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). Выпускались и более сложные формы, такие как трубы со сложным поперечным сечением и купола. [1] Использование процесса формовки позволяет получить кристалл почти чистой формы и снизить стоимость производства кристаллов, которые состоят из очень дорогих или труднообрабатываемых материалов.
Список процессов формовки
- Рост с контролируемой кромкой с подачей пленки (EFG)
- Горизонтальный рост ленты (HRG)
- Микровытягивание вниз (µ-PD)
- Степановская техника
- Струнная лента
Рост по краю с подачей пленки
Росток с пленочной подачей по краю или EFG был разработан для выращивания сапфиров в конце 1960-х годов Гарольдом Лабеллем и А. Млавски из Tyco Industries. [2] Формообразующее устройство (также называемое штампом), имеющее размеры, приблизительно равные размерам выращиваемого кристалла, располагается над поверхностью расплава, содержащегося в тигле . Капиллярное действие обеспечивает подачу жидкого материала в щель в центре формирователя. Когда затравочный кристалл касается жидкой пленки и поднимается вверх, на границе раздела между твердой затравкой и жидкой пленкой образуется монокристалл . 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, потому что каждый материал имеет характерный угол роста, угол , образованный на тройной границе раздела между твердым кристаллом, жидкой пленкой и атмосферой. [3] Из-за угла роста изменение высоты мениска (т.е. толщины жидкой пленки) изменит размеры 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, подаваемой на нагревательные элементы во время роста. Разница в коэффициентах теплового расширения между формовочным материалом и кристаллическим материалом также может вызывать заметные различия в размерах формовочного материала и кристалла при комнатной температуре для кристаллов, выращенных при высоких температурах.
Формовочный материал не должен вступать в реакцию ни с расплавом, ни с ростовой атмосферой, и должен смачиваться расплавом. [4]
Можно вырастить несколько кристаллов из одного тигля, используя технику EFG, например, путем выращивания множества параллельных листов.
Приложения
Сапфир : EFG используется для выращивания больших пластин сапфира , в основном для использования в качестве прочных инфракрасных окон для защиты и других приложений. Выпускаются окна толщиной около 7 мм, шириной 300 мм и длиной 500 мм. [5] Формовщик обычно изготавливается из молибдена .
Кремний: EFG использовался в 2000-х годах компанией Schott Solar для производства кремниевых листов для солнечных фотоэлектрических панелей путем вытягивания тонкостенного (~ 250-300 мкм) восьмиугольника с гранями 12,5 см на стороне и диаметром около 38 см, примерно 5– Длина 6 м. [6] Формовщик обычно изготавливается из графита .
Другие оксиды : Многие оксиды с высокой температурой плавления были выращены с помощью EFG, среди них Ga 2 O 3 , LiNbO 3 и Nd 3+ : (Lu x Gd 1-x ) 3 Ga 5 O 12 (Nd: LGGG). [7] Часто используется иридиевый формирователь.
Горизонтальный рост ленты
Горизонтальный рост ленты или HRG - это метод, разработанный для кремния, при котором тонкий кристаллический лист вытягивается горизонтально из верхней части тигля. Уровень расплава необходимо постоянно пополнять, чтобы поверхность расплава оставалась на той же высоте, что и край тигля, из которого вытягивается лист. Путем продувки охлаждающим газом на поверхность растущего листа можно достичь очень высоких скоростей роста (> 400 мм / мин). [8] Метод основан на твердом кристалле, плавающем на поверхности расплава, который работает, потому что твердый кремний менее плотен, чем жидкий кремний.
Микро-вытягивание вниз
В методе микротягивания вниз или µ-PD используется небольшое круглое отверстие в дне тигля для вытягивания кристаллического волокна вниз. С помощью этой техники были выращены сотни различных кристаллических материалов.
