Метод Чохральского

Значительные преимущества метода Чохральского обеспечили ему, пожалуй, наиболее широкое распространение по сравнению с другими методами. кристаллы выращенные методом Чохральского

 

 

При вытягивании  слитка из расплава вместе с ним  из расплава в кристалл переходят и примесные атомы, но их относительная доля в слитке из-за явления сегрегации примеси будет меньше, чем в расплаве. Поэтому в процессе увеличения размеров слитка расплав будет обогащаться примесными атомами. В результате возникнет неоднородность распределения примеси по длине слитка. Неоднородность распределения примеси возникнет и по сечению слитка, поскольку его периферийная часть будет затвердевать раньше, чем область, находящаяся ближе к оси слитка. В итоге сопротивление слитка в радиальном направлении будет отличаться примерно на 30 %, в то время как в производстве полупроводниковых микросхем допускаются вариации не более 10 %. Термический отжиг в значительной степени способствует устранению этой неоднородности.

 

Другим недостатком  метода Чохральского является относительно высокая концентрация неконтролируемой примеси в выращенном слитке, в основном кислорода (»1016 - 1018 см-3) и углерода (»1017 см-3). Атомы кислорода возникают в слитке из кварцевого тигля, переходя из тигля в расплав и далее в слиток. Источниками углерода являются различные держатели, нагреватели, теплоизоляторы, которые обычно выполняются из графита. Большая часть атомов кислорода в конце концов образует молекулы SiO2, которые выделяются вдоль дислокаций и становятся причиной непригодности микросхем, изготовленных их этой части кристалла. Что касается углерода, то он может образовывать с кремнием твердый раствор карбида кремния, что также оказывает негативное влияние на качество изготовляемых из полученного слитка микросхем.

Имеется несколько  способов, позволяющих уменьшить содержание примесных атомов кислорода и углерода. Так нанесение слоя нитрида кремния на внутреннюю поверхность кварцевого тигля снижает концентрацию кислорода в слитке, а нанесение карбида кремния на поверхность графитового нагревателя уменьшает содержание углерода. Уменьшению содержания кислорода в слитке способствует также приложение магнитного поля вдоль оси выращиваемого слитка, поскольку магнитное поле ограничивает тепловую конвекцию в расплаве, тем самым снижаются локальные изменения температуры в расплаве.

 

Масштабы практического применения.

Данный метод позволяет  получать кристаллы очень высокого качества. Поэтому он позволяет получать кристаллы, которые являются прекрасным ювелирным материалом, поскольку они значительно более однородные, чем кристаллы, выращенные другими методами.  К кристаллам, выращиваемым этим методом относятся рубины, сапфиры, ИАГ, ГГГ и другие синтетические гранаты, а также александрит.

Полученные кристаллы  представляют собой стержни диаметром 2,5-6 см и длиной 20-25 см.

 

 

С 1965 года украинское предприятие  GALAR проводит синтез соединений А²В⁶ и А³В⁵. Выращивание кристаллов проводится методом Чохральского.

 

 

 

ФГУП "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ИНСТИТУТ ТОКОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ" им. В.П. ВОЛОГДИНА

занимается  производством установок

Установка для получения методом Чохральского крупногабаритных монокристаллов высокотемпературных окислов и солей с температурой плавления свыше 2000°С ("Кристалл 617").

 

Возможно проведение процесса в вакууме или контролируемой газовой среде.

 

Масса выращиваемого  кристалла - не более 15.0 кг

 

Процесс автоматизирован.

 

Высокоточное автоматическое регулирование процесса осуществляется на базе микропроцессора использованием датчика веса кристалла или датчика  изменения уровня расплава в тигле.

 

Конструктивное  выполнение установки - блочное.

 

Установка модифицируются для решения каждой конкретной задачи.

 

 

Государственный научно-исследовательский  и проектный институт  редкометаллической промышленности ГИРЕДМЕТ

Установка "Редмет 90М"

Установка «Редмет-90М» предназначена  для выращивания бездислокационных монокристаллов кремния методом Чохральского.

Установка «Редмет-90М» является развитием серии установок «Редмет» и базируется на конструктивных решениях, прошедших многолетнюю отработку в серийном производстве. Ее отличают надежность работы, удобство обслуживания, простота изготовления и эксплуатации. 

