1.3 Особенности роста мультикристаллического кремния

В целом процесс роста кристалла можно разделить на две фазы: образование зародышей твёрдой фазы и рост кристалла, то есть увеличение его массы. При выращивании слитков мультикремния образование зародышей происходит гомогенно, то есть зародыш образуется в расплаве. Образование зародышей сопровождается возникновением фазовой границы. При кристаллизации выделяющаяся теплота должна эффективно отводиться, иначе кристаллическая фаза не образуется. Поскольку в предкристаллизационный период в расплаве образуются флуктации плотности (зародыши новой фазы), выделяющаяся теплота будет разрушать их, не давая образоваться гомогенной флуктации плотности. Иначе говоря, для образования зародыша необходимо некоторое переохлаждение, которое скомпенсирует выделение тепла.

Скорость роста кристалла определяться скоростью образования зародышей кристалла и скорость отвода тепла от фронта кристаллизации. Существенное влияние оказывает фронт кристаллизации на формирование кристалла из расплава. Фронт кристаллизации может иметь вогнутую, если тепло отводится с периферийной части кристалла. Но предпочтителен выпуклый фронт кристаллизации, так как в этом случае увеличивается исчезновения в процессе роста побочных центров кристаллизации.

В любом расплаве присутствуют примеси, а реальные процессы кристаллизации всегда связаны с большими скоростями роста так, что равновесие между расплавом и растущим кристаллом не успевают устанавливаться, то есть оттесняемая от фронта кристаллизация примесь не успевает равномерно распределиться по расплаву и накапливается перед фронтом кристаллизации. Концентрация у растущей поверхности превышает концентрацию в объеме расплава. При достижении концентрации примеси критического значения происходит ее захват фронтом кристаллизации. Данное явление носит название концентрационного переохлаждения и является основной проблемой, не позволяющей вести процесс кристаллизации мультикремния из сырья металлургического сорта с высокой скоростью. Данное явление происходит при недостаточно крутом градиенте в экспериментальной установке и приводит к переохлаждению расплава в близи фронта кристаллизации, так как температура плавления слоя оказывается выше фактического распределения температур. В переохлаждённой жидкости могут спонтанно возникнуть новые центры кристаллизации. Во избежание этого нужно создавать как можно крутой градиент температуры [3].

2.

2.1 Растворы с ограниченной и неограниченной растворимостью

Твердые растворы. Признаком образования твердого раствора служит сохранение типа решетки растворителя, но с иными размерами элементарной ячейки. Концентрация растворимого вещества может быть различной, поэтому в общем случае раствор — фаза переменного состава. Твердый раствор — это фаза переменного состава с кристаллической решеткой растворителя. Компоненты могут образовывать растворы неограниченной и ограниченной растворимости с разной степенью этого ограничения и разной температурной зависимостью предела насыщения раствора (предела растворимости). На основе растворителя — химического элемента — возможны два типа твердых растворов: - растворы замещения: атомы растворенного элемента занимают позиции атомов растворителя в узлах его решетки, т. е. замещают их; - растворы внедрения: атомы растворенного элемента занимают межузельные позиции (междоузлия) в решетке растворителя; в этом случае растворимые атомы должны быть, как правило, меньше атомов растворителя и соизмеримы или меньше размеров междоузлий (в полупроводниках часто встречаются случаи, когда растворенный элемент занимает частично позиции замещения и частично позиции внедрения, т. е. имеет место суперпозиция двух типов твердых растворов). Неограниченная растворимость возможна только в случае растворов замещения. Как правило, в этом случае атомы растворенного вещества участвуют в формировании связей того же типа, который реализован в веществе-растворителе. В случае твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества образуют связи иного типа. Если твердый раствор образуется на основе соединения, то наряду с указанными двумя типами твердых растворов возможно формирование третьего типа твердого раствора — раствора вычитания. В этом случае один из элементов, образующих соединение, присутствует в количестве, превышающем формульное соотношение (как бы растворен в соединении стехиометрического состава), причем занимает в своей подрешетке соединения присущие ему позиции, а соответствующая часть позиций в подрешетке другого (других) элемента(ов), концентрация которого меньше стехиометрического состава, остается незанятой (вакантной), т. е. в этой подрешетке возникают вакансии.[4]