Białek Andrzej

IV MDT Stalowa Wola

Monokryształy

Monokryształ jest to materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.

Rocznie, na świecie produkuje się 20000 ton kryształów. Większość to Si, Ge, GaAs, InP, GaP, CdTe. Monokryształy charakteryzują się jednolitą budową strukturą wewnętrzną możliwie bliską idealnej. Powstają z substancji stałych, ciekłych i gazowych w określonych warunkach (temperatura, ciśnienie- ściśle dobrane). Proces powstawania polega na przenoszeniu się atomów z fazy ciekłej lub gazowej na powierzchnię już istniejącego monokryształu, gdzie w wyniku działania sił międzyatomowych zostają uporządkowane, tworząc dopasowane do siebie kolejno warstwy. Do powstania i wzrostu monokryształu potrzebne jest przesycenie lub przechłodzenie fazy wejściowej w stosunku do powstałej w niej fazy ciekłej. Podczas procesu krystalizacji dąży się do otrzymania monokryształu o minimalny stężeniu defektów wewnętrznych i domieszek. Niekiedy pożądane są monokryształy o równomiernym rozkładzie domieszek, określonej wartościowości i założonej koordynacji w sieci. Do otrzymania produktu o założonych właściwościach wymaga się wysokiej jakości materiałów wejściowych, przestrzeganie warunków zachodzenia procesów itd.

Właściwości monokryształów:

Etapy procesu krystalizacji:

Zarodkowanie

Aby kryształ mógł rosnąć, najpierw proces musi się rozpocząć: musi powstać zarodek, czyli bardzo niewielki kryształ nowej fazy.

Wymaga to:

Trudność procesu zarodkowania wynika z termodynamiki: energia swobodna kryształu tworzącego się np. w cieczy składa się z energii swobodnej ciała stałego (która jest mniejsza niż energia swobodna cieczy) oraz z energii swobodnej powierzchni rozdziału dwóch faz: ciekłej i stałej. Im mniejsza objętość w stosunku do powierzchni, tym gorzej. Dlatego istnienie małych zarodków wymaga przechłodzenia.

Wzrost kryształu

Wzrost kryształu to też proces dyfuzyjny. W zależności od tego co krystalizuje, można wyróżnić dwa główne mechanizmy krystalizacji:

Mechanizm wzrostu poprzez dyslokację śrubową:

Wyróżnia się następujące metody krystalizacji monokryształów:

Metoda Czochralskiego, jest najstarszą i jedną z najpowszechniej stosowanych metod do produkcji monokryształów metali i ich stopów. Została opracowana w 1918 roku przez wybitnego polskiego uczonego Jana Czochralskiego.
Metodą Czochralskiego produkuje się w skali światowej ponad 90% krzemu, zużywanego do wytwarzania układów scalonych. Z uwagi na specyfikę owej metody uzyskiwany krzem zawsze zawiera domieszkę tlenu w położeniu międzywęzłowym, który ulega przemianom w czasie wytwarzania układów scalonych. Wyprodukowane monokryształy krzemu są przetwarzane na płytki szlifowane, polerowane lub płytki stanowiące podłoże na warstwy epitaksjalne.

Metoda ta zwana także metodą wyciągania z roztworu, polega na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego metalu zarodka krystalicznego, w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację metalu na powierzchni zarodka. Jeśli wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia warunków transportu masy i ciepła. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt: średnica oraz długość hodowanego kryształu kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli. Jest to najszybsza z metod hodowli monokryształów i wynosi od 1 do 40 mm/h.
Najczęściej stosowanymi piecami do hodowli monokryształów metodą Czochralskiego są piece indukcyjne. W zależności od topionego metalu do topienia stosuje się tygle wykonane z kwarcu, grafitu, azotku boru bądź innego materiału żaroodpornego nie wchodzącego w reakcję z topionym metalem. W celu zapewnienia czystych warunków hodowli i zapobieżenia utlenieniu proces przeprowadzany jest w próżni bądź atmosferze gazu obojętnego.
Metodę Czochralskiego na skalę przemysłową stosuje się do produkcji monokryształów krzemu.

PRZEBIE GPROCESU

Urządzenia Czochralskiego do otrzymywania monokryształów krzemu mają załadunek od 30 do 150 kg, a produkt jednego wytopu to monokryształ o masie od 25 do 120 kg. Jest to proces ciągły o około 40 - godzinnym cyklu.

Proces wzrostu zachodzi przez kierunkową krystalizację znajdującego się w tyglu kwarcowym stopionego krzemu. Wzrost rozpoczyna się od monokrystalicznego zarodka (zaródź monokrystaliczna) umieszczonego w uchwycie, który wykonany jest z grafitu o wysokiej czystości. Wrzeciono robocze wraz z uchwytem i zarodkiem przemieszcza się do góry z szybkością odpowiadającą szybkości krystalizacji krzemu. Na początku procesu średnica monokryształu jest równa lub mniejsza od średnicy zarodka, po czym następuje wzrost średnicy do uzyskania wymaganej wielkości.

Średnica wzrastającego monokryształu zależy od parametrów:

Powyższe parametry mają wpływ na pole termiczne wokół wzrastającego monokryształu.

Schemat wzrostu monokryształu przedstawiony jest na rysunku.

Obszar krystalizacji chroniony jest gazem obojętnym, którym najczęściej jest argon. Ponieważ krzem stopiony jest materiałem bardzo agresywnym pod względem chemicznym i bardzo chętnie wchodzi w reakcje ze wszystkimi materiałami tygla, a nawet z minimalna ilością tlenu oraz pary wodnej w środowisku procesu, wymagana jest bardzo wysoka czystość używanego gazu. Argon przepływa przez piec dzięki zastosowaniu specjalnych pomp próżniowych. Komora pieca musi być próżnioszczelna. W całym układzie panuje wysoka temperatura, rzędu 1500°C (temperatura topnienia krzemu wynosi 1415°C), co wymaga zastosowania komory ze stali nierdzewnej, chłodzonej wodą. Oczywistym jest, że temperatura topnienia materiału, z którego wykonany jest tygiel musi być większa od temperatury topnienia krzemu.

Kluczowe znaczenie dla prawidłowego i wydajnego przebiegu procesu ma jednorodne pole termiczne, wytwarzane przez grafitowy nagrzewnik. W celu jego uzyskania monokryształ i tygiel z wsadem, którym jest stopiony krzem są obracane. Krystalizacja przebiega aż do wyczerpania się stopionego krzemu w tyglu kwarcowym

Zastosowanie monokryształów:

Bibliografia: