Процессы формирования при росте кристаллов

Кристаллизация
Кристаллизация
Основы
	Кристалл ; Кристаллическая структура ; Нуклеация ;
Концепции
	Кристаллизация ; Рост кристаллов ; Рекристаллизация ; Затравочный кристалл ; Протокристаллический ; Монокристалл ;
Методы и технология
	Шары ; Метод Бриджмена – Стокбарджера ; Процесс Ван Аркеля – де Бура ; метод Чохральского ; Эпитаксия ; Флюсовый метод ; Фракционная кристаллизация ; Фракционное замораживание ; Гидротермальный синтез ; Метод Киропулоса ; Рост пьедестала с лазерным нагревом ; Микровытягивание вниз ; Процессы формирования при росте кристаллов ; Тигель черепа ; Метод Вернейля ; Зона плавления ;
	v ; т ; и ;

Процессы формования при выращивании кристаллов представляют собой совокупность методов выращивания объемных кристаллов определенной формы из расплава, обычно путем ограничения формы жидкого мениска с помощью механического формирователя. Кристаллы обычно выращивают в виде волокон, твердых цилиндров, полых цилиндров (или трубок) и листов (или пластин). Также производятся более сложные формы, такие как трубы сложного поперечного сечения и купола. ^[1] Использование процесса формования позволяет получить кристаллы почти идеальной формы и снизить стоимость производства кристаллов, которые состоят из очень дорогих или трудно поддающихся механической обработке материалов.

Список процессов формирования

Горизонтальный рост ленты (HRG, 1959) ^[2]^[3]
Рост с кинопленкой, определяемый краями (EFG, 1960)
Лист кремния под малым углом (LASS, 1981)
Микровытягивание (μ-PD)
Stepanov technique
Струнная лента

Рост, определяемый краями, благодаря пленочной подпитке

Рост с пленочной подачей по краям или EFG был разработан для роста сапфира в конце 1960-х годов Гарольдом ЛаБеллем и А. Млавски из Tyco Industries. ^[4] Формирователь (также называемый матрицей), имеющий размеры, примерно равные выращиваемому кристаллу, располагается над поверхностью расплава, содержащегося в тигле . Капиллярное действие подает жидкий материал в щель в центре формирователя. Когда затравочный кристалл прикасается к жидкой пленке и поднимается вверх, образуется монокристалл на границе между твердой затравкой и жидкой пленкой . Продолжая тянуть затравку вверх, кристалл расширяется, поскольку между кристаллом и верхней поверхностью формирователя образуется жидкая пленка. Когда пленка достигает краев формирователя, окончательная форма кристалла совпадает с формой формирователя.

Точные размеры кристалла будут отличаться от размеров формирователя, поскольку каждый материал имеет характерный угол роста — угол, образующийся на тройной границе раздела между твердым кристаллом, жидкой пленкой и атмосферой. ^[5] Из-за угла роста изменение высоты мениска (т.е. толщины жидкой пленки) приведет к изменению размеров кристалла. На высоту мениска влияют скорость вытягивания и скорость кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от градиента температуры над формирователем, который определяется конфигурацией горячей зоны печи для выращивания кристаллов , и мощностью, прикладываемой к нагревательным элементам во время роста. Разница в коэффициентах теплового расширения между материалом формирователя и материалом кристалла также может вызывать значительную разницу в размерах формообразователя и кристалла при комнатной температуре для кристаллов, выращенных при высоких температурах.

Формирующий материал должен быть инертен в реакции как с расплавом, так и с атмосферой роста, и должен быть смачиваться расплавом. ^[6]

Используя метод EFG, можно вырастить несколько кристаллов из одного тигля, например, выращивая множество параллельных листов.

Приложения

Сапфир : EFG используется для выращивания больших пластин сапфира , в первую очередь для использования в качестве надежных инфракрасных окон для обороны и других целей. Производятся окна толщиной около 7 мм, шириной 300 мм и длиной 500 мм. ^[7] Формирователь обычно изготавливается из молибдена .

Кремний: использовала EFG в 2000-х годах компания Schott Solar для производства кремния листов для солнечных фотоэлектрических панелей путем вытягивания тонкостенного (~ 250–300 мкм) восьмиугольника с гранями со стороной 12,5 см и диаметром около 38 см, около 5–5–5 см. 6 м в длину. ^[8] Формирователь обычно изготавливается из графита .

Другие оксиды : Многие оксиды с высокой температурой плавления были выращены с помощью EFG, в том числе Ga ₂ O ₃ , LiNbO ₃ и Nd. ³⁺:(Lu _x Gd _1-x ) ₃ Ga ₅ O ₁₂ (Nd:LGGG). ^[9] Часто иридиевый используют формирователь.

Горизонтальный рост ленты

Горизонтальный рост ленты или HRG — это метод, разработанный и запатентованный Уильямом Шокли в 1959 году для выращивания кремния . ^[2]^[3] С помощью этого метода тонкий кристаллический лист вытягивают горизонтально сверху тигля. Уровень расплава необходимо постоянно пополнять, чтобы поверхность расплава оставалась на той же высоте, что и край тигля, из которого вытягивают лист. Подавая охлаждающий газ на поверхность растущего листа, можно достичь очень высоких скоростей роста (>400 мм/мин). ^[10] Этот метод основан на том, что твердый кристалл плавает на поверхности расплава, и это работает, поскольку твердый кремний менее плотен, чем жидкий кремний.

Микровытягивание вниз

Метод микровытягивания или μ-PD использует небольшое круглое отверстие в нижней части тигля для вытягивания кристаллического волокна вниз. С помощью этой технологии были выращены сотни различных кристаллических материалов.

Вариант, называемый выращиванием подвесных капель или PDG, использует прорезь в нижней части тигля для производства кристаллических листов аналогичным образом. ^[5]

Stepanov technique

Методика Степанова была разработана А.В. Степановым в Советском Союзе после 1950 года. ^[1] Метод заключается в протягивании кристалла вертикально через формирователь, расположенный на поверхности расплава. Формирователь не обязательно питается по капиллярному каналу, как в EFG. ^[11] Материал формообразующего материала может быть смачиваемым или несмачиваемым расплавом, в отличие от EFG, где материал формообразующего материала смачивается. ^[6] Этот метод использовался для выращивания кристаллов металлов, полупроводников и оксидов.

Выращивание по Чохральскому с использованием плавающего формирователя, известного как «коракул», было выполнено для некоторых полупроводников III-V до разработки усовершенствованных систем управления диаметром. ^[12]

Струнная лента

Метод струнной ленты , также известный как дендритная паутина или вытягивание с опорой на края , использовался для выращивания полупроводниковых листов, включая антимонид индия , арсенид галлия , германий и кремний. ^[13] В верхнюю поверхность расплава погружают затравочный кристалл, ширина и толщина которого соответствуют выращиваемому листу. Нити из подходящего материала прикрепляются к вертикальным краям затравки и проходят через отверстия в дне тигля к катушке. Когда затравка поднимается, струна непрерывно проходит через расплав, и между семенем, струнами и расплавом образуется жидкая пленка. Пленка кристаллизуется в зародыш, образуя лист или ленту.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov, and Valerian Pishchik. Sapphire: material, manufacturing, applications. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
^ Jump up to: ^а ^б Дагголу, Парфив (декабрь 2013 г.). «Термально-капиллярный анализ горизонтального ленточного роста солнечного кремния» (PDF) . Университет Миннесоты .
^ Jump up to: ^а ^б US 3031275 , Шокли, Уильям, «Процесс выращивания монокристаллов», опубликовано 24 апреля 1962 г.
^ Робишо, Жозеф Л.; Харрис, Дэниел С.; Гудман, Уильям А. (2009). «Век выращивания кристаллов сапфира: зарождение метода EFG». В Робишо, Жозеф Л.; Гудман, Уильям А. (ред.). Технологии оптических материалов и структур IV . Том. 7425. стр. 74250П. дои : 10.1117/12.824452 . ISSN 0277-786X . S2CID 121897942 .
^ Jump up to: ^а ^б Дюффар, Тьерри (2015). «Капиллярность и стабильность формы при росте кристаллов из расплава». В Рудольфе, Питере (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов, том. МИБ (2-е изд.). Эльзевир Б.В., стр. 758–789. дои : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00019-5 . ISBN 9780444633033 .
^ Jump up to: ^а ^б Сурек, Т.; Кориелл, СР; Чалмерс, Б. (1980). «Рост фасонных кристаллов из расплава». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 21–32. Бибкод : 1980JCrGr..50...21S . дои : 10.1016/0022-0248(80)90227-4 . ISSN 0022-0248 .
^ «Листы сапфира КЛАССА» . Сен-Гобен . Проверено 25 января 2018 г.
^ Макинтош, Б; Зейдль, А; Уэллетт, М; Бати, Б; Йейтс, Д; Келейс, Дж (25 января 2006 г.). «Выращивание больших кристаллов кремния в полой трубке методом выращивания с пленочной подачей по краям (EFG)». Журнал роста кристаллов . 287 (2): 428–432. Бибкод : 2006JCrGr.287..428M . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.058 .
^ Му, Вэньсян; Цзя, Житай; Инь, Янру; Ху, Цянцян; Ли, Ян; Тао, Сютан (2017). «Выращивание однородных монокристаллических пластин Nd: LGGG методом выращивания с пленочной подачей по краям». Журнал роста кристаллов . 478 : 17–21. Бибкод : 2017JCrGr.478...17M . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2017.08.007 . ISSN 0022-0248 .
^ Кудо, Б. (1980). «Усовершенствования в технологии выращивания монокристаллического кремния с помощью горизонтальной ленты». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 247–259. Бибкод : 1980JCrGr..50..247K . дои : 10.1016/0022-0248(80)90248-1 .
^ Татарченко, Виталий (2010). «Рост фигурных кристаллов: краткая история TPS». В Дханарадже — Говиндхан; и др. (ред.). Справочник Springer по выращиванию кристаллов . Спрингер. стр. 537–541.
^ Винклер, Ян; Нойберт, Майкл (2015). «Автоматизация выращивания кристаллов из расплава». В Рудольфе, Питере (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов (2-е изд.). Эльзевир Б.В. с. 1153. дои : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033 .
^ Зейденстикер, Р.Г.; Хопкинс, Р.Х. (1980). «Рост кремниевой ленты с помощью процесса дендритной сети». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 221–235. Бибкод : 1980JCrGr..50..221S . дои : 10.1016/0022-0248(80)90246-8 . ISSN 0022-0248 .