 

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ  ДАННЫЕ 

 

Величина загрузки тигля	до 210 кг
Максимальный диаметр  монокристалла	300 мм
Осевое перемещение затравки	до 3000 мм
Диаметр тигля	508 мм, 610 мм
Установленная мощность	250 кВт
Скорость перемещения  затравки
рабочая	(0,25... 7,6) мм/мин
маршевая	(14...720) мм/мин
Частота вращения затравки	(1...36) об/мин
Скорость перемещения  тигля
рабочая	(0,03...0,77) мм/мин
маршевая	46 мм/мин
Частота вращения тигля	(1...28) об/мин
Величина хода штока тигля	450 мм
Вакуум предельный	5·10-2 торр
Давление инертного газа
на входе	2,0 ати
в камере	(5...20) торр
Расход инертного газа	(1000...4000) л/ч
Давление воды
на входе	(2...4) ати
на выходе	свободный слив
Расход воды	до 10 м3 /ч
Электропитание установки	трехфазное,380/220В,50Гц
Система управления	компьютеризированная
Габариты печного агрегата
ширина	1900 мм
глубина	2350 мм
высота	7400 мм
высота при поднятой камере	8200 мм
Масса печного агрегата	4500 кг

 
 

Установка «Редмет-90М» включает в себя:

• Печной агрегат;
• Блок силового электропитания;
• Систему индикации, контроля и управления.

 

 

 

Особенности

Простота конструкции

Меньшие затраты  на изготовление оборудования, лучшая герметичность, надежность.

Простота и удобство обслуживания

Значительно облегчает  труд и улучшает условия труда  обслуживающего персонала.

Снижение материалоемкости конструкции печного агрегата установки.

Повышение производительности

Наличие специального устройства, позволяющего совместить по времени охлаждение кристалла  с догрузкой тигля, обеспечивает повышение производительности (~20%)

 

Перспективы метода.

Прогресс в области технологий получения монокристаллов из расплава в значительной степени определяется увеличением массы выращиваемых кристаллов и общим снижением издержек их производства, что требует совершенствования систем автоматического управления процессом роста кристаллов из расплава, 
 
Планируется использовать кремний, выращенный по методу чохральского как сырье  для производителей фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)

 

Основные тенденции в развитии конструкций установок (рис. 121) получения монокристаллов из расплава связаны с увеличением массы единичной загрузки до и более 69 кг, полной автоматизацией процесса выращивания начиная с закрытия камеры печи после ее загрузки и кончая охлаждением выращенного монокристалла. Увеличение массы загрузки, автоматизация процесса позволяют существенно повысить экономическую эффективность процесса в целом. Установлена зависимость себестоимости выращиваемых монокристаллов от величины загрузки и диаметра монокристалла. Оказалось, что себестоимость монокристаллов минимальная при выращивании их диаметром 150 мм из загрузки 60 кг.

Наиболее распространенными отечественными установками являются ”Редмет-15” и ”Редмет-30”, предназначенные для получения монокристаллов в периодическом или полунепрерывном режиме выращивания из загрузки 16-30 кг. Основные технические параметры установок: мощность установленная 160 кВА, потребляемая < 90 кВт, максимальная температура на нагревателе 1870 К, длина монокристалла

 

Верхний кусок слитка, выращенного  по технологии Чохральского. Оставшееся часть пошла на производство подложек. Такие "верхушки и кончики", остающиеся в микроэлектронной промышленности, можно использоваться для производства солнечных элементов.

 

Метод Степанова.

За время промышленного  использования (с 1950-х годов) были разработаны  различные модификации метода Чохральского. Так, для выращивания профилированных кристаллов используется модификация метода Чохральского, называемая методом Степанова. Иначе его называют методом каппилярного формообразования. Он получил широкое распространение не только при выращивании профилированных металлических монокристаллов и полупроводников, но и при выращивании диэлектрических монокристаллов, в частности, лейкосапфира.

 

 

Данный метод основан  на использовании капиллярных сил, поскольку с их помощью формируется столбик расплава на поверхности формообразователя.

