Монокристаллов выращивание

МОНОКРИСТАЛЛОВ ВЫРАЩИВАНИЕ, проводят разл. методами, обеспечивающими получение индивидуальных кристаллов заданного размера, формы и дефектности. При М. в. заранее полученные мелкие кристаллы (затравку) помещают в пересыщ. среду (пар, р-р, расплав, твердое в-во) и выдерживают там до укрупнения затравки. Пересыщение и т-ру среды поддерживают такими, чтобы затравка росла со скоростью 10^-7- 10^-1 мм/с без спонтанного образования центров кристаллизации с сохранением морфологич. устойчивости (см. Кристаллизация). Монокристалличность выросших кристаллов проверяют методом рентгеноструктур-ного анализа. Иногда в качестве затравки используют кристаллы, образовавшиеся в пересыщ. среде в начале выдержки (самозатравка). Из пара проводят М. в. в-в, летучих или образующих летучие соед. при т-ре кристаллизации, а также продуктов их взаимод. или термич. разложения, из р-ра -- хорошо растворимых в-в и продуктов их взаимод., из расплава - конгруэнтно плавящихся в-в, из твердой фазы-тугоплавких и коррозионноактивных в-в.

Выращивание из пара. Исходное поликристаллич. или аморфное в-во помещают в источник пара (питатель) и нагревают до испарения. Пары в-ва из источника диффундируют или переносятся с потоком газа-носителя в зону, где находится затравка, охлажденная относительно источника (м е т о д д е с у б л и м а ц и и). В качестве источника используют также в-ва, при разложении к-рых на затравке образуется кристаллизующееся в-во. Затравку при этом нагревают до т-ры. при к-рой разложение исходного в-ва происходит с достаточной скоростью (м е т о д в а н А р к е л а и д е Б у р а). Иногда в пар вводят реагенты, к-рые взаимод. на пов-сти затравки с образованием кристаллизующегося в-ва (м е т о д х и м. к р и с т а л л и з а ц и и, см. Химическое осаждение из газовой фазы). Если в-во является нелетучим, но образует летучие термически неустойчивые соед. с к.-л. другим в-вом (транспортирующим реагентом), то М. в. проводят методом х и м. т р а н с п о р т а. При этом источник и затравку помещают в пары транспортирующего реагента, а затравку нагревают относительно источника; в результате в источнике образуется летучее соед., к-рое переносится к затравке, где разлагается с регенерацией транспортирующего реагента (см. Химические транспортные реакции). Монокристал-лич. пленки (напр., Ge) получают конденсацией мол. пучков на пов-сти затравки (м е т о д В е к ш и н с к о г о).

Нитевидные кристаллы ("усы") выращивают т. наз. ПЖК-м е т о д о м. При этом на пов-сть затравочного кристалла перед его контактом с паром (П) наносят капли жидкости (Ж), хорошо растворяющей кристаллизующееся в-во и не растекающейся по кристаллу (К). Каждая капля поглощает в-во из пара, становится пересыщенной и обеспечивает рост той части кристалла, к-рая смочена ею; если рост из капли идет быстрее, чем из пара, то под каплей вырастает нитевидный кристалл, сечение к-рого близко к диаметру капли. ПЖК-методом получают, напр., кристаллы Si, Ge (р-ритель-расплав Аu) и SiC (р-ритель-расплав Аl) размером 1 х 200 мкм; методом хим. транспорта-соед. типа A^IIIB^V размером до 5 см (транспортирующие реагенты-I₂, Сl₂, летучие хлориды); методом хим. кристаллизации-SiC и TiBr₂ размером до 0,5 см с малым кол-вом дефектов; методом ван Аркела и де Бура - кристаллы особо чистых тугоплавких металлов (Cd, Zn, Co); методом десублимации - металлов (W, Та, Nb), неорг. солей (LiF, MgF₂, СuСl₂) и орг. в-в (антрацена и уротропина) разного размера.

Выращивание из расплава. Контейнер с расплавом и затравкой охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее пов-сти было невелико и затравка росла без дендритообразования или появления "паразитных" кристаллов. Этого достигают разными способами: меняя т-ру нагревателя (м е т о д С т р о н-г а-Ш т е б е р а), перемещая нагреватель относительно контейнера (м е т о д Б р и д ж м е н а-С т о к б а р г е р а), размещая затравку на неподвижном охлаждаемом стержне (м е т о д Н а к к е н а), вытягивая затравку из расплава по мере роста кристалла без вращения (м е т о д К и р о п у л о с а) или с вращением (м е т о д Ч о х р а л ь с к о г о). Затравке или щели, из к-рой вытягивают кристалл, иногда придают спец. форму, выращивая кристаллы разного профиля (м е т о д С т е п ан о в а). Особенно широко распространен метод Чохральского, при к-ром затравку закрепляют на охлаждаемом стержне, опускают в расплав, а затем вытягивают из расплава при непрерывном вращении стержня. Метод используют для пром. получения металлич. и полупроводниковых кристаллов размером 1-50 см с регулированием их качества (дефектности) путем изменения скоростей вращения и вытягивания затравки. Иногда, не вводя затравки, контейнер локально охлаждают, напр. потоком воздуха, добиваясь образования самозатравки на наиб. холодном месте и ее направленного роста (м е т о д О б р е и м о в а-Ш у б н и к о в а).

При получении сверхчистых монокристаллов затравку вытягивают из расплавленной части слитка кристаллизующегося в-ва, а нерасплавленная часть слитка играет роль контейнера (б е с т и г е л ь н ы й м е т о д). В м е т о д е з о н н о й п л а в к и контейнер нагревают так, что формируется узкая зона расплава у пов-сти затравки.