Вариант, называемый ростом висячей капли или PDG, использует прорезь в дне тигля для получения кристаллических листов аналогичным образом. [3]
Степановская техника
Метод Степановой был разработан В. Степанов в Советском Союзе после 1950 года [1] Способа включает потянув кристалл вертикально через формирователь , расположенный на поверхности расплава. Формирователь не обязательно питается через капиллярный канал, как в EFG. [9] Формовочный материал может смачиваться или не смачиваться расплавом, в отличие от EFG, где формовочный материал смачивается. [4] Техника использовалась 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 контроля диаметра. [10]
Струнная лента
Метод струнной ленты , также известный как дендритное полотно или вытягивание с опорой на края , использовался для выращивания полупроводниковых листов, включая антимонид индия , арсенид галлия , германий и кремний. [11] Затравочный кристалл, ширина и толщина которого соответствуют выращиваемому листу, погружают в верхнюю поверхность расплава. Нити из подходящего материала прикреплены к вертикальным краям посевного материала и проходят через отверстия в дне тигля к катушке. Когда семя поднимается, струна непрерывно пропускается через расплав, и между семенами, струнами и расплавом образуется жидкая пленка. Пленка кристаллизуется до семян, образуя лист или ленту.
Рекомендации
- ^ a b Добровинская, Елена Р., Леонид А. Литвинов и Валериан Пищик. Сапфир: материал, изготовление, применение. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
- ^ Робишо, Джозеф Л .; Харрис, Дэниел С .; Гудман, Уильям А. (2009). «Век выращивания сапфировых кристаллов: истоки метода EFG». Технологии оптических материалов и конструкций IV . 7425 . С. 74250 С. DOI : 10.1117 / 12.824452 . ISSN 0277-786X .
- ^ а б Даффар, Тьерри (2015). «Капиллярность и стабильность формы при росте кристаллов из расплава». В Рудольф, Питер (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов Vol. МИБ (2-е изд.). Elsevier BV, стр. 758–789. DOI : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00019-5 . ISBN 9780444633033.
- ^ а б Сурек, Т .; Coriell, SR; Чалмерс, Б. (1980). «Выращивание фигурных кристаллов из расплава». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 21–32. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90227-4 . ISSN 0022-0248 .
- ^ «КЛАСС Сапфировые листы» . Сен-Гобен . Проверено 25 января 2018 года .
- ^ Макинтош, B; Зейдл, А; Уэллетт, М; Бати, Б; Йейтс, Д; Келейс, Дж (25 января 2006 г.). «Выращивание больших полых трубок из кристаллов кремния методом выращивания с подачей пленки по краям (EFG)». Журнал роста кристаллов . 287 (2): 428–432. DOI : 10.1016 / j.jcrysgro.2005.11.058 .
- ^ Му, Вэньсян; Цзя, Чжитай; Инь, Янру; Ху, Цянцян; Ли, Ян; Тао, Сюйтан (2017). «Выращивание однородных монокристаллических пластин Nd: LGGG с помощью метода роста с подачей пленки с заданной кромкой». Журнал роста кристаллов . 478 : 17–21. DOI : 10.1016 / j.jcrysgro.2017.08.007 . ISSN 0022-0248 .
- ^ Кудо, Б. (1980). «Улучшения в технологии горизонтального роста ленты для монокристаллического кремния». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 247–259. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90248-1 .
- ^ Татарченко, Виталий (2010). "Формованный рост кристаллов: Краткая история TPS". В Дханарадже, Говиндхане; и другие. (ред.). Справочник Springer по выращиванию кристаллов . Springer. С. 537–541.
- ^ Винклер, Ян; Нойберт, Майкл (2015). «Автоматизация выращивания кристаллов из расплава». В Рудольф, Питер (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов (2-е изд.). Elsevier BV стр. 1153. DOI : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033.
- ^ Seidensticker, RG; Хопкинс, Р.Х. (1980). «Рост кремниевой ленты за счет процесса дендритного полотна». Журнал роста кристаллов . 50 (1): 221–235. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (80) 90246-8 . ISSN 0022-0248 .