Монокристаллов кристаллов выращивание расплавленной зоны

Методом Чохральского выращивают достаточно крупные монокристаллы граната высокой оптической однородности, прежде всего для лазерной техники. К достоинствам этого метода следует отнести возможность визуального наблюдения за процессом выращивания кристалла, извлечения кристалла из расплава на любом этапе выращивания, изменения геометрической формы кристалла в процессе выращивания, автоматизации процесса выращивания кристалла. Недостатком метода Чохральского можно считать необходимость использования тиглей из дефицитного иридия. Кроме того, выращивание высококачественных кристаллов методом вытягивания из расплава требует прецизионного технического исполнения систем вытягивания и вращения кристалла, вращения тигля, стабилизации температурного режима, создания заданных градиентов температуры в зоне кристаллизации, особенно радиальных. [c.203]

Очевидно, что этот способ возможен только при кристаллизации электропроводящих магнитоактивных материалов. Для выращивания монокристаллов с заданной кристаллографической ориентацией используется затравочный монокристалл, который закрепляется в нижней цанге механизма перемещения. В верхней цанге строго вертикально по оси затравочного монокристалла закрепляется исходный слиток. Между затравочным кристаллом и слитком задается зазор (до 10 мм). В этом зазоре одновременно расплавляются равные части затравочного кристалла и поликристалличе-ского слитка. Путем движения зоны расплава осуществляется кристаллизация. [c.94]

Выращивание кристаллов из пара обычно включает в себя транспортировку пара из зоны, содержащей твердое питающее вещество при температуре 1, ко второй зоне — зоне роста кристалла, имеющей температуру 2, причем последняя несколько ниже, чем tl, разность температур создает такое пересыщение, которое при соответствующем контроле может привести к образованию хороших зародышей кристаллов и обеспечить их дальнейший рост. Выращивание из паровой фазы для приготовления больших монокристаллов применяется гораздо реже, чем выращивание из расплавов и растворов. Поэтому экспериментальная методика выращивания кристаллов из пара не так хорошо разработана и, пожалуй, не так хорошо изучена, как методика выращивания из расплава или из раствора. Однако это не должно обескураживать экспериментатора, особенно потому, что именно из паровой фазы были получены почти совершенные органические кристаллы, практически свободные от дефектов [78]. Более того, благодаря возможности выращивания в вакууме или в атмосфере инертного газа при отсутствии жидких растворителей можно приготовить кристаллы, свободные от нелетучих примесей. [c.218]

Стоит упомянуть две разновидности этих методов, которые незаменимы при получении некоторых кристаллических веществ. Одной из них является гидротермальный метод, который состоит в том, что слабо растворимое в обычных условиях вещество растворяют в замкнутой системе при высоком давлении и температуре. Интересный пример применения данного метода —выращивание крупных кристаллов кварца. 5102 мало растворим в воде при обычных условиях, но при давлении 20 ООО атм и температуре / 400° он хорошо растворяется в 1 М растворе МаОН. Температурный градиент в автоклаве обеспечивает растворение кварца в одной зоне автоклава и кристаллизацию его на подготовленной затравке в другой зоне этим методом получают монокристаллы весом до килограмма. Пока метод не нашел широкого распространения, но он очень перспективен, особенно если учесть возможность использования неводных растворителей. Другой разновидностью является применение неорганических ионных солей в качестве высокотемпературных растворителей для тугоплавких веществ. Этот метод носит название раствор в расплаве . Он нашел применение, например, для получения кристаллов ферри- [c.211]

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]

Сравнительно новые кристаллизационные методы — различные варианты кристаллизации и перекристаллизации из расплавов, вызванные к жизни повышенными требованиями последних лет к чистоте веществ и совершенству их структуры и субструктуры. Это — метод нормальной направленной кристаллизации (по Бриджмену) и метод вытягивания из расплава (по Чохральскому). Среди кристаллизационных методов глубокой очистки наиболее совершенны и прогрессивны методы зонной плавки. Отличительная особенность этих методов — высокая эффективность применения к очистке и выращиванию монокристаллов полупроводниковых материалов. В этом случае преодоление конструкторских и технологических трудностей вполне себя оправдывает. Однако в наши дни можно наблюдать все более широкое применение этих методов для очистки и получения кристаллов многих неорганических и органических веществ, в том числе почти всех технически важных металлов, и даже для очистки некоторых более сложных веществ, например хинонов, альдегидов, энзимов, жиров, бактерий, бактериофагов и планктонов, а также для разделения изотопов. Поэтому актуальным становится дальнейшее совершенствование методов и аппаратов кристаллизационной очистки. [c.10]

