Лабораторная работа. Выращивание монокристаллов методом Чохральского. Морфология монокристаллов

Лабораторная работа. Выращивание монокристаллов методом Чохральского. Морфология монокристаллов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ

ЧОХРАЛЬСКОГО. МОРФОЛОГИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ.

Учебно-методическое пособие

для студентов

Цель работы

1.  Ознакомление с установкой «Редмет-10» и с технологией выращивания монокристаллов германия. Визуальное исследование морфологии монокристаллов германия.

1.Рост кристаллов из расплава в однокомпонентной системе.

Рост кристаллов представляет собой гетерогенную химическую реакцию одного из следующих типов:

а) твердая фаза - кристалл;

б) жидкая фаза - кристалл;

в) газ - кристалл. Такая реакция возможна в системе, в которой помимо следов загрязнения или, специально введенных в малых концентрациях активаторов имеется только один компонент, а именно кристаллизуемый материал. Выращивание в таких условиях называется однокомпонентной кристаллизацией.

Процессы роста можно классифицировать по следующей схеме:

I. Твердая фаза - кристалл.

а) Деформационный отжиг (снятие напряжения.).

б) Расстеклование

в) Полиморфное превращение.

II. Жидкая фаза-кристалл.

I. Консервативные процессы:

а) прямое затвердевание (метод Бриджмена -Стокбаргера),

б) рост от охлаждаемой затравки (метод Киропулоса),

в) вытягивание (метод Чохральского).

2. Неконсервативные процессы:

а) зонная плавка (горизонтальная, вертикальная, по методу плавающей зоны, на подвижной подставке),

б) метод Вернейля (плавление в пламени, плазме),

III. Газовая фаза - кристалл.

а) Сублимация - конденсация

б) Напыление ( эпитаксия).

2. Метод Чохральского.

Выращивать кристаллы в однокомпонентной системе по многим причинам предпочитают из расплава. По существу такое выращивание представляет собой контролируемую кристаллизацию, т. е. более простой и легче управляемый процесс, по сравнению с другими методами выращивания. Метод вытягивания из расплава, разработанный в 1917 году Чохральским, позволяет в значительной мере устранить влияние тигля на выращиваемый кристалл. На рис.1 показана схема выращивания по методу Чохральского. Один из главных недостатков метода - необходимость в тигле, который часто является источником загрязнений. Для успешного использования метода Чохралъского необходимы следующие условия:

1. Кристалл должен плавиться конгруэнтно, без разложения

2. Кристалл не должен реагировать с тиглем и атмосферой камеры вытягивания. Герметичная аппаратура позволяет поддерживать нейтральную, окислительную или восстановительную среду.

3. Температура плавления кристалла должна быть достижима с помощью используемых нагревателей и должна быть ниже температуры плавления материала тигля.

4. Аппаратура должна обеспечивать регулирование скорости вытягивания в соответствии с градиентами температуры в зоне образования монокристалла.

Очень важным преимуществом метода вытягивания является возможность наращивания на затравку в строго контролируемых условиях, т. к. затравка и выращенный кристалл видны во время выращивания. При наличии ориентированных затравок лучше начинать кристаллизацию на затравке сравнительно небольшого диаметра и затем медленно увеличивать диаметр кристалла до требуемого размера снижением температуры. Если образовался кристалл плохого качества, то легко расплавить закристаллизовавшийся объем так, чтобы не расплавить затравку, и начать рост снова.

Для выращивания монокристаллов методом Чохральского применяется установка «Редмет-10».

При выращивании монокристаллов подбор температурного режима и скорости вытягивания является технологической необходимостью при каждой плавке, которая зависит от потребляемой мощности графитового нагревателя, экранировки, диаметра тигля и количества расплава, скорости роста монокристалла.

4. Правила техники безопасности

Каждый студент; приступая к выполнению лабораторной работы, должен знать следующие основные положения правил безопасной работы на установке «Редмет-10»:

1.Помнить, что при поднятии камеры печи запрещается находиться под ней или производить какие-либо работы.

2. Запрещается при опускании камеры печи исправлять графитовую оснастку печи и следить, чтобы руки не находились в зоне опускания камеры печи.

3. При включенной установке запрещается:

а) открывать и входить в шкаф управления.

б) поправлять и трогать токоведущие провода.

4. Во время работы пользоваться только темными защитными очками, темными защитными светофильтрами.

5. Доступ на управление разрешается лицам, имеющим на это право.

6. Практические указания по проведению работы.

Подготовка установки к работе.

Сделать внешний осмотр установки и убедится в наличии, целостности, исправности заземления всех ее частей.

Убедиться в наличии воды в водопроводе (давление воды не должно быть менее 1 атм.) и включить водяное охлаждение установки.

Включить форвакуумный и диффузионный насосы для разогрева. При этом диффузионный насос отсечен от основной камеры.

