СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований и задачи работы. Показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, описаны методология и методы ис­следования.

В первой главерассмотрены современные представления о нормаль­ном и послойном (тангенциальном) механизмах роста кристаллов из рас­плава. Представлены известные способы оценки кинетических коэффици­ентов и их анизотропии, в том числе, использованные ранее при изучении кинетики роста парателлурита и германия. Приведены данные о влиянии примесей на кинетику роста кристаллов из расплава, а также о соотноше­ниях между толщинами теплового, динамического и концентрационного пограничных слоев на межфазной границе применительно к способу Чох- ральского.

Во второй главепредставлены выведенные соотношения, важные для исследований кинетических характеристик в методе Чохральского. Получена формула для истинной вертикальной скорости роста кристалла К_Ист, ^в которой впервые одновременно учитываются понижение уровня расплава из-за фазового перехода и из-за его испарения со свободной по­верхности между кристаллом и стенками тигля:

где Pb- скорость вытягивания, р_ж и р_тъ - плотности расплава и кристалла, R - радиус тигля, г - радиус кристалла, ξ-константа испарения расплава в условиях кристаллизации.

Далее получен закон для такого изменения от времени tскорости вы­тягивания Рв, при котором на участке разращивания конической части кристалла от начального радиуса R₀под постоянным углом а, вплоть до момента выхода кристалла на постоянный радиус цилиндрической части R, и истинная вертикальная скорость V, и радиальная скорость роста Pr остаются постоянными, что означает неизменность кинетики и улучшение структурной однородности кристалла:

где к = pjp-,_v Rj, Rj - радиус тигля.

Полученные зависимости были использованы при проведении экспе­риментальных процессов выращивания крупногабаритных кристаллов па­рателлурита и германия, в ходе которых были реализованы условия для постоянства скоростей роста в вертикальном и радиальном направлениях.

Далее во второй главе проведен теоретический анализ известных со­отношений для скоростей роста и плавления кристалла, выведенных из термодинамических соображений. Показано, что при отказе от некоторых применявшихся математических упрощений, из классических формул следует асимметрия процессов роста и плавления, являющаяся в настоя-

щее время предметом усиленного изучения для наноразмерных частиц, но обычно не рассматривавшаяся для случая массивных кристаллов.

Рисунок 1 - Зависимости скоростей вытягивания F_bот времени tпри сохранении постоянной вертикальной скорости роста Vкристалла германия способом Чохральского из тигля радиусом ∕⅛=150 мм с углом разращивания а = 60° при различных истинных скоростях вертикального роста Vи конечном радиусе кристалла R= 100 мм

Рисунок 2 - Зависимости скоростей вытягивания P_bот времени tпри сохранении постоянных истинных вертикальной скорости роста V = 0,3 мм/час для различных постоянных углов разращивания а конической части кристаллов парателлурита способом Чохральского из тигля радиусом R_τ = 3,75 мм: 1 - 30°; 2 - 45°; 3 - 60°. Начальный радиус кристалла R₀ = 2мм, конечный радиус кристалла R = 30мм

Из расчетов следует, что при одинаковых по модулю переохлажде­нии и перегреве расплава разность скоростей роста и плавления всегда положительна, что показано на рисунке 3 для зависимостей ΔJ^z = V₊— И при различных величинах безразмерного параметра Q = ^^пл^³, где О_пл и

Оз

O₃— удельные теплоты плавления и затвердевания, и, таким образом, ско­рость роста в общем случае больше скорости плавления.

Рисунок 3 - Зависимости разности безразмерных скоростей ΔK= V+ - V-от модуля Δ7'(переохлаждения или перегрева расплава) при различных отношениях параметра 0 = 2(кривая 1), 1 (кривая 2), 0,5 (кривая 3)

Полученные результаты подтвердились экспериментально в виде раз­личия в наклонах участков микроскопических впадин и выступов на боко­вых поверхностях монокристаллов парателлурита и германия при их ис­следованиях методами РЭМ, АСМ, а также с помощью интерференцион­ного профилометра.

В третьей главепредставлены результаты измерений температурных полей в расплаве и в окружающем тигель с кристаллом пространстве, а также переохлаждений или перегрева расплава на трехфазной границе. Измерения проведены в условиях выращивания монокристаллов парател­лурита и германия способом Чохральского на установках и в соответствии с технологиями, применявшимися до начала исследований при получении рекордных по размерам и структурному совершенству образцов. Измере­ния температуры проводились с помощью ХА-термопар, тепловизионных камер, а также специально разработанным методом, основанном на ком­пьютерной обработке изображений поверхности расплава в тигле с вытя-

гиваемым и вращающимся кристаллом (рисунок 4), получаемых с помо­щью цифровых фото-видео камер.

Рисунок 4 - Окна пользователя программы для расчета температуры с загруженным файлом изображения расплава в тигле с вытягиваемым монокристаллом парателлурита (а) и германия (б)

В результате измерений впервые определены максимальные перепады температуры. В среднем по поверхности модуль отклонения температуры расплава от равновесной для диоксида теллура составил 12 - 15 К, для расплава германия: 2 - 5 К.