На рис. VHI.61 изображены аппаратура и схема трехзонной вакуумной печи, примененной для выращивания селенида свинца в равновесных условиях по [791, стр. 497. Показаны также температурные градиенты в разных зонах. Температура зоны выращивания монокристалла поддерживалась около 775° С. Температура зоны, в которой нагревался исходный поликристаллический селенид дэ образования монокристалла, 776° С. Как только зародыш возникал, температуру поликристаллической зоны в целях улучшения кинетики роста резко повышали до 805° С. Температура селена поддерживалась в данном случае около 240° С 0,02°. Растущий при температурном градиенте— между зоной испарения и зоной конденсации — порядка Г см [79], стр. 497 и след, монокристалл был равновесным или близким к нему. При попытках получения кристаллов стехиометрического состава достигалась концентрация собственных носителей порядка 2-10 см . Она была в 50 раз меньше, чем в кристаллах, выращенных из расплава. Близкие к равновесным условия выращивания благоприятствуют уменьшению концентрации дефектов. [c.626]

Плавление исходных материалов в печах осуществляется 1) для получения расплавов с целью последующего (внепечного) придания им заданных форм б) получения сплавов и твердых растворов заданного химического состава и физических свойств в) термического ликвационного рафинирования расплавленных металлов за счет выделения примесей вследствие уменьшения их растворимости в сплаве при понижении температуры и выплавления примесей из кристаллов сплава при нагревании г) направленной кристаллизации и зонной плавки для выращивания монокристаллов и глубокой очистки металлов, идущих на производство прецизионных сплавов. [c.17]

Технологическая зона с фиксированным положением формообразователя относительно тигля (рис. 36, а). Давление расплава убывает по мере выращивания кристалла. Корректировка температурных условий выращивания возможна в течение процесса путем перемещения тигля с формообразователем относительно нагревателя. Данное формообразующее устройство применялось для выращивания тонких монокристаллических лент и плоских монокристаллов. [c.133]

По данным многих исследователей, причиной появления примесных полос роста являются флуктуации температуры в расплаве в процессе кристаллизации [255, 256]. Независимость периода полос малой интенсивности от скоростей вытягивания и вращения кристалла позволяет предположить, что их происхождение связано с температурными флуктуациями вблизи фронта кристаллизации. Кристаллы плоской формы, полученные из расплава через формообразователь, имеют резко выраженные полосы, вызванные, очевидно, наличием больших температурных градиентов в области фронта кристаллизации. Опыты показали, что при выращивании плоских монокристаллов способом Степанова, интенсивность (контрастность) полос роста может быть уменьшена, а их период — стабилизирован применением теплового экранирования зоны кристаллизации. [c.160]

Если полиморфные превращения связаны с незначительным изменением симметрии (см. разд. 2.3), часто возможно провести монокристалл через фазовый переход без возникновения поликристаллов, двойников, больших деформаций и других дефектов ). В случае же переходов, связанных со значительным изменением симметрии, часто возникают дефекты упаковки и политипия при этом нельзя даже гарантировать сохранение монокристальности образца. Без растворителей такие системы обычно метастабильны. Таким образом, чем больше различаются между собой по структуре две фазы, тем труднее вырастить монокристалл твердофазным способом. Обычно температуру поддерживают постоянной вдоль всего кристалла, а подъем и понижение температуры осуществляется для всей печи в целом. При этом часто наблюдается зарождение новой фазы одновременно во многих точках матрицы, что приводит к образованию двойников или поликристаллов. Ясно, что гораздо целесообразнее было бы инициировать зарождение новой фазы в каком-либо одном месте, а затем обеспечивать возникшему зародышу главную роль в создании фазовой границы между модификациями. Таким образом, хотя это и не принято, но полиморфный переход эффективнее осуществлять методом, аналогичным методу Бриджмена— Стокбаргера при выращивании кристаллов из расплава (см. разд. 5.3). Кристалл, помещенный в одном конце печи, следовало бы перемещать через зону с температурным градиентом или же двигать печь относительно неподвижного кристалла. [c.164]

