Метод Чохральского. 
Расчет распределения примесей в бинарных системах полупроводник-примесь при кристаллизационой очистке

Чохральский предложил метод особенно пригодный для выращивания металлических монокристаллов. Расплав втягивается в капиллярную трубку, где обычно кристаллизуется в виде монокристалла, который и служит затравкой для последующего вытягивания (Рисунок 1). Для предотвращения разрыва образующегося кристалла, его вес должен находиться в соответствии с капиллярной силой.

Рисунок 1. Приготовление затравки с помощью капиллярной трубки.

Скорость вытягивания монокристалла из расплава должна быть равна скорости кристаллизации. Отставание скорости подъема может привести к поликристаллическому росту, опережение — к уменьшению диаметра образца (в предельных случаях — к разрыву). Отсюда нетрудно понять необходимость равномерного вытягивания монокристалла из расплава. При изменении скорости вытягивания происходят изменения в диаметрах образца, что приводит к большим температурным напряжениям, особенно на границе раздела. Одновременно изменяется коэффициент распределения примеси, т. е. монокристалл становится «зональным» в отношении легирующей его примеси. К аналогичным результатам приводят колебания температур кристаллизации.

Равномерность вытягивания монокристалла и стабильность температуры кристаллизации — важнейшие условия выращивания совершенных монокристаллов методом Чохральского. Желательная стабильность скорости вытягивания должна составлять ± 1%, допустимые колебания температур — не больше ± 0, 5°.

Скорость роста (скорость вытягивания) зависит от величины температурного градиента у фронта кристаллизации. Чем больше градиент, тем больше допустимая скорость роста. Оптимальные условия процесса роста обычно устанавливаются экспериментально. Чаще всего скорость роста не выходит из пределов 0, 1 — 4 см/час. Однако необходимо заметить, что совершенство кристаллов тем выше, чем меньше их скорость роста. Колебания температуры устраняются точным регулированием степени нагрева, либо обеспечением хорошей тепловой изоляции. Температурный перепад и форму фронта кристаллизации можно регулировать посредством вспомогательных нагревателей или путем охлаждения либо самой затравки, либо ее держателя (холодильника). Последний охлаждают водой или холодным газом. В аппаратуре, используемой в местах вытягивания монокристалла, предусматривается устранение механических колебаний. При таких колебаниях кристалл растет неправильно, с дефектами.

Механические колебания, т. е. неравномерность скорости вращения и вытягивания, можно устранить, тщательно регулируя механическую систему. Особенно важно, чтобы приводные механизмы для вытягивания и вращения были достаточно мощными и смогли преодолевать трение в кольцевом уплотнении. При нагревании держателя, а также при конденсации пара на нем трение возрастает. Установке необходимо придать такое положение, которое бы исключало возможность ее вибрации.

В методе Чохральского поддерживают плоский фронт кристаллизации. Это ослабляет механические напряжения при охлаждении и позволяет избежать деформации монокристаллов в пластическом состоянии. Кроме того, плоский фронт кристаллизации обеспечивает равномерное распределение легирующей примеси в объеме кристалла.

Особое внимание уделяется качеству затравки. Чем оно выше, тем совершеннее выращиваемый на ней монокристалл. Примером того, как выращиваемые кристаллы наследуют дефекты затравки, может служить кристаллизация двойниковых дендритных лент и нитей германия. Затравкой такой кристаллизации из метастабильного расплава служит полисинтетический двойник; по меньшей мере, тройник. Входящие углы тройника становятся предпочтительными местами приложения частиц, благодаря чему дендриты растут с большой скоростью (10 см/мин) при переохлаждении на 5−10° С. Хрупкий германий в форме ленты шириной 3−5 мм и толщиной 100- 300 мк становится гибким. Поверхность ленты, совпадающая с гранью (111), совершеннее по сравнению с обработанной. Лучшая механическая полировка дает величину обработанного слоя в 1 мк.

Германиевая дендритная нить диаметром 25 мк представляет собой тот же тройник округлой формы. В условиях быстрого вытягивания из менее переохлажденного расплава германия образец не успевает приобрести огранку. За последние годы разработка и конструирование установок для выращивания монокристаллов из расплава методом Чохральского достигли большой степени совершенства. Используются печи либо с непосредственным, либо с индукционным нагревом. Это малоинерционные печи, позволяющие вести гибкое управление температурой. Материалом рабочей камеры служит нержавеющая сталь. Внутренняя поверхность сосуда, содержащего расплав, по чистоте не должна уступать выращиваемому кристаллу. Так, для монокристаллов кремния материалом тигля служит кварц, как единственно чистый материал (10−8% чистоты). Разработан вариант бестигельного процесса кристаллизации кремния, где источником нагрева является электронный луч. При выращивании кристаллов методом Чохральского желательны либо вакуум, либо инертная атмосфера. В случае, когда расплав обладает особенно высокой упругостью пара, используется инертный газ, давление которого должно превышать 1 атм. Однако для нестабильных систем этот прием малоприменим. Многие окислы, сульфиды и особенно селениды начинают возгоняться уже задолго до расплавления. Растущий спрос на совершенные монокристаллы, особенно полупроводниковые, делает необходимой полную автоматизацию аппаратуры для их выращивания. На рисунке 2 показана схема одной современной установки. Весь процесс, включая отбор при разращивании затравки и последующий рост, можно запрограммировать.

Рисунок 2. Нагреватель вместе с вытянутым кристаллом.