Получение монокристаллов

Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершен­ствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства метал­лов, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристалличе­ском состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму некон­тролируемые изменения электрических свойств.

Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколь­ко методов, в которых использован этот принцип. Важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.

Метод Бриджмена состоит в следующем: металл, по­мещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в вертикальной трубчатой печи 1 до температуры на 50 — 100 грС выше температуры его плавления. Затем тигель с расплавленным металлом 2 медленно удаля­ется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 выра­стает из того зародыша, у которого направление преимущественного ро­ста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристалла необхо­димо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.

Метод Чохралъского состоит в вытягивании монокри­сталла из расплава, нагретого в печи 1. Для этого используется готовая затравка 2 — небольшой образец, вырезанный из монокристалла. Затрав­ка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4, имеющего температуру чуть выше температуры плавления. Плоскость затравки, соприкаса­ющаяся с поверхностью расплава, должна иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в растущем монокристалле 3. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость — кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации (~ 1 — 2 мм/мин), удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, на­следуя структуру затравки. Для получения симметричной формы расту­щего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокристалл.

Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращива­ния и температуры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей теплоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла.

Очень перспективно выращивание монокристаллов в космосе, где удачно сочетаются глубокий вакуум и невесомость. Космический вакуум до 10е-13 Па, практически недостижимый в земных условиях, способ­ствует значительной очистке от примесей. Вследствие того, что в не­весомости силы гравитации ничтожно малы, в расплавах практически не возникает конвекция, которая в земных условиях вызывает нестабиль­ность роста кристаллов. Нестабильность роста, в свою очередь, служит причиной появления несовершенств кристаллического строения, неодно­родности химического состава и свойств кристаллов. Отсутствие конвек­ции не исключает образования микронеоднородностей, вызванных други­ми причинами. Однако монокристаллы, выращенные в космосе, совершен­нее по структуре, распределению легирующих добавок (примесей), лучше по свойствам и значительно больше по размерам.