Хорошие условия для перемешивания расплава термогравитационной конвекцией создаются при вертикальной направленной кристаллизации вещества сверху вниз (см. рис. 13 а). Этот прием, применявшийся при зонной очистке некоторых органических веществ, мы использовали при кристаллизационном концентрировании ряда микропримесей в солях щелочных металлов [89-92] (см. гл. 4). Примечательной особенностью такой кристаллизации является образование осевой цилиндрической усадочной раковины (рис. 14), которое обусловлено различием плотности кристалла и расплава и прилипанием слитка к стенкам контейнера. Рассмотренный вариант направленной кристаллизации отличается от широко применяемого для выращивания монокристаллов метода Бриджмена-Стокбаргера [23, с. 176], в котором фронт кристаллизации движется снизу вверх, усадочная раковина не образуется, а термогравитационная конвекция в большей части расплава практически отсутствует. [c.39]

В методе Вернейля среда, в которой происходит кристаллизация, определяется свойством пламени и несколько изменяется от более окисляющей до более восстанавливающей в остальном условия кристаллизации достаточно хорошо фиксированы. Главная особенность метода Вернейля —кристалли-злдия расплава на вершине самого кристалла —сохраняется при любых способах нагрева. Однако при использовании индукционного нагрева или дуговой печи можно точно управлять составом кристаллизационной среды. Регулировать состав среды можно и при других методах кристаллизации. Если вещества устойчивы и характеризуются малым давлением пара, то процесс обычно ведут при атмосферном давлении инертного газа или в вакууме. Кристаллы веществ, склонных к испарению или разложению, выращивают в условиях, когда испарение (разложение) предотвращается или значительно замедляется. Так, например, испарение уменьшается при больших давлениях инертного газа. Этот прием был использован при выращивании монокристаллов селена по методу зонной плавки [137]. [c.37]

Методы очистки антимонида галлия разработаны еще недостаточно. Мало изучено и поведение примесей при его кристаллофизической очистке. В результате зонной плавки получается материал, содержащий примеси, природу которых определить не удается. Вследствие этого зонную плавку антимонида проводят только с целью гомогенизации образцов. Для этого достаточно 2—4 прохода зоны во встречных направлениях со скоростью менее 2 см/ч. Монокристаллы антимонида выращивают по методу Чохральского в атмосфере водорода на обычных установках. Выращивание из расплава, обогащенного сурьмой, дает монокристаллы более высокого качества. По-видимому, избыток сурьмы способствует получению более стехиометрических кристаллов, а также, возможно, изменяет коэффициент распределения примеси, который в обычном расплаве близко к единице. [c.276]

Полупроводниковые кристаллы-активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Иссюльзуют [юлу-проводники типа А В , А "В , А В . Активные элементы изготовляют из монокристаллов (напр., dS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для к-рых характерен электронно-дырочный переход (р - и-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. Наиб, распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа А "В на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и А1 и их твердых р-ров. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых р-ров замещения (напр., Al,Ga, As), в к-рых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы [юлучают из особо чистых исходных в-в кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых р-ров. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, напр., элементы П (Zn, d, Mg акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм, обладающие малой инерционностью ( 10 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 10 Вт при длительности импульса 3 НС и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых Л. м. ограничивает выходную мощность лазеров. [c.566]

Важными этапами в развитии X. т. т. явилось создание совр. методов выращивания монокристаллов больших размеров (см. Монокристаллов выращивание) из расплава, из перегретых водных р-ров (см. Гидротермальные процессы), разработка процесса выращивания по механизму пар - жидкость -кристалл, методов зонной плавки кристаллов, методов управления св-вами кристалла путем наложения при его выращивании магнитных и электрич. полей. Значительное месго в Х.т.т. занимает получение и исследование св-в пленок и покрьттий. [c.262]

До момента выращивания, когда затравкодержа-тель находился ниже кварцевого кольца, термопары оставались на дне тигля в расплаве в неподвижном состоянии. После того как графитовый патрон подхватывал кварцевый чехол с термопарами, горячие спаи со скоростью подъема затравки проходили зону расплавленного германия, затем врастали в формирующийся монокристалл, оставаясь там в течение всего опыта. Изменение температуры во времени регистрировалось самопишущим электронным потенциометром ЭПП-09М. При достижении кристаллом требуемой длины скорость подъема затравки мгновенно увеличивалась и слиток отделялся от расплава, опыт прекращался. Время отрыва кристалла фиксировалось налейте потенциометра. [c.116]

