Metoda tragerii din topitura (Czochralsky-CZ)

Metoda tragerii din topitura (Czochralsky-CZ)

Metoda CZ este practic una din cele mai utilizate metode de obtinere a monocristalelor. Procedeul a fost folosit prima data in 1918 si a fost permanent perfectionat. Procesul de tragere CZ este aratat schematic in fig.3. Instalatia de tragere este formata, in principal din trei componente principale:

Fig.3. Instalatie de tragere din topitura; Metoda Czochralsky

- cuptorul care include un creuzet asezat pe un susceptor din grafit, un mecanism de rotatie, un element de incazire si o sursa de alimentare;

- mecanismul de tragere care include o mandrina pentru germene (samanta), o sursa de gaz (cum ar fi de exemplu argonul);

- procesul este controlat in intregime de un sistem electronic cu microprocesor care mentine parametrii de lucru (cum ar fi temperatura, diametrul lingoului tras, vitezele de rotatie ale mandrinei si creuzetului etc.) in limite optime pentru calitatea cristalului.

Initial, policristalul este topit in creuzet (4) cu ajutorul bobinelor de radiofrecventa (5). Instalatia este plasata intr-o 'camera de crestere' (nefigurata) in care presiunea este scazuta (pint ~ 10-5Torr) sau este umpluta cu gaz inert (argon) sau hidrogen.

In mandrina portgermene (1) se fixeaza un monocristal (germene) cu o anumita orientare. Acesta este coborat (odata cu mandrina) pana cand germenele atinge topitura. Din acest moment mandrina este trasa cu viteza constanta. Pe timpul tragerii mandrina se roteste simultan cu creuzetul dar in sensuri si cu turatii diferite in scopul uniformizarii temperaturii la interfata solid lichid (3). Cristalul cilindric obtinut prin tragere 'copiaza' modul de aranjare al atomilor germenului, diametrul acestuia depinzand de parametrii procesului. Un termocuplu (6) atasat la creuzet permite micsorarea puterii de incalzire pe masura tragerii (deoarece scade cantitatea de material topit si temperatura la interfata trebuie sa ramana constanta).

Metodele recente utilizeaza un control automat riguros al diametrului, regland dinamic, cu precizie parametrii procesului. Pentru Si (unul dintre cele mai utilizate materiale semiconductoare) apar probleme datorita reactivitatii ridicate a acestui material in stare topita, existand posibilitatea de a se contamina prin reactie cu creuzetul (din silice).

Astfel pot apare concentratii relativ importante de oxigen (in principal) care produc microdefecte de structura pe durata cresterii si a tratamentelor ulterioare; in plus exista pericolul contaminarii cu carbon (de la susceptorul de grafit al creuzetului si de la elementele de incalzire).

In cazul compusilor intermetalici unul din componenti poate fi mai volatil si astfel, nepastrandu-se proportia intre atomii din topitura cristalul va avea defecte de structura. Pentru a evita aceste neajunsuri se folosesc variante modificate ale procesului de tragere.