3.1.4. Измерения константы испарения расплава диоксида теллура

Как показано во второй главе, для точного расчета истинной вертикальной скорости роста кристаллов, получаемых способом Чохральского, необходимо 87

значение константы испарені^расплава соответствующего вещества.

где давление P выражено в атмосферах, температура T находится в интервале 1006 К (точка плавления) - 1211 К (точка кипения). В [119] приведены данные использованы в [120, 121] при изучении процессов зарождения в расплаве диоксида теллура газовых пузырьков и условий их захвата кристаллами парателлурита при выращивании способом Чохральского. Дополнительно в [24] указаны измеренные в этой работе степень черноты кристалла парателлурита S_tb = 0,7 при температурах, близких к температуре плавления, а также степень черноты расплава диоксида теллура £_ж= 0,2.

В связи с отсутствием в литературе значений константы испарений, эта величина была измерена в настоящей работе. Измерения проводились по результатам взвешивания кристалла и тигля с диоксидом теллура до и после выращивания кристалла парателлурита способом Чохральского. До начала процесса расплавления взвешивался платиновый тигель вместе с загруженной шихтой - порошкообразной двуокисью теллура TeO₂и остатками закристаллизовавшегося при завершении предыдущего ростового процесса вещества. После расплавления шихты, выращивания нового кристалла, его отрыва от расплава и полного охлаждения раздельно взвешивались полученный монокристалл парателлурита и тигель с оставшимся веществом.

где R_τ- радиус тигля, R - радиус кристалла. Поскольку радиус кристалла R изменялся в процессе вытягивания, производился специальный расчет эффективного радиуса R*.Для этого выращенный кристалл фотографировался, файл с его цифровым изображением загружался в компьютер, с помощью которого определялась зависимость R(h), где h - высота кристалла. Эта высота разбивалась на 100 равных частей ∆h = IVlOO (примерно равных, в зависимости от h, 0,4-1,0 мм), для каждой из которых, после измерения радиусов кристалла R_nи R_n+1, соответствующих левому и правому границам интервала ∆h_n+1 (h₀ = 0, h₁ = h∕100.... h_n+1 = h_n + h∕100), рассчитывалась величина R*.

Учитывая, что оптимальные объемы кристалла пропорциональны квадратам радиусов элементарных цилиндров, эффективный средний радиус /?* будет равен среднеквадратичному значению радиусов:

В опытах были использованы цилиндрические платиновые тигли радиусами 37,5мм и 50мм. Один из таких тиглей представлен на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15- Платиновый тигель диаметром 100 мм после вытягивания кристалла парателурита массой 880 г

Выращенные при этом кристаллы имели массу от 600 г до 1400 г. Поскольку константа испарения зависит не только от вещества, температуры и давления газа над расплавом, но и от динамики газовых потоков вблизи поверхности жидкой фазы, вычисленное в нашем случае значению жет отличаться в условиях получения кристаллов на различных ростовых установках.

Таким образом, константа испарения расплава диоксида тегфура типичных условиях выращивания монокристаллов парателлурита при нормальном давлении способом Чохральского в воздушной атмосфере равна l,l∙10^-2r∙4ac^-1∙CM^-2. Она на 2-3 порядка выше, чем для расплавов полупроводников и большинства расплавов диэлектриков, в том числе, и оксидов. Вследствие высокого давления насыщенного пара диоксида теллура, 90

константа испарения его расплава настолько высока, что понижение уровня жидкой фазы в тигле необходимо учитывать при определении оптимального режима управления скоростью вытягивания при получении кристаллов парателлурита.

При выращивании кристаллов германия в вакуумированных камерах способом Чохральского испарение расплава чрезвычайно мало. В процессе получения германиевой були массой 5-6 кг за время 15-20 часов испаряется не более 1 г расплава. Если учесть, что скорости вертикального роста кристаллов германия на два-три порядка больше, чем для кристаллов парателлурита (мм/мин и десятые доли мм/час соответственно), то очевидно, что при исследованиях кинетики роста германия способом Чохральского испарением расплава можно пренебречь. В тех же случаях, когда расплав вещества испаряется со свободной поверхности в тигле достаточно интенсивно, как, например, расплав диоксида теллура, процесс испарения является фактором, дополнительно повышающим устойчивость постоянства радиуса вытягиваемого кристалла, что было ранее показано в параграфе 2.1 настоящей работы.

3.2. Выращивание кристаллов германия способом Чохральского

3.2.1. Ростовые параметры

Способы повышения структурного качества кристаллов германия достаточно хорошо известны. Помимо очевидной необходимости применения как можно более чистого исходного сырья и принятия мер по предотвращению существенного загрязнения расплава в тигле (или контейнере) в процессе роста, они заключаются в применении оптимальных (для заданных геометрии и свойств кристаллов) условий роста [10-15]. В свою очередь, условия роста сводятся, по сути, к правильному выбору четырех управляющих параметров: скорости вытягивания V_b,скорости вращения кристалла®, скорости вращения тигля Ω (с учетом направления вращения кристалла и тигля), а также скорости

понижения электрической мощности dP∕dt нагревательным узлом. Все остальное определяется конструкцией и материалами нагревательного узла, защитных экранов и ростовой камеры, которые, в отличие от первых четырех параметров, остаются неизмененными на протяжении ростового процесса. Несмотря на то, что выращиванию кристаллов германия из расплава всеми известными методами посвящено большое количество публикаций [2—6, 16- 21], проблема оптимизации условий роста до сих пор остается актуальной [4, 5, 22, 23].

существенного снижения плотности дислокаций в германии по аналогии с бездислокационным кремнием, выращивание которого в промышленных масштабах стало обычной практикой в последние десятилетия [24]. Действительно, плотность дислокаций является наиболее надежной характеристикой структурного совершенства кристаллов и, следовательно, показателем однородности по объему большинства физических свойств материала.

В настоящее время удается получать наиболее совершенные кристаллы оптического германия с рекордно малой плотностью дислокаций -IO²• и см'², где и - число из интервала 2-5, однако обычные значения плотности дислокаций в германии достаточно высокого качества имеют порядок IO⁴см'² [6]. И при заданной чистоте исходного сырья максимально эффективным способом снижения плотности дислокаций в кристаллах является использование оптимальных соотношений между ростовыми параметрами, перечисленными выше: V_b, ω, Ω, dP∕dt. При этом важнейшим фактором остается конструкция теплового узла, обеспечивающая оптимальные начальные T(x,y,z,t₀) и изменяющееся во времени Т(х, у, z, t) температурные ПОЛЯ в ростовой системе.

Таким образом, для изучения и управляемого изменения кинетики кристаллизации германия в методе Чохральского потребовалось проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований, связанных с

оптимизацией условий роста этих кристаллов. Изначальными условиями роста, соответствующими обычно применяемой технологии являлись:

• Диаметр тигля - 300 мм.

• Высота тигля - 200 мм.

• Скорость вытягивания - 0,2-0,5 мм/мин.

• Угловая скорость вращения кристалла со - 15-22 об/мин.

• Угловая скорость вращения тигля Ω - 3-5 об/мин.

Один из кристаллов германия, выращенный при исследованиях кинетики кристаллизации, представлен на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - Монокристалл германия со средним диаметром 60 мм , выращенный способом Чохральского

3.2.2.