В широко распространенном м е т о д е В е р н е й л я порошок кристаллизующегося в-ва высыпают из бункера на пов-сть затравки, помещенной под пламенем горелки или газового разряда; проходя через пламя, частицы порошка плавятся и в виде капель достигают пов-сти затравки, где закристаллизовываются.

Методы Стронга - Штёбера и Наккена чаще всего используют для выращивания крупногабаритных кристаллов легкоплавких орг. в-в (нафталина размером 20-50 см, бифта-лата калия размером 1-20 см); методы Бриджмена-Стокбаргера и Киропулоса - кристаллов неорг. солей (NaCl и КСl размером 20-90 см); методы Чохральского и зонной плавки - кристаллов металлов и полупроводников (Ge, Si, GdAs, ZnAs размером 1-50 см); метод Степанова-металлич. кристаллов сложной формы (труб из Аl и лопаток турбин размером до 1 м); метод Вернейля - тугоплавких оксидов и солей, легированных примесями (корунда и рубина в виде стержней длиной до 3 м).

Выращивание из жидкого раствора. Методы применяют для в-в, хорошо р-римых при т-ре выращивания. Затравку закрепляют на неподвижном или вращающемся кристал-лоносце и помещают в насыщ. р-р, после чего р-р охлаждают, испаряют р-ритель или добавляют высаливающий агент (см. Высаливаниe). Иногда р-р подпитывают кристаллизующимся в-вом, для чего организуют циркуляцию р-ра между нагретой зоной растворения, где находятся подпитывающие кристаллы, и холодной зоной роста, где расположена затравка (м е т о д т е м п е р а т у р н о г о п е р е п а д а).

Если р-рителем является вода и р-римость кристаллизующегося в-ва мала при обычных условиях, но возрастает с увеличением т-ры, то М. в. ведут в автоклавах при т-ре до 800 К и давлении до 300 МПа (м е т о д г и д р о т е р м а л ь н о г о с и н т е з а) (см. Гидротермальные процессы). Для малорастворимых в-в используют метод хим. кристаллизации, при к-рой в суспензию затравочных кристаллов в р-рителе добавляют р-ры реагентов, разбавленных настолько, чтобы после их смешивания не происходило спонтанного зародышеобразо-вания. Чтобы вырастить крупные кристаллы малорастворимых в-в, используют метод встречной диффузии. В этом методе затравку помещают в трубку с гелем, а р-ры реагентов вводят в разные концы трубки; реагенты медленно диффундируют в геле, создавая вокруг затравки небольшое устойчивое пересыщение. Используют также электролиз с образованием монокристаллов на электродах.

Методы охлаждения водных р-ров, испарения р-рителя и температурного перепада используют для выращивания кристаллов сегнетовой соли размером 30-80 см и КН₂РО₄ размером 30-60 см, применяемых для пьезоэлементов; методом высаливания выращивают кристаллы белков и нуклеиновых к-т; методом хим. кристаллизации-микрокристаллы Agl размером 0,1-10 мкм для фотоэмульсий; методом гидротермального синтеза - кристаллы кварца и сапфира размером до 50 см для приборостроения и ювелирной пром-сти; методом охлаждения р-ра в расплаве металла-кристаллы GaP размером до 1 см для электролюминесцентных датчиков; охлаждения р-ра в расплаве солей-иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ размером до 2 см для твердотельных лазеров.

При выращивании из твердой фазы поликристаллич. образец нагревают чуть ниже т-ры плавления, вызывая собирательную рекристаллизацию и укрупнение одного из кристаллов (самозатравки) за счет поглощения др. кристаллов. В методе деформац. отжига (часто после предварит. деформирования) образец перемещают в температурном поле, добиваясь, чтобы в образце сформировалась узкая высокотемпературная зона, двигающаяся от самозатравки вдоль образца, последовательно превращая его в монокристалл. Если в-во подвержено полиморфным превращ., то м е т о д о м А н д р а д е получают монокристаллы низкотемпературной модификации. При этом движущуюся зону поддерживают при т-ре несколько выше т-ры превращ., а скорость перемещения делают соизмеримой со скоростью превращ.; в результате в-во, попав в зону, переходит в высокотемпературную модификацию, а выйдя из зоны, возвращается к исходной низкотемпературной модификации, но уже в монокристаллич. форме. Если превращ. происходит слишком медленно, то образец длительно выдерживают значительно выше т-ры превращ., а иногда поочередно выше и ниже этой т-ры (м е т о д т е р м о - ц и к л и р о в а н и я).

Методом деформац. отжига получают, напр., кристаллы Мо и сплава Ti—Mo размером до 1-3 см (растяжение на 1-3%, отжиг при 1300-2300 К неск. часов); методом Андраде-кристаллы Аl в виде листов и стержней длиной до 1 м (обработка при 650-950 К, скорость перемещения 10^-2 мм/с); методом полиморфных превращ.-кристаллы алмаза и BN размером 0,1-0,5 см (т-ра 1600-2000 К, давление до 8 ГПа); методом термоциклирования - a-Zr сантиметровых размеров (обработка при 1110-1500 К в течение 10 сут).

Методы М. в. позволяют получать кристаллы разнообразной чистоты и дефектности при скоростях роста до 10^-3 мм/с (из пара или р-ра) и до 10^-1 мм/с (из расплава или твердой фазы). В лабораториях выращивают монокристаллы более 200 тыс. в-в, а в пром-сти-более 20 тыс.

Лит.: Лодиз Р., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1974; Рост кристаллов, под ред. К. Гудмана, пер. с англ., т. 1-2, М., 1977-80; Козлова О. Г., Рост и морфология кристаллов, 3 изд., М., 1980.

И. В. Мелихов.