На рис. 17 изображено продольное сечение монокристалла иттрий-алюминиевого граната. Благодаря зонам роста видна геометрическая особенность фронта роста, представляющая собой систему гранных и негранных форм. Экспериментально было обнаружено, что расположение указанных форм в сильной степени зависит от метода выращивания монокристаллов и формы фронта роста. Если фронт роста выпуклый в сторону расплава, то в случае метода Бриджмена гранные формы преимущественно располагаются на периферии кристалла, в то время как в случае метода Чохральского — в центре. При вогнутом фронте роста картина противоположная. И только в случае плоского фронта роста гранные формы не наблюдаются, поскольку фронт роста можно представить как одну грань. [c.31]

Управление процессом кристаллизации достаточно надежно разработано для установок по методу Чохральского, поскольку такие установки получили очень широкое распространение, особенно в связи с выращиванием полупроводниковых и диэлектрических монокристаллов. Объектом регулирования является диаметр растущего монокристалла. Среди многообразия способов регулирования практический интерес представляют регулирование мощности по заданной программе, линейной зависимости мощности нагрева и величины осевого градиента температуры в зоне кристаллизации, температуры по заданной программе. Кроме того, надежные системы управлештя и автоматизации удается создать путем оптического сканирования с использованием телевизионной системы, просвечртанием зоны кристаллизации рентгеновскими лучами, изучение характера изменения мениска расплава в инфракрасном и видимом диапазонах спектра с учетом изменений уровня расплава, а также веса кристалла (или тигля с расплавом) [110]. [c.143]

МОНОКРИСТАЛЛОВ ВЫРАЩИВАНИЕ, производят из пара, р-ра, расплава или тв. фазы. Пр И М. в. из пара кристаллизующееся в-во возгоняется, его пары переносятся газом-носителем или диффундируют в зону роста, где конденсируются на затравочном кристалле, охлажденном относительно источника паров. Возможен также перенос в зону роста не паров кристаллизующегося в-ва, а газообразных продуктов р-ции этого в-ва с к.-л. другим, с послед, разложением продуктов на нагретой затравке и выделением исходного в-ва (метод хим. транспорта). Иногда в источник паров вводят в-во, пары к-рого разлг1гаются на затравке с образованием кристаллизующегося в-ва, или реагенты, образующие на затравке кристаллизующееся в-во (метод хим. кристаллизации). [c.352]

Этот метод позволяет выращивать небольшие монокристаллы простых и сложных веществ из растворов при скороетях, приближающихся к скоростям выращивания кристаллов из чистых расплавов, без концентрационного переохлаждения. Зонная перекристаллизация с градиентом температуры используется также для ле- [c.58]

Если желают получить зерна очень большого размера и совершенной формы, то используемая для этих целей техника имеет свои отличия. Методы выращивания кристаллов — предмет многочисленных исследований — позволяют получить монокристалл или путем простой кристаллизации, или посредством гидротермального синтеза, или же кристаллизацией из расплава при высокой температуре (метод Вернейля или Чохральского, зонная плавка и т. д.), или даже с помощью весьма специфических механизмов, таких, например, как химический транспорт [14]. Работа [15] содеришт обзор применяемых методов. Монокристаллы можно приготовить даже из таких тугоплавких веществ, как окислы FeO, NiO, СоО или СаО [16—19], а также монокристаллические стержни NiO или MnFea04 [20], механическая обработка которых достаточна для получения образца нужной формы. Для некоторых классов веществ с интересными пьезоэлектрическими или оптическими свойствами этот способ изготовления стал общепринятым. [c.194]

В случае выращивания монокристаллов пз расплава методом Вернейля используют затравки, вырезанные в определенном кристаллографическом направлении п укрепленные на несущем штоке, которые затем вводят в пламя кислородно-водородной горелки. При этом происходит оплавление затравки и образование на ней слоя расплава, удерживаемого силами поверхностного натяжения. Затравка вращается и одновременно медленно опускается, Прп перемещении верхней части затравки из горячей зоны в более холодную происходит кристаллизация жидкой фазы. Сверху из специального бункера непрерывно подается тонконзмельченная гпихта, приготовленная по керамической тех-нологи . В кислородно-водородном пламени шихта плавится и питает расплавленный слой на поверхгюсти затравочного кристалла. Подачу шихты и опускание штока, на котором укреплен затравочный кристалл, подбирают таким образом, чтобы граница между твердой и жидкой фазами оставалась на одном и том же уровне относительно пламени. [c.139]

