения скоростей подачи и вытягивания. Этот способ выращивания называют методом наращивания пьедестала или методом выталкивания кристалла. Его можно считать вариантом метода вытягивания или метода плавающей зоны. На фиг. 2.6, в показана одна из разновидностей данного метода. [c.77]

К бестигельным методам, в которых полностью устраняется проблема тигля, относятся метод плавающей зоны (разогрев обеспечивается индукционным нагревателем, радиационным нагревателем или фокусированным световым пучком) и метод Вернейля с его модификациями. Эти методы будут рассмотрены в разд. 5.5 и 5.6. [c.196]

На фиг. 5.18,6 представлена схема метода плавающей зоны. Первое описание метода дано в работе [82], но он, по-видимому, разрабатывался независимо и другими авторами [56, 83]. Первоначально метод использовался для очистки кремния. В этом методе расплавленная зона удерживается в вертикально расположенном образце за счет поверхностного натяжения. Метод является бестигельным, а поэтому химическое взаимодействие с лодочкой не представляет серьезной проблемы. [c.221]

Электронно-лучевое плавление иногда целесообразно использовать при выращивании кристаллов высокотемпературных металлов методом плавающей зоны. Поскольку электроны легко рассеиваются, необходимо генерировать электронный пучок и плавление проводить в вакууме. Для успешного плавления, как [c.223]

Метод дифференциального вытягивания можно рассматривать как модификацию либо метода вытягивания, либо метода плавающей зоны, либо метода Вернейля. Принцип метода [c.237]

Нужно ли знание поверхностной энергии полупроводника при его выращивании методом плавающей зоны [c.631]

Для устранения влияния примесей, входящих в материал реактора, был предложен метод плавающей зоны , исключающий применение лодочки. Прутку очищаемого материала придают вертикальное положение. Зону расплава создают индукционным нагревом, и она может перемещаться как вверх, так и вниз. Расплав не растекается благодаря действию сил поверхностного натяжения. По длине эта зона должна иметь минимальные размеры, что также предупреждает растекание. Наилучшие результаты достигаются, когда концы прутка медленно вращают в разные стороны. Этим методом был получен кремний, имеющий удельное сопротивление до 3000 ом-см. [c.199]

Метод плавающей зоны очень удобен для введения легирующих примесей. С этой целью в карманы или каналы в стержне вкладывают добавки примеси или вводят примесь в виде летучих соединений в атмосферу аппаратуры. [c.448]

Описана автоматическая установка для вытягивания кремния методом плавающей зоны с одновременной очисткой монокристалла методом зонной плавки (см., например, [21, стр. 119—121). При этом удаляются примеси, для которых ж достаточно отличается от 1. Бор, не удовлетворяющий этому условию, по предложению [82], может быть удален пропусканием паров НгО, причем кинетика процесса [c.616]

Метод плавающей зоны применялся для получения монокристаллов арсенида галлия [2], стр. 121. [c.616]

ЗонЕтая плавка достаточно эффективна для очистки элементарного бора. Процесс обычно проводят но методу плавающей зоны [66—68] или в лодочках из нитрида бора 68, Ю6, 107]. Содержание суммЕ примесей в боре после такого процесса удается снизить с I 10 до <1 10 [c.360]

Дальнейшая очистка кремния осуществляется вертикальной бссти-гельной зонн й плавкой (метод плавающей зоны). [c.204]

Анализ физических и физико-химических процессов, сопрово-ждаюпщх выращивание монокристаллов окисных соединений методом плавающей зоны, показывает, что этот метод достаточно эффективен для соединения любого состава. Имеющийся в настоящее время богатый набор способов создания узкой расплавленной зоны в сочетании с контролируемой атмосферой в рабочей камере [c.239]

