Метод Чохральского. 
Кристаллография: зарождение, рост и морфология кристаллов

В методе Чохральского д.с.к. создается за счет локального переохлаждения поверхности расплава в месте контакта с затравочным кристаллом или теплоотводящим металлическим стержнем, а сам кристалл по мере роста равномерно перемещается (вытягивается) вверх (рис. 3.1). Процесс протекает в специальной камере, из которой откачивается воздух. С целью частичного подавления испарения расплава она может заполняться аргоном, гелием или азотом с добавлением 1—2% кислорода. Необходимый температурный режим поддерживается за счет высокочастотного или резистивного нагрева.

Рис. 3.1. Схема выращивания кристаллов методом Чохральского (Шаскольская, 1976).

Особенность этого метода состоит также в том, что фронт кристаллизации находится несколько выше зеркала расплава, а именно на высоту I столбика жидкой фазы, удерживаемой силой поверхностного натяжения:

где а — удельное поверхностное натяжение; г — радиус фронта кристаллизации; р — плотность расплава; g — ускорение свободного падения. Верхний предел скорости роста лимитируется максимально допустимой интенсивностью отвода теплоты через кристалл в окружающее пространство. Важно соблюдать равенство скоростей роста и вытягивания кристалла. Возрастание скорости вытягивания при сохранении заданного температурного градиента приводит к уменьшению диаметра кристалла и в конечном счете вызывает его отрыв от расплава. В противоположном случае чрезмерное увеличение площади фронта роста нарушает стабильность процесса и приводит к образованию поликристаллического агрегата. Определяющую роль при получении совершенных кристаллов играет форма фронта кристаллизации. При плоской границе раздела между твердой и жидкой фазой возникает минимальный радиальный температурный градиент, а тепловой поток направлен к растущему кристаллу снизу, т. е. изотермы располагаются перпендикулярно направлению роста, что благоприятствует формированию монокристалла с малым количеством дефектов.

Выращивание кристаллов начинается с подготовки исходной шихты: расчета ее состава, отжига, взвешивания и наплавления в тигель (чаще всего изготовленный из иридия) для максимального заполнения его объема, а также сборки по периферии тигля теплового узла из огнеупорного материала, обеспечивающего необходимое распределение температуры в расплаве и в зоне кристаллизации. Затем монтируется затравка на кристаллодержателе с таким расчетом, чтобы она оказалась на расстоянии 5—10 мм над ожидаемым зеркалом расплава, создается вакуум или соответствующая атмосфера в кристаллизационной камере. Содержимое тигля плавится, и расплав выдерживается при постоянной температуре 2—3 часа для его гомогенизации.

Ответственной процедурой является затравливание и формирование конуса кристаллической були, т. е. переход от затравки к заданному диаметру кристалла. Для этого после погружения вращающейся затравки в расплав на глубину 1—2 мм температура в зоне контакта постепенно понижается, что создает переохлаждение для начала кристаллизации. Затем кристаллодержатель поднимается с такой скоростью, при которой монокристалл равномерно разрастается в виде конуса до необходимого сечения були, обычно составляющего половину диаметра тигля с расплавом. Скорость вытягивания зависит от физико-химических характеристик кристаллизуемого вещества и диаметра монокристалла (були). В качестве достоинств этого метода необходимо отметить:

• 1) отсутствие контакта со стенками тигля, что позволяет получать ненапряженные кристаллы;
• 2) возможность извлечения кристалла на любом этапе выращивания;
• 3) возможность изменения геометрической формы кристалла при варьировании температуры расплава и скорости вытягивания.

Последнее используется для получения малодислокационных и бездислокационных кристаллов. К недостаткам этого метода можно отнести разогреваемый контейнер, что может является источником загрязнения расплава.

Для метода Чохральского, который является самым распространенным способом промышленной кристаллизации, создана система полной автоматизации процесса, управляемая компьютером. Она основана на точном и непрерывном взвешивании выращиваемого кристалла и (или) тигля с расплавом и оперирует плотностью расплава и кристалла, его диаметром, скоростью вытягивания.

Используя этот метод, можно вытягивать кристалл через так называемую фильеру. Она представляет собой поплавок-формообразователь на поверхности расплава и позволяет выращивать монокристаллы сложных геометрических конфигураций, включая пустотелые трубки, нити и т. д. Например, скорость вытягивания монокристаллических корундовых волокон диаметром 0,1 мм достигает 50 см/мин.