Установлено, что на поверхности расплавов диоксида теллура и гер­мания имеются как перегретые, так и переохлажденные области.

Рисунок 5 - Вихри Тейлора в расплаве диоксида теллура. Стрелка указывает на один из вихрей

В связи с отсутствием в литературе значений константы испарения ξ, 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.

Константа испарения для диоксида теллура, измерялась на установке «Cyberstar Oxypuller» по результатам 5 процессов роста, и на модернизи­рованной установке «Редмет-15» по результатам 8 процессов. Полученные значения составили 1,12-10^_2г-час^_1-см^_2 и l,05∙10^-2r∙4ac^-1∙CM^-2соот­ветственно. C учетом погрешностей измерений, можно считать эти значе­ния очень близкими, и, следовательно, константу испарения не зависящей от конкретной установки.

Рассчитаны критерии подобия, характеризующие условия роста кри­сталлов парателлурита и германия, проведен анализ соотношений между критериями подобия для каждого из кристаллов, после чего рассчитаны необходимые изменения во времени скоростей вытягивания и вращения кристаллов, оптимизирующие ростовую кинетику. Выращены крупнога­баритные кристаллы с учетом поправок в ростовые параметры, вытекаю­щих из анализа критериальных соотношений.

На основании полученных данных об истинных скоростях роста кри­сталлов и переохлаждениях расплава произведены оценки кинетических коэффициентов для нормального роста парателлурита и германия, равные ICT⁶см∙c^¹К^-1 и ICT⁴см∙c^¹К^-1 соответственно.

В четвертой главеразличными методами и при различных увеличе­ниях исследованы поверхности крупногабаритных монокристаллов пара­теллурита и германия. На них обнаружены как округлые, несингулярные участки, соответствующие нормальному механизму роста, так и плоские участки - выходы сингулярных граней, образованные при росте по тан­генциальному механизму. Гониометрическими измерениями установлено, что такими гранями для парателлурита являются грани тетрагональной призмы {110}, а также грани тетрагональных пирамид {101} и {ИЗ}, а для германия - грани октаэдра {H1}. Изучен микрорельеф боковых по­верхностей кристаллов, элементами которого являются кольцевые неров­ности профиля (рисунок 6, 7): выступы соответствуют росту, впадины - подплавлению кристаллов в радиальном направлении, и отвечают флук­туациям температуры на межфазной границе.

В работе также изучены дислокационная структура (рисунок 8, 9), оп­тические аномалии (рисунок 10) и измерены коэффициенты пропускания (рисунок 11, 12) кристаллов парателлурита и германия в объемах, образо­ванных при различных механизмах роста.

Рисунок 6 - РЭМ-изображение (увеличение ?2000) (а) и профилограмма (б) боковой поверхности монокристалла парателлурита с микровыступами

[mm]

Рисунок 7 - Зх-мерное изображение (а) и профилограмма (б) участка поверхности кристалла германия, полученного способом Чохральского

Рисунок 8 - Распределение дислокационных ямок травления на поверхности, соответствующей нормальному (а) и послойному (б) механизмам роста парателлурита. Плотность дислокаций N_d = 9-Ю⁴ см^-2 (а) и N_d = 8-Ю’ см“² (б).

Увеличение ? 30 раз.

Рисунок 9 - Секториальное периодическое распределение дислокационных ямок травления на кристалле германия, выращенном способом Чохральского в направлении 11111, в различных срезах, ортогональных оси вытягивания

Рисунок 10 - Коноскопические картины изохром кристаллов парателлурита, полученных в условиях нормального (а) и послойного (б) механизмов роста.

Рисунок 11 - Спектры пропускания кристаллов парателлурита: 1 -

выращенного при скорости вытягивания 0,15 мм/час и скорости вращения 13 об/мин; 2 - выращенного при скорости вытягивания 0,4 мм/час и скорости вращения 9 об/мин

Рисунок 12 - Спектры пропускания монокристаллов германия толщиной 20 мм, вытянутых способом Чохральского при различных скоростях: 1 - 0,2 мм/мин, 2

- 0,5 мм/мин, 3-1 мм/мин

Сравнение в комплексе структурных и оптических характеристик объемов кристаллов парателлурита и германия, полученных способом Чохральского и образованных одновременно по обоим механизмам роста

- нормальному и тангенциальному, однозначно свидетельствует о суще­ственно более высоком качестве материала, образовавшегося при послой­ном механизме.

Эти различия в структурном совершенстве подтверждаются данными о свойствах кристаллов, полученных в условиях скорректированных тех­нологий, направленных на реализацию послойного механизма. Данные условия - минимальные и постоянные скорости вертикального и радиаль­ного роста, минимальные осевые и радиальные температурные градиенты, а также постоянная и плоская форма фронта кристаллизации, которая оп­ределяется гидродинамикой расплава и должна регулироваться путем за­ранее рассчитываемого изменения скорости вращения кристалла.