[springer-1] Jump up to: ^а ^б Dobrovinskaya, Elena R., Leonid A. Lytvynov, and Valerian Pishchik. Sapphire: material, manufacturing, applications. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Дагголу, Парфив (декабрь 2013 г.). «Термально-капиллярный анализ горизонтального ленточного роста солнечного кремния» (PDF) . Университет Миннесоты .

[:1-3] Jump up to: ^а ^б US 3031275 , Шокли, Уильям, «Процесс выращивания монокристаллов», опубликовано 24 апреля 1962 г.

[RobichaudHarris2009-4] Робишо, Жозеф Л.; Харрис, Дэниел С.; Гудман, Уильям А. (2009). «Век выращивания кристаллов сапфира: зарождение метода EFG». В Робишо, Жозеф Л.; Гудман, Уильям А. (ред.). Технологии оптических материалов и структур IV . Том. 7425. стр. 74250П. дои : 10.1117/12.824452 . ISSN 0277-786X . S2CID 121897942 .

[Duffar-5] Jump up to: ^а ^б Дюффар, Тьерри (2015). «Капиллярность и стабильность формы при росте кристаллов из расплава». В Рудольфе, Питере (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов, том. МИБ (2-е изд.). Эльзевир Б.В., стр. 758–789. дои : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00019-5 . ISBN 9780444633033 .

[Surek-6] Jump up to: ^а ^б Сурек, Т.; Кориелл, СР; Чалмерс, Б. (1980). «Рост фасонных кристаллов из расплава». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 21–32. Бибкод : 1980JCrGr..50...21S . дои : 10.1016/0022-0248(80)90227-4 . ISSN 0022-0248 .

[7] «Листы сапфира КЛАССА» . Сен-Гобен . Проверено 25 января 2018 г.

[MackintoshSeidl2006-8] Макинтош, Б; Зейдль, А; Уэллетт, М; Бати, Б; Йейтс, Д; Келейс, Дж (25 января 2006 г.). «Выращивание больших кристаллов кремния в полой трубке методом выращивания с пленочной подачей по краям (EFG)». Журнал роста кристаллов . 287 (2): 428–432. Бибкод : 2006JCrGr.287..428M . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2005.11.058 .

[MuJia2017-9] Му, Вэньсян; Цзя, Житай; Инь, Янру; Ху, Цянцян; Ли, Ян; Тао, Сютан (2017). «Выращивание однородных монокристаллических пластин Nd: LGGG методом выращивания с пленочной подачей по краям». Журнал роста кристаллов . 478 : 17–21. Бибкод : 2017JCrGr.478...17M . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2017.08.007 . ISSN 0022-0248 .

[Kudo1980-10] Кудо, Б. (1980). «Усовершенствования в технологии выращивания монокристаллического кремния с помощью горизонтальной ленты». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 247–259. Бибкод : 1980JCrGr..50..247K . дои : 10.1016/0022-0248(80)90248-1 .

[11] Татарченко, Виталий (2010). «Рост фигурных кристаллов: краткая история TPS». В Дханарадже — Говиндхан; и др. (ред.). Справочник Springer по выращиванию кристаллов . Спрингер. стр. 537–541.

[12] Винклер, Ян; Нойберт, Майкл (2015). «Автоматизация выращивания кристаллов из расплава». В Рудольфе, Питере (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов (2-е изд.). Эльзевир Б.В. с. 1153. дои : 10.1016/B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033 .

[SeidenstickerHopkins1980-13] Зейденстикер, Р.Г.; Хопкинс, Р.Х. (1980). «Рост кремниевой ленты с помощью процесса дендритной сети». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 221–235. Бибкод : 1980JCrGr..50..221S . дои : 10.1016/0022-0248(80)90246-8 . ISSN 0022-0248 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]