Creșterea Monocristalelor

1. Introducere

În natură, materia există sub patru stări de agregare: cristalină, lichidă (amorfă), gazoasă şi plasmă. Principala proprietate a stării cristaline, care o deosebeşte de celelalte stări, este distribuţia periodică a atomilor în spaţiu – ordinea la distanţă (ordinea internă). Această proprietate conduce în cele mai multe cazuri la o formă exterioară perfectă. Perfecţiunea formei exterioare a cristalelor este determinată de valori constante ale unghiurilor dintre feţele corespunzătoare. La sinteza cristalului, feţele se deplasează paralel la ele însăşi, indiferent de viteza de creştere, care poate fi diferită. In condiţii nefavorabile de sinteză, cristalele unei şi aceleiaşi substanţe pot avea formă exterioară destul de diversă, păstrându-şi structura interioară şi proprietăţile esențiale.

Starea cristalină este o stare termodinamică echilibrată a corpului solid. Fiecărei faze solide a unei compoziţii chimice fixe, pentru condiţii termodinamice date, îi va corespunde o structură cristalină determinată. Astfel că, cristalele vor căpăta o serie de proprietăţi macroscopice după care vor fi deosebite de substanţele amorfe. Cristalele masive separate sunt cunoscute sub denumirea de monocristale.

Starea monocristalină este caracterizată prin aceea că toate particulele au aceeași ordonare pe cele trei direcții spațiale, putând exista în mod natural ori fiind creată artificial.

Tehnologia de creștere monocristalină și cea epitaxială au fost realizate încă de la începutul secolului 20. Pe de altă parte, progresele rapide în domeniul microelectronic, în comunicații, în medicina instrumentală, în energie și tehnologie spațială, au fost posibile după evoluția remarcabilă realizată de la fabricarea cristalelor perfecte și a straturilor epitaxiale de diametre mari.

Creșterea cristalelor este un subiect interdisciplinar, acoperind fizica, chimia, stiința materialelor, ingineria chimică, metalurgia, cristalografia, mineralogia etc. Matricile atomice care se alfă periodic în trei dimensiuni, având distanțe ce se repetă sunt numite după cum am precizat, monocristale. Este clar mai dificil de preparat un monocristal decât un material policristalin, iar efortul este justificat din cauza avantajelor monocristalului. Motivul pentru care se cresc monocristalele este că multe proprietăți fizice ale solidelor sunt ascunse sau complicate datorită efectului limitelor granulelor. Avantajele principale sunt anizotropia, uniformitatea compoziției și absența limitelor dintre granulele individuale, care sunt prezente inevitabil în materialele policristaline.

Influența puternică a monocristalului în tehnologiile curente este evidentă datorită avansărilor menționate mai sus. Mai mult, pentru a putea obține performanțe mari ale dispozitivelor, sunt necesare monocristale de o calitate foarte bună. Creșterea și caracterizarea lor față de fabricarea dispozitivelor au asumat un mare impuls datorită importanței lor atât în domeniul academic, cât și în cercetare [1].

2. Obținerea monocristalelor

Creșterea monocristalină variază de la o tehnică mică necostisitoare la un proces complex sofisticat, iar timpul de cristalizare variază de la minute la ore, zile sau luni. Monocristalele pot fi obținute prin transportul constituenților cristalini în fază solidă, lichidă sau gazoasă. Pe baza acestora, creșterea cristalină poate fi clasificată în trei categorii:

• creștere în stare solidă – transformarea fazică solid-solid;

• creștere în stare lichidă – transformarea fazică lichid-solid;

• creștere în stare de vapori – transformarea fazică vapori-solid.

Pe baza transformărilor fazice ale procesului, tehnicile de creștere mai pot fi clasificate ca: creștere din solid, vapori, topitură sau soluție.

Un proces eficient este acela în care se produc la un cost minim monocristale corespunzătoare utilizării lor. Buna alegere a metodei de creștere este esențială deoarece aceasta sugerează posibilele impurități și alte defecte de concentrație. Alegerea metodei depinde și de caracteristicile materialului.

În categoriile menționate mai sus, creșterea din starea lichidă include atât pe cea din topitură cât și pe cea din soluție [3].

2.1. Metoda cu flacără de fuziune

Materialele prime sunt adăugate prin camera de sus a cuptorului. În interiorul camerei sunt suflate gaze de oxigen și hidrogen care vor facilita combustia și unde va fi atinsă o temperatură ridicată mai mare de 2000°C. Această metodă poate oferii o creștere rapidă a monocristalelor, însă calitatea celor produse este limitată din cauza distribuției iregulate a temperaturii și a vitezei de răcire.