CC BY
293Решетневские чтения. 2018
УДК 004.07
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ПО СПОСОБУ ЧОХРАЛЬСКОГО
С. Е. Юленков*, С. В. Котельникова, С. П. Саханский
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: start09011990@mail.ru, yulenkov_se@mail.ru
Рассматривается характеристика метода Чохральского, показаны структура аппарата и пример оборудования для выращивания кристаллов по данному способу, даны фамилии некоторых ученых и некоторые научные издания по данной проблематике.
Ключевые слова: метод Чохральского, кристаллы, расплав, тигель, цилиндр, примесь, рост монокристаллов.
KEY FEATURES OF METHOD OF GROWING CRYSTALS BY THE WAY OF CZOCHRALSKI
S. E. Yulenkov*, S. V. Kotelnikova, S. P. Sakhansky
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: start09011990@mail.ru, yulenkov_se@mail.ru
The article considers characteristic of the Czochralski method, shows the structure of the apparatus and example of equipment for growing crystals by this method, given names some scientists and some scientific publications on this issue.
Keywords: Czochralski method, crystals, melt, crucible, cylinder, admixture, growth of single crystals.
Данный метод появился, благодаря польскому химику Яну Чохральскому. Метод необходим для выращивания монокристаллов путем вытягивания монокристаллов вверх от свободной поверхности большого объема расплава с инициацией начала кристаллизации, путем приведения одного или нескольких затравочных кристаллов определенной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава. Чохральский использовал данный метод для изменения степени кристаллизации олова, цинка и свинца.
Чохральский открыл данный метод в 1916 г., уронив ручку в тигель с расплавленным оловом. Польский химик проводит серию экспериментов, в которых получает монокристаллы размером около 1 мм в диаметре и до 150 см в длину. Объём монокристаллического кремния, который потребляет промышленность, в среднем достигает отметки - 80-90 %. Кремний используют для производства интегральных схем и выращивают методом Яна Чохральского.
Кристаллы, выращенные благодаря методу Чох-ральского, не могут содержать различные краевые дислокации. Они могут содержать только небольшие дислокационные петли. Эти петли могут образовываться из-за конденсации избыточных точечных дефектов. Рост кристаллов заключается в фазовом переходе из жидкого состояния в твердую фазу и в затвердевании атомов жидкой фазы. Скорость роста всех кристаллов по методу Чохральского будет определена числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, которые поступают из жидкой
фазы, а также особенностями теплопереноса на границы раздела фаз, а скорость вытягивания оказывает влияние на форму границы раздела фаз между растущими расплавами и кристаллами. Она является функцией радиального градиента температуры и условий охлаждения боковой поверхности растущих кристаллов по методу Чохральского.
По методу Чохральского монокристалл медленно вытягивают из расплава (рис. 1). Скорость вытягивания обычно достигает - 1-20 мм/ч. Данный метод позволяет получать монокристаллы заданной кристаллографической ориентации.
Рис. 1. Структура аппарата для выращивания монокристаллов по способу Чохральского: 1 - тигель с расплавом; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - холодильник; 5 - механизм вытягивания
По методу Чохральского невозможно получить изделия заданной формы, так как образцы монокристаллов внешне похожи на неправильные цилиндры.