Перед погрузкой в печь германий необходимо протравить. Травление производится с целью удаления с поверхности германия посторонних включений, окисных пленок.

Состав травителя: на I л Н2О : 20 мл Н2О2 + 5 мл НСl

Подготовленная навеска германия загружается в кварцевый стакан и промывается деминерализованной водой не менее 6 раз. Затем стакан заполняется травильным раствором так, чтобы он покрыл всю загружаемую навеску и далее идет кипячение в течение 3-4 мин. После кипячения травильный раствор разбавляется постепенным добавлением деминерализованной воды, германий промывается и вновь заливается травильным раствором. Операция травления и промывки повторяется. Затем каждый кусок протравленного германия высушивается обеззоленными фильтрами. Германий оставляют на некоторое время в бумаге, чтобы травитель мог в нее впитаться. Затравка также протравливается.

Протравленный германий загружается в графитовый тигель, предварительно протертый спиртом.

Тигель помещается в графитовый нагреватель, окруженный графитовыми экранами. Выращивание производится с верхним экраном из молибдена.

Затравка помещается в графитовый держатель и крепится на штоке печи.

Тигель установить таким образом, чтобы затравка проходила по центру расплава.

Закрыть камеру и включить форвакуумный насос для откачки воздуха из камеры.

Переключить камеру на диффузионный насос. После достижения нужного давления(~10-5мм. рт. ст.) можно приступать непосредственно к нагреву тигля.

Если выращивание необходимо проводить в инертной атмосфере, то после откачки диффузионным насосом, необходимо перекрыть камеру от диф. насоса и подключить ее к баллону с газом. Давление газа в камере контролировать с помощью манометра, установленного на установке. Учесть, что при нагреве давление в камере увеличится!!!

После напуска газа выключить диффузионный насос. После того, как остынет диффузионный насос можно выключить форвакуумный насос.

Включить нагрев установки. Скорость нагрева можно установить с помощью программатора или вручную. Чем медленнее нагрев, тем меньший тепловой удар приходится на материал тигля и уменьшается возможность перегрева расплава. Процесс нагрева тигля и расплавления шихты необходимо

контролировать визуально, через смотровое стекло. В случае появления трещин на тигле (или каких либо других нежелательных явлений) следует остановить нагрев и охладить установку!!!

Дождаться полного расплавления шихты, при этом должна появиться зеркальная поверхность расплава. Сделать выдержку ~ 10 минут и постепенно снижать температуру расплава. При этом постепенно опускать вращающийся шток с затравкой. Температуру притравливания подбирают экспериментально.

Главная опасность данной операции – кристаллизация расплава! При этом может лопнуть тигель. Если вы увидели, что начинается кристаллизация необходимо немедленно поднять температуру!

Коснуться затравкой поверхности расплава и дать выдержку ~ 10 мин. Внимательно следить за состоянием расплава. Если затравка отрывается, то расплав перегрет и следует снизить температуру, если от затравки начинается слишком быстрая кристаллизация, то следует увеличить температуру.

Отметить в журнале показания на шкале перемещения, время начала выращивания, показания приборов.

Включить перемещение штока с затравкой вверх. На начальной стадии роста следует сузить кристалл (затравку) до 1-2 мм и сделать так называемую «шею» кристалла, затем осторожно регулируя режим печи увеличить диаметр до требуемого. Отметить в журнале все показания приборов для «шеи» кристалла и при выходе на требуемый диаметр. Важно не допускать резких изменений диаметра кристаллов, т. к. это приводит к образованию дефектов!

Перед отрывом кристалла записать показания приборов, время, положение на шкале перемещения. Отрыв можно проводить вручную, но не вытягивать высоко из тепловой зоны кристалл, а можно увеличить скорость вытягивания.

Охлаждать кристалл желательно с маленькой скоростью для предотвращения теплового удара.

После того как печь остыла выключить диффузионный насос и остудить его (если выращивание проходило в вакууме), отключить водяное охлаждение, открыть камеру и достать кристалл.

Сделать уборку на рабочем месте.

Провести подробное описание выращенных кристаллов и сделать запись в рабочем журнале.

7. Оформление отчета

В лабораторном журнале указать название и цель работы, представить фазовые диаграммы систем, в которых происходит кристаллизация и привести расчет состава шихты. Дать схему установки, описать метод выращивания кристаллов и методику проведения работы. Привести физико-химические характеристики выращенных кристаллов и описать их вид (указать массу, габариты кристалла, наличие боковых граней, если таковые имеются, описать дно кристалла). Сделать фотографию кристалла. Составить заключение по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют методы выращивания монокристаллов в однокомпонентной системе?

2. Что общего и какие отличия между методом Чохральского и методом Киропулоса?

3. Описать устройство установки «Редмет-10».

4. Правила техники безопасности при работе на установке «Редмет-10».

5. Рассказать порядок выращивания монокристаллов германия на установке «Редмет-10».