Интересным вариантом метода электронно-лучевого плавления, пригодным для выращивания кристаллов непроводящих материало1В, является метод полого катода, иначе называемый методом холодного катода [87]. Этот. метод основан на самостоятельном газовом разряде постоянного тока, создаваемом в полом катоде кольцевой фор. 1ы, окружающем рабочую зону. При давлении Аг, Ог и других газов в несколько миллиметров ртутного столба и при напряжении на катоде в несколько киловольт испускаемые катодом электроны ионизируют газ и образуют проводящую плазму. Ток в плазме достигает нескольких сот миллиампер, причем анодом может служить любая удобная заземленная деталь системы. Таким образом, в отличие от традиционного электронно-лучевого плавления в рассматриваемом случае нагреваемый материал не обязательно должен быть электропроводящим, чтобы замыкалась электрическая цепь. Придавая внутренней стороне катода соответствующую форму, можно сфокусировать электроны и образующиеся ионы на образец и добиться его плавления. Хороший материал для катода — нержавеющая сталь. Хотя катод частично охлаждается циркулирующей внутри него водой, наилучщие результаты, по-видимому, получены при температурах катода, лежащих лишь немного ниже температуры красного каления. В этом смысле термин холодный катод не совсем правилен. Для плавления материалов с температурами плавления, намного превышающими 2200—2500 °С, нержавеющая сталь не годится и требуются другие материалы. Для поддержания плазмы необходимы низкие давления газа, причем достаточно легко ионизирующегося (а не высокий вакуум, как при обычном электронно-лучевом плавлении). Этот газ выполняет еще одну положительную роль, подавляя разложение расплавляемого материала. Такая методика успешно использовалась [87] для выращивания монокристаллов сапфира, иттрий-алюминиевого граната и других веществ методом плавающей зоны. Она, по-видимому, весьма перопективна [c.226]

Кремний и германий очищают различными методами, разработанными для получения особо чистых веществ. Метод направленной кристаллизации заключается в том, что кремний или германий плавят в высоком цилиндриче-(Ском сосуде, а затем его с одного конца охлаждают, например со дна цилиндра. Кристаллизация происходит постепенно, и большинство примесей оттесняется в зону расплава. Недостатком этого метода является невысокая степень очистки и большое количество отходов. Метод зонной плавки заключается в следующем. Слиток германия (или кремния) помещают в кварцевую лодочку 2 и, расплавив конец слитка кольцевым электронагревателем 4, постепенно передвигают его (рис. 65), вслед за ним перемещается и зона расплава 3. Для очистки используют слитки длиной 20—40 см длина зоны расплава 3—6 см. Примеси по мере передвижения зоны расплава оттесняются к концу слитка. Кристаллизуется более чистое вещество, а прдмеси в значительной степени остаются в расплаве. При однократном перемещении зоны расплава через слиток эффективность очистки сравнительно невелика. Она резко возрастает при одновременном передвижении нескольких нагревателей, вызывающих перемещение соответствующего числа зон расплава, которые могут следовать в непосредственной близости одна за другой. Зонную плавку проводят под вакуумом, а иногда в атмосфере циркулирующего инертного газа или водорода, что уменьшает повторное загрязнение слитка примесями, испаряющимися из расплавленной зоны. Таким путем при проведении многократной очистки получают германий, содержащий только один атом примесей на 1 млрд. атомов германия. Для устранения влияния примесей, входящих в материал реактора, был предложен метод плавающей зоны, исключающий применение лодочки. Прутку очищаемого материала придают вертикальное положение. Зону рас- [c.176]

Схема третьего метода — плавающей зоны (рис. VI.45, с) заключается в расплавлении узкой зоны 1 стержня, удерживаемой силами поверхностной энергии. Метод расчета и изложен в IV.17, IV.25. Условия стабильности плавающей зоны, по Хейвангу [2, гл. III, стр. 118], показаны на диаграмме рис. VI.46. Абсцисса р пропорциональна диаметру цилиндрического стержня, ордината к — максимальной стабильной длине I плавающей зоны. Принимается, что силы поверхностного натяжения полностью противодействуют силе тяжести расплав хорошо и полностью смачивает сечение кристалла по фронту кристаллизации, который перпендикулярен полю силы тяжести. Из графика следует, что с увеличением диаметра стержня X асимитотически приближается к значению 2,ИУ где g — ускорение силы тяжести, а. — пикнометри-ческая плотность. Практически диаметр вытягиваемых кристаллов также [c.447]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология