Processus de mise en forme dans la croissance cristalline - Shaping processes in crystal growth
Les processus de mise en forme dans la croissance cristalline sont un ensemble de techniques pour faire croître des cristaux en vrac d'une forme définie à partir d'une masse fondue, généralement en contraignant la forme du ménisque liquide au moyen d'un façonneur mécanique. Les cristaux sont généralement cultivés sous forme de fibres, de cylindres solides, de cylindres creux (ou tubes) et de feuilles (ou plaques). Des formes plus complexes telles que des tubes de section transversale complexe et des dômes ont également été produites. L'utilisation d'un processus de mise en forme peut produire un cristal de forme presque nette et réduire le coût de fabrication de cristaux qui sont composés de matériaux très coûteux ou difficiles à usiner.
Liste des processus de mise en forme
- Croissance pelliculée définie par les bords (EFG)
- Croissance horizontale du ruban (HRG)
- Micro-pulling-down (µ-PD)
- Technique de Stepanov
- Ruban de ficelle
Croissance pelliculée définie par les bords
La croissance pelliculée définie par les bords ou EFG a été développée pour la croissance du saphir à la fin des années 1960 par Harold LaBelle et A. Mlavsky chez Tyco Industries. Un façonneur (également appelé matrice) ayant des dimensions approximativement égales au cristal à faire croître repose au-dessus de la surface de la masse fondue qui est contenue dans un creuset . L'action capillaire alimente le matériau liquide dans une fente au centre du façonneur. Lorsqu'un cristal germe est mis en contact avec le film liquide et soulevé vers le haut, un cristal unique se forme à l' interface entre le germe solide et le film liquide. En continuant à tirer la graine vers le haut, le cristal se dilate au fur et à mesure qu'un film liquide se forme entre le cristal et la surface supérieure du shaper. Lorsque le film atteint les bords du shaper, la forme finale du cristal correspond à celle du shaper.
Les dimensions exactes du cristal s'écarteront des dimensions du shaper parce que chaque matériau a un angle de croissance caractéristique , l'angle formé à la triple interface entre le cristal solide, le film liquide et l'atmosphère. En raison de l'angle de croissance, faire varier la hauteur du ménisque (c'est-à-dire l'épaisseur du film liquide) changera les dimensions du cristal. La hauteur du ménisque est affectée par la vitesse de traction et la vitesse de cristallisation. La vitesse de cristallisation dépend du gradient de température au-dessus du shaper, qui est déterminé par la configuration de la zone chaude du four de croissance cristalline , et de la puissance appliquée aux éléments chauffants pendant la croissance. La différence de coefficients de dilatation thermique entre le matériau de mise en forme et le matériau de cristal peut également entraîner des différences de taille appréciables entre le façonneur et le cristal à température ambiante pour les cristaux développés à des températures élevées.
Le matériau de mise en forme doit être non réactif à la fois avec l'atmosphère de fusion et de croissance, et doit être mouillé par la fusion.
Il est possible de faire croître plusieurs cristaux à partir d'un même creuset en utilisant la technique EFG, par exemple en faisant croître de nombreuses feuilles parallèles.
Applications
Saphir : EFG est utilisé pour faire pousser de grandes plaques de saphir , principalement pour une utilisation comme fenêtres infrarouges robustes pour la défense et d'autres applications. Des fenêtres d'environ 7 mm d'épaisseur x 300 mm de largeur x 500 mm de longueur sont produites. Le shaper est généralement fabriqué à partir de molybdène .
Silicium: EFG a été utilisé dans les années 2000 par Schott Solar pour produire des feuilles de silicium pour panneaux solaires photovoltaïques , en tirant un octogone à paroi mince (~ 250-300 μm) avec des faces de 12,5 cm de côté et un diamètre d'environ 38 cm, environ 5– 6 m de long. Le shaper est généralement en graphite .
Autres oxydes : De nombreux oxydes à point de fusion élevé ont été cultivés par EFG, parmi lesquels Ga 2 O 3 , LiNbO 3 et Nd 3+ : (Lu x Gd 1 − x ) 3 Ga 5 O 12 (Nd: LGGG). Un shaper iridium est souvent utilisé.
Croissance horizontale du ruban
La croissance horizontale du ruban ou HRG est une méthode développée pour le silicium par laquelle une mince feuille cristalline est tirée horizontalement du haut d'un creuset. Le niveau de fusion doit être constamment renouvelé afin de maintenir la surface de la masse fondue à la même hauteur que le bord du creuset à partir duquel la feuille est tirée. En soufflant un gaz de refroidissement à la surface de la feuille en croissance, des taux de croissance très élevés (> 400 mm / min) peuvent être obtenus. Le procédé repose sur le cristal solide flottant à la surface de la masse fondue, ce qui fonctionne car le silicium solide est moins dense que le silicium liquide.
Micro-tirant vers le bas
La technique de micro-pulling-down ou µ-PD utilise une petite ouverture ronde dans le fond du creuset pour tirer une fibre cristalline vers le bas. Des centaines de matériaux cristallins différents ont été cultivés par cette technique.
Une variante appelée croissance de goutte pendante ou PDG utilise une fente dans le fond du creuset pour produire des feuilles cristallines d'une manière similaire.
Technique de Stepanov
La technique Stepanov a été développée par AV Stepanov en Union soviétique après 1950. La méthode consiste à tirer un cristal verticalement à travers un shaper situé à la surface de la fonte. Le shaper n'est pas forcément alimenté par un canal capillaire comme dans EFG. Le matériau de façonnage peut être mouillé ou non mouillé par la masse fondue, contrairement à l'EFG où le matériau de façonnage est mouillé. La technique a été utilisée pour faire croître des cristaux de métal, de semi-conducteur et d'oxyde.
La croissance de Czochralski à l'aide d'un shaper flottant connu sous le nom de "coracle" a été réalisée pour certains semi-conducteurs III-V avant le développement de systèmes de contrôle avancés pour le contrôle du diamètre.
Ruban de ficelle
La méthode du ruban à cordes , également connue sous le nom de nappe dendritique ou de traction sur bords , a été utilisée pour faire croître des feuilles semi-conductrices comprenant de l'antimoniure d'indium , de l'arséniure de gallium , du germanium et du silicium. Un germe cristallin dont la largeur et l'épaisseur correspondent à la feuille à cultiver est plongé dans la surface supérieure de la masse fondue. Des cordes d'un matériau approprié sont fixées aux bords verticaux de la graine et s'étendent vers le bas à travers des trous dans le fond du creuset jusqu'à une bobine. Au fur et à mesure que la graine est soulevée, la ficelle est continuellement alimentée à travers la fonte et un film liquide se forme entre la graine, les ficelles et la fonte. Le film cristallise jusqu'à la graine, formant une feuille ou un ruban.