Информационно-управляющие системы
Основными преимуществами метода Чохральско-го можно считать отсутствие прямого контакта между стенками тигля и растущим монокристаллом, что позволяет избежать критических по величине остаточных напряжений и возможность извлечения кристаллов из расплавов на любом этапе выращивания, что является важным при определении условий выращивания монокристаллов. Недостатками метода Чох-ральского будут являться следующие: для реализации процесса роста кристаллов будет необходим тигель, который может оказаться источником различного рода примесей, а также сравнительно большой объём расплава будет способствовать возникновению сложных гидродинамических потоков, они в свою очередь будут снижать условия стабильности процесса кристаллизации. Это приведет к неоднородному распределению примесей в монокристаллах. Метод Чох-ральского относят к тигельным. В данном случае при выращивании использованы контейнеры из материалов устойчивых к расплаву и атмосфере установки. Также данный метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, следовательно, летучие компоненты и различного рода примеси стремительно испаряются с поверхности расплава. Для поддержания более равномерного распределения температуры и различных примесей по объему расплава - затравочный кристалл и тигель с расплавом будут вращать, правда, чаще всего в противоположных направлениях. Метод Чохральского отличается также наличием большого объема расплава. По мере роста слитков он постепенно будет уменьшаться за счет формирования тела кристаллов. По методу Чох-ральского выращивание кристаллов идёт со свободной поверхности расплава, не ограничиваясь стенками контейнера. Следовательно, выращенные кристаллы будут менее напряжены, чем кристаллы, которые были выращены другими тигельными методами. Инициация процесса выращивания производится путем введения в расплав затравочного кристалла необходимой структуры и кристаллографической ориентацией.
Оборудование для роста кристаллов по способу Чохральского может выглядеть следующим образом (рис. 2).
■ ж
Г , I I»
Рис. 2. Пример оборудования для выращивания кристаллов по способу Чохральского
В структуру оборудования входят: 1 - печь, в которую входят тигель, контейнер, механизм вращения, нагреватель, источник питания и камера; 2 - механизм
вытягивания кристаллов, который содержит стержень или цепь с затравкой, а также механизм вращения затравки и устройство для ее зажима; 3 - устройство для управления составом атмосферы, которое состоит из газовых источников, расходомеров, вакуумной и систем продувки; 4 - блок управления, в него входят микропроцессор, различные датчики и устройства вывода [1-5].
Рост монокристаллов по методике Чохральского необходимо проводить в инертной среде или вакууме. Изучению данной проблематике посвящено большое количество научных работ не только российских, но и западных ученых, таких как A. Bukowski, A. L. Darabont, C. Neamtu, E. V. Zharikov, D. A. Lis, K. A. Subbotin, V. B. Dudnikova, O. N. Zaitseva с публикациями в научных изданиях Polish Academy of Sciences institute of Physics/Acta Physica Polonica A, INOE Publishing House Integra Natura Omnia et Aeterna/Journal of optoelectronics and advanced materials Vol. 9, No. 5 и т. д.
Библиографические ссылки
1. Шашков Ю. Выращивание монокристаллов методом вытягивания. М. : Металлургия, 1989. 342 с.
2. Эйдензон А., Пузанов Н. Выращивание совершенных монокристаллов кремния методом Чохраль-ского, 1997. С. 272-279.
3. Блинов И., Кожитов Л. Оборудование полупроводникового производства. М. : Машиностроение, 1986. 264 с.
4. Саханский С. П. Управление процессом выращивания монокристаллов германия : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008. 104 с.
5. Метод Чохральского [Электронный ресурс]. URL: http://omega-crystals.com/ru/technology/Metod_ Chohralskogo-3.html (дата обращения: 03.9.2018).
References
1. Shashkov Yu. Virashivaniye monokristallov meto-dom vityagivaniya [Growth of single crystals by stretching method]. Moscow, Metallurgy Publ., 1989. 342 p.
2. Aidenzon A., Puzanov N. Virashivaniye sover-shennih monokristallov kremniya metodom Chohralskogo [Cultivation of perfect single crystals of silicon by the Czochralski method], 1997. P. 272-279.
3. Blinov I., Kozhitov L. Oborudovaniye polupro-vodnikovogo proizvodstva [Equipment of semiconductor manufacturing]. Moscow, Mechanical engineering Publ., 1986. 264 p.
4. Sakhansky S. P. Upravleniye processom virashe-vaniya monokristallov germaniya. Monogr. dok. tehn. nauk. [Control of the process of growing germanium single crystals : monogr. ... dr. techn. sciences]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2008. 104 p.
5. The Czochralski Method. Available at: http:// omega-crystals.com/ru/technology/Metod_Chohralskogo-3.html (accessed 03.9.2018).
© Юленков С. Е., Котельникова С. В., Саханский С. П., 2018