Технология  такова, что расплав постепенно вытесняется  силами поверхностного натяжения в  «холодную зону», где происходит кристаллизация сапфировой детали. Причем оснастка требуемого профиля задает форму будущего изделия из сапфира. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В отношении формообразования условия, реализуемые на фронте роста, являются общими для всех способов, основанных на использовании капиллярных сил. Различие заключается лишь в принципах формообразования расплава. Например, в методе Чохральского нижней границей является свободная поверхность расплава, в то время как в методе Степанова нижняя граница определяется контактом расплава со стенками или кромками формообразователя. Размеры и форма вытягиваемого монокристалла зависят от соответствующего геометрического профиля формообразователя,  давления, под которым расплав подается в формообразователь, положения и формы фронта роста и формы затравочного монокристалла.

 

 

. Исследование условий устойчивости позволяет также выяснить характер влияния формообразователя на процесс вытягивания монокристалла постоянного поперечного сечения и установить различие между методами Чохраль- ского и Степанова. В методе Степанова, например, при вытягивании монокристалла, цилиндрической формы диаметр монокристалла обычно меньше диаметра формообразователя. В методе Чохральскош, наоборот, диаметр монокристалла может быть соизмерим с диаметром тигля.

 

 

При этом в качестве материала  для формообразователя используется молибден.

 

Метод Степанова используется для  выращивания монокристаллических  сапфировых изделий различной конфигурации, в том числе сапфировых лент, труб и стержней.  
Сапфировые изделия применяются во многих отраслях в качестве оптических деталей, высокотемпературных подложек, окон, пластин, деталей точной механики, костных протезов и ламп высокого давления. 
 
 
Профилированные трубки и стержни из монокристаллического оптического сапфира (лейкосапфира Al2O3), выращенные по способу Степанова, активно конкурируют с трубками и стержнями из кварца, керамики и стекла. Причина - это уникальные физико-механические и химические свойства оптического сапфира, а именно:

• сохранение механических свойств и эсплуатационных качеств при высоких температурах до 1800 град С, в том числе и в условиях радиации,
• высокая твердость, повышенная износостойкость,
• химическая инертность к агрессивным средам,
• прозрачность в более широком диапазоне длин волн,
• биосовместимость оптического сапфира с практически любыми активными средами.

Из оптического  сапфира (лейкосапфира Al2O3) изготавливают чехлы для термопар, конструктивные элементы высокотемпературных печей и газоразрядных ламп, тигли, пары трения, распылители, высокопрочные прозрачные защитные сапфировые окна – пластины, оптические элементы в оптоволоконных телекомунникациях, линзы в офтальмологии, эталонные меры в метрологии, и т.д. Трубы, изготовленные из оптического сапфира, используются в устройствах для стерилизации воды. Если вместо кварцевых защитных кожухов, которые установлены в ультрафиолетовых стерилизаторах, разместить такие сапфировые трубы, то экономичность и производительность установок резко повысится. Защитные кожуха подвергаются постоянным соударениям с микрочастицами загрязненной воды и химическому воздействию агрессивных веществ. Твердость и химическая стойкость оптического сапфира позволяют решить эту проблему. 
Кроме того, в отличие от кварца, оптический сапфир (лейкосапфир Al2O3) долго не темнеет под воздействием ультрафиолетового излучения, которое используется в стерилизаторах. Поэтому интенсивность УФ излучения в этих стерилизаторах можно многократно повысить и заменить ультрафиолетовые лампы на гораздо более компактные блоки светодиодов, что приводит к увеличению эффективности работы стерилизаторов.  
Низкая энергоемкость и компактность УФ стерилизаторов с сапфировыми трубами и светодиодами позволили создать портативные переносные стерилизаторы с автономными аккумуляторными источниками питания, что необходимо для оперативного обеспечения очищенной питьевой водой в полевых условиях.  

По материалам

1. Технология полупроводникового  кремния/Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф. и др. - М.: Металлургия, 1992. - 408 с.

2. Багдасаров X. С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 160 с.

3. Александров С. Е., Греков Ф. Ф. Технология полупроводниковых материалов: Учебное пособие. 2'е изд., испр. — СПб.: Издательство «Лань», 2012. — 240 с.

4. Оборудование полупроводникового производства Блинов,Кожитов,”МАШИНОСТРОЕНИЕ”1986