3.2.3.1. Измерения с помощью термопар

Измерения температуры проводились в установке для выращивания кристаллов «Редмет-10М», оснащенной крупногабаритной камерой. Использовалась графитовая оснастка, состоящая из системы верхних, боковых и донных экранов, нагревателя сопротивления и тигля.

Температурные поля измерялись в ростовых системах, включающих тигли диаметрами 150 (тигель I) и 300 мм (тигель II).

Для измерения температуры использовали механическое устройство, позволяющее перемещать термопару в вертикальном и горизонтальном направлениях в объеме тигля и над ним. Применялась термопара типа хромель- алюмель (TXA), которая для защиты от реакционной активности расплава германия помещалась в тонкий кварцевый чехол.

Серия экспериментов по изучению температурных полей была выполнена в тигле без расплава, в тигле с расплавом и над расплавом; измерялись радиальное и осевое распределение температур. Для исследования влияния

гидродинамики расплава на температурное поле изменяли скорость вращения тигля (значения скорости вращения составляли 1-5 об-мин^-1).

Градиенты температур (осевые и радиальные) для тиглей разного диаметра конструкции мало различаются, ход зависимостей повторяет друг друга. Радиальные градиенты почти не зависят от расстояния от дна тигля и по величине составляют 3,15-3,75 Гем ^-1(для тигля II). Осевые градиенты снижаются в радиальном направлении от центра тигля и также мало зависят от конструкции тигля; величина градиентов изменяется в пределах от 2,9 К-см^-1 до 1,2 K∙cm^¹.Вращение тиглей выравнивает температурные поля в тиглях, что сказывается на различиях в значениях температуры для вращающегося и покоящегося случаев и объясняется неоднородностью материала тигля (графита) и асимметричностью тигля.

Рисунок 3.18- Распределение осевых градиентов температур (VT) по радиусу

(г) тигля при отсутствии расплава (1 - тигель I; 2 - тигель II)

тигля при двух скоростях вращения тигля (ω)-3 об-мин^-1 и 5 об-мин^-1.

Наличие таких пульсаций температур в расплаве германия действительно подтверждается рядом экспериментальных работ. Такие колебания температуры нельзя отнести за счет флуктуаций из-за регулирования температуры. Рядом исследователей показано, что флуктуации температуры уменьшаются по мере удаления от межфазной границы (рисунок 3.19). Величина флуктуаций возрастает с увеличением температуры роста, с увеличением температурного градиента в расплаве и с возрастанием температурного градиента над расплавом. Во всех случаях экспериментальные наблюдения удается объяснить нерегулярной конвекцией. Флуктуации температуры расплава вблизи межфазной границы вызывают флуктуации скорости роста. Таким образом, при наличии таких флуктуаций истинная скорость роста может быть в несколько раз ниже или выше скорости вытягивания. Изменения скорости приводят к изменениям коэффициента распределения примесей и активаторов. Известно «полосчатое» изменение сопротивления в полупроводниках, выращиваемых методом Чохральского [9].

Рисунок 3.19- Зависимость температуры от времени в расплаве германия при разности температур между верхом и дном, равной IO^oC [9]

Таким образом, реально предполагать, что многие дефекты в кристаллах, выращенных методом вытягивания, возникают из-за кратковременных флуктуаций температуры, почти всегда существующих в таких системах.

Температура в тигле к поверхности расплава падает, перепад температур (градиент) между центром и краем тигля возрастает. Распределение температуры в тигле II (рисунок 3.20) характеризуется более неоднородным характером, неоднородности в распределении температур сглаживаются к поверхности расплава.

Рисунок 3.20 - Распределение радиальных градиентов температур (VT_r) по высоте от дна (H) тигля при отсутствии расплава (1 - тигель I; 2 - тигель II)

При увеличении скорости вращения тиглей усиливается перемешивание расплава, возрастает упорядоченность конвекционных потоков. Температура в

расплаве снижается за счет более интенсивного теплообмена с поверхностью; кривые распределения температуры при этом носит более плавный характер.

На рисунке 3.21 представлены зависимости радиального градиента температур от расстояния от дна тигля, скорости вращения для разных конструкций тигля с расплавом и без расплава. Величины радиальных градиентов в расплаве для тигля I составляют l,65÷3,10 К-см ^-1и почти в два раза превышают градиенты в тигле II - 0,75÷l,75 К-см^-1. C приближением к поверхности расплава градиенты возрастают, особенно резко в верхнем слое расплава. Увеличение скорости вращения тиглей уменьшает радиальные градиенты температуры по величине в основной части расплава. Градиенты в тиглях без расплава больше по величине и практически постоянны в осевом направлении.

Зависимости осевого температурного градиента по радиусу для тиглей I и II с расплавом и без расплава приведены на рис. 3.22. Осевой градиент убывает к стенкам тигля во всех случаях; в тиглях без расплава значение градиента меньше, чем для тиглей с расплавом. Влияние перемешивания неоднозначно: в тигле I величина градиента температур снижается с увеличением скорости вращения тигля, в тигле II зависимость обратная. Осевые градиенты в тигле I превышают градиенты в тигле II (в отличие от радиальных). Величина осевого градиента температур в расплаве^¹для тигля I и

16,5÷33,0 K∙cm^¹для тигля II в интервале радиусов г = 10-100 мм.

Рисунок 3.22 - Распределение температуры (T) в расплаве германия по радиусу тигля II (1 - H = 15 мм, ω = 3 мин-1; 2 - H = 15 мм, ω = 5 мин -1;

3 - H = 25 мм, ω = 3 мин-1; 4 - H = 25 мм, ω = 5 мин-1)

Установлено, что оптимальные для выращивания крупногабаритных кристаллов германия радиальный и осевой температурные градиенты в расплаве составляют (0^5) К-см^-1 и (2,-08,5) К-см^-1, соответственно.

Обороты вращения тигля, соответствующие минимальным значениям градиентов, составляют ω = 3 мин^-1.

Схема расположения термопар в системе представлена на рисунках 3.23- 3.24. В экспериментах использовались три хромель-алюмелевые (TXA) термопары для фиксации осевого распределения температур и три термопары для фиксации радиального распределения температур. Термопары выводились из вакуумной камеры через специальные технологические отверстия с соблюдением высокого вакуума в установке.

Рисунок 3.23 - Расположение термопар в системе: 1 - по оси системы; 2 - по радиусу системы

Рисунок 3.24 - Схематичное расположение термопар в ростовой системе

Были выполнены модельные эксперименты по измерению температур при росте монокристалла германия (рисунок 3.25). Графические результаты измерения зависимостей температуры представлены на рисунках 3.26 и 3.27.

Рисунок 3.25 - Тепловой узел установки с выращенным кристаллом

Радиальное распределение температуры (термопары 1-3) является относительно стабильным как по высоте растущего кристалла (рисунок 3.26), так и по времени (рисунок 3.27). Абсолютные значения температуры находятся в пределах 750-815^oC.

Осевое распределение температур характеризуется достаточно существенными изменениями температуры (до 40^oC) в течение процесса, особенно в начальной стадии выращивания. При достижении кристаллом высоты более 120 мм (время процесса от момента затравления более 150 минут) протекание процесса приближается к квазистационарному состоянию. При этом изменения температуры хотя и присутствуют, но являются минимальными (примерно ±1,5-3 С). К концу процесса также имеет место слабое возрастание абсолютной температуры.

Рисунок 3.26 - Зависимость температуры (T) от высоты (h) выращиваемого монокристалла

Рисунок 3.27 - Зависимость температуры (T) от времени (τ) выращивания монокристалла