2. Выращивание кристаллов из расплава: методы вытягивания кристаллов из расплава, метод Чохральского.

Рис. 2. Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского. 1—затравочный шток, устройство подъема и вращения; 2—верхний кожух; 3—изолирующий клапан; 4—газовый вход; 5—держатель затравки и затравка; 6—камера высокотемпературной зоны; 7—расплав; 8—тигель; 9—выхлоп; 10—вакуумный насос; 11—устройство вращения и подъема тигля; 12—система контроля и источник энергии; 13—датчик температуры; 14—пьедестал; 15—нагреватель; 16—изоляция; 17—труба для продувки; 18—смотровое окно; 19—датчик для контроля диаметра растущего слитка.

 

 

1.1.1.2. Методы вытягивания кристаллов из расплава

Данная группа методов в настоящее время является наиболее распространенной при промышленном производстве больших монокристаллов полупроводников с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами.

Принцип метода вытягивания кристаллов из расплава впервые был предложен Чохральским в 1916 г. Сейчас существует значительное количество различных его модификаций. Суть метода заключается в следующем.

Исходный материал (в виде порошка или кусков поликристаллов), прошедший стадию тщательной очистки, загружают в тигель и нагревают до расплавления. Процесс проводят в вакууме или в атмосфере инертного газа. Затравочный кристалл размером в несколько миллиметров, установленный в охлаждаемый кристаллодержатель и ориентированный в нужном кристаллографическом направлении, погружают в расплав. После частичного подплавления затравки и достижения определенного температурного режима начинается вытягивание таким образом, чтобы кристаллизация расплава происходила от затравочного кристалла. Диаметр растущего кристалла регулируется подбором скорости вытягивания и нагревом расплава.

Установка для выращивания кристаллов методом Чохральского включает четыре основных узла (рис.2): 1) печь, в которую входят тигель, механизм вращения, нагреватель, источник питания и камера; 2) механизм вытягивания кристалла, содержащий стержень с затравкой, механизм вращения затравки и устройство для зажима затравки; 3) устройство для управления составом атмосферы, состоящее из газовых источников, расходомеров, системы продувки и вакуумной системы; 4) блок управления, в который входят микропроцессор, датчики и устройства вывода.

Основными преимуществами методов вытягивания кристаллов из расплава по сравнению с методами нормальной направленной кристаллизации являются следующие.

1. Кристалл растет в свободном пространстве, не испытывая никаких механических воздействий со стороны тигля; при этом размеры растущего кристалла можно достаточно произвольно изменять в пределах, допускаемых конструкцией установки.

2. Имеется возможность визуального наблюдения за процессом роста вытягиваемого кристалла. Это позволяет сопоставлять свойства получаемых кристаллов с условиями их выращивания и производить оптимизацию технологического процесса.

3. Имеется возможность использования затравки минимального размера.