Для выращивания монокристаллов ферритов бестигельной зонной плавкой используют, как правило, вертикальный вариант метода, при котором в иоликристаллическом ферритовом стержне с помощью источника локализованного нагрева создается узкая зона расплава. Эта зона удерживается силами поверхностного натяжения, действующими между расплавом и двумя твердыми поверхностями. При перемещении источника нагрева вдоль ферритового стержня (обычно снизу вверх) расплавленная зона передвигается и таким образом осуществляется направленная кристаллизация. Обычно скорость роста кристаллов составляет несколько миллиметров в час. [c.140]

На базе разработки научных основ способа конструируются установки для выращивания профилированных кристаллов. При конструировании тепловых технологических зон применены современные теплофизические методы исследований теплообмена и моделирования теплового поля в кристаллизаторе. Найдены условия, определяющие выбор между формообразователями, смачиваемыми и не смачиваемыми расплавом, выполнена работа по поиску материалов формообразователей, химически инертных к расплавам, отработана технология выращивания профилированных монокристаллов из-под флюса. В результате разработаны установки для промышленного выращивания профилированных кристаллов германия, кремния, сапфира разных форм. Уже на стадии отработки оборудования показано, что выращенные кристаллы могут найти применение в разных отраслях науки и техники. Например, ленточный кремний — для солнечных фотоэлектропреобразователей, сапфировые трубки — в качестве важной детали натриевых ламп высокого давления и т, п. [c.255]

Для того чтобы совместить чистоту бестигельного метода и возможность контроля структурного совершенства монокристаллов, вытягиваемых по методу Чохральского, были предложены различные варианты вытягивания из капли или нз лужи . Используя установку для бестигельной зонной плавки (рис. 6.10, в), закрепим на нижнем штоке 1 слиток 2, например, кремния, достаточно большого диаметра и оплавим его верхний конец на такую глубину, чтобы расплав 3 удерживался силами поверхностного натяжения. К верхнему шкоту 5, снабженному механизмом вытягивания, крепится монокристаллическая затравка 4. Применяя методику выращивания бесдислокационных кристаллов, можно выращивать монокристаллы небольшого диаметра, обладающие высокой чистотой и структурным совершенством. По мере вытягивания необходимо постепенно подавать заготовку в зону нагрева с такой скоростью, чтобы объем расплава оставался постоянным. Подбор скорости введения слитка в зону расплавления является наиболее трудной операцией. [c.304]

Скорость растворения кварца зависит от скорости испарения 810 с поверхности расплава. Растворение кварца в жидком кремнии вызывает насыщение расплава кислородом и вводит в расплав примеси, присутствующие в кварце. При выращивании монокристаллов в атмосфере аргона скорость растворения кварца в жидком кремнии достигает нескольких мг/см -ч, а при проведении процесса в вакууме скорость растворения кварца достигает 60—80 мг1см ч. Введение посторонних примесей из кварца в расплав не позволяет, какова бы ни была чистота зонно очищенного кремния, получить методом Чохральского монокристаллы с удельным сопротивлением, превышающим 500—700 ом-см. Поэтому чистоте кварцевого стекла, идущего на изготовление тиглей, следует уделять большое внимание. Введение кислорода в расплав, а следовательно, и в растущий кристалл, приводит к легированию кремния кислородом на уровне 10 —атомов/см . [c.412]

Факторы, определяющие геометрию монокристаллов круглого сечения. Условия ведения процесса определяются следующими параметрами температурой в зоне кристаллизации скоростью вытягивания величиной, характеризующей положение расплава по отношению к фор-мообразователю охлаждением по периметру растущего кристалла. Эти параметры относительно легко могут быть стабилизированы или учтены при выращивании одного кристалла. Задача получения кристаллов постоянного сечения существенно усложняется при рассмотрении группового процесса, так как здесь особенно необходимо избегать неопределенности в начальных условиях [259]. [c.163]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология