ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Фронт кристаллизации Поверхностные явления, сопровождающие процесс вытягивания кристаллов из расплава из "Тепло- и массообмен при получении монокристаллов" Наблюдения показывают, что поверхность раздела фаз в процессе роста кристалла может быть плоской, выпуклой в сторону расплава, вогнутой и смешанной. Искривление фронта кристаллизации вызывает неоднородное распределение примесей в поперечном сечении кристалла. Так, нанример, выпуклая к расплаву граница раздела связана с возникновением канала — области с более высоким содержанием примеси, чем окружающие [24, 25]. [c.94] Исследования формы фронта кристаллизации при выращивании бездислокационных монокристаллов германия и кремния свидетельствуют о том, что совершенная структура образуется только при определенной конфигурации границы раздела фаз. Рози [26] наблюдал, что плоская или несколько выпуклая к расплаву поверхность роста приводит к кристаллам с минимальной плотностью дислокаций. Циглер [27] методом р—п-перехода установил, что в процессе выращивания бездислокаци-онного кремния фронт был почти плоским. Исследования, проведенные Б. М. Туровским [28], показали, что бездислокационной части монокристаллов кремния со-отвествовал плоский и слегка выпуклый к расплаву фронт кристаллизации. Образование вогнутого фронта, как правило, сопровождалось возникновением дислокаций. [c.94] В связи с этим возникает задача исследовать те явления, которыми сопровождается рост кристалла при вытягивании из расплава и которые оказывают непосредственное влияние на форму границы раздела фаз и геометрию растущего кристалла. При выращивании по методу Чохральского к таким явлениям необходимо в первую очередь отнести явления, связанные с действием сил поверхностного натяжения иа границах кристалл — расплав — среда выращивания. [c.94] Вытягиваемый из расплава кристалл поднимает за собой столб жидкости, который удерживается над поверхностью расплава только за счет сил новерхност Юго натяжения, действующих на границах фаз . Иными словами, поверхность жидкости, поднимающейся за растущим кристаллом, стремится приобрести форму, соответствующую минимуму свободной поверхностной энергии. Это должно вызывать искривление не только наружной поверхности жидкого столбика, но и внутренней границы между жидкой и твердой фазами. [c.95] Явления, связанные с действием сил поверхностного натяжения при выращивании из расплава кристалла, изучены мало. Можно назвать лишь несколько работ [29—32], где на основании приближенных решений уравнения Лапласа даются рекомендации по выбору условий вытягивания из расплава кристаллов определенной формы. [c.95] При вытягивании кристаллов методом Чохральского форма наружной поверхности жидкого столбика оказывает непосредственное влияние на геометрию растущего кристалла. Поэтому имеющиеся работы по исследованию поверхностных явлений касаются главным образом определения формы наружной поверхности столба расплава и нахохадения связи между высотой столба и диаметром вытягиваемого кристалла. Работа [29] является первой попыткой рассмотреть влияние механизма смачивания на форму кристалла. Автор считает, что при отсутствии потерь тепла с поверхности кристалла (идеальная экранировка) диаметр кристалла полностью опередляется механизмом смачивания. В работе приводится приближенное решение уравнения наружной поверхности жидкости столбика в случае вытягивания из расплава кристалла цилиндрической формы. [c.95] Оба предельных значения /г являются, конечно, несовместимыми с удовлетворительным ростом кристалла. [c.96] Поверхности жидкой и твердой фаз соединяются поверхностью жидкого столбика (рис. 30, г), форма которой должна определяться минимальной свободной поверхностной энергией системы. На рис. 30, б показаны пределы изменения угла а между наружной поверхностью жидкого столбика и вертикальным направлением. Для роста кристалла с постоянным поперечным сечением угол а, по мнению авторов, должен быть равен нулю или немного больше. [c.96] По приведенным в работе [30] данным, а = 0,48 см для германия и а = 0,79 см для кремния. [c.97] Исключительно важную роль приобретает учет поверхностных сил при выращивании плоских кристаллов (лент), ибо в этом случае толщина кристалла лимитируется капиллярной постоянной. Авторы работы [30] показывают, что при попытке вырастить плоский кристалл вытягиванием по методу Чохральского со свободной поверхности расплава получают обычно почти совершенно круглый слиток лишь со следами выхода преимущественных плоскостей роста. [c.97] В отечественных работах исследование влияния сил поверхностного натяжения на конфигурацию вытягиваемых из расплава изделий наиболее широко проведено С. В. Цивинским, Б. М. Гольцманом и др. главным образом в связи с разработкой метода А. В. Степанова для выращивания монокристаллнческих лент [31] и изделий в форме труб с различными поперечными сечениями [32]. [c.97] В работе [33] с помощью теории капиллярных явлений находится приближенное вырал ение для высоты поднятия л идкого столбика г/о при вытягивании круглого вертикального стержня со свободной поверхности расплава. [c.97] Р—давление, под которым расплав подается в щель. Плюс в формуле относится к вогнутому столбу, минус — к выпуклому. [c.98] Таким образом, форма растущего кристалла зависит от угла между касательной к профильной кривой и осью X на уровне фронта кристаллизации (угол ао). При аоС л/2 сечение кристалла увеличивается, при ао я/2 — уменьшается. Кристалл растет с постоянным диаметром при ао = л/2. [c.98] Скоростная киносъемка процесса вытягивания из расплава монокристаллов кремния [35] показала, что максимальная высота поднятия жидкого столбика тах не зависит от скоростей вытягивания и вращения затравки (последняя изменялась в опытах от О до 100 об1мин), а является функцией только диаметра кристалла при определенном значении краевого угла ао. Но это с очевидностью вытекает из теории капиллярных явлений. Такие параметры роста кристаллов, как скорости вытягивания и вращения, могут влиять на высоту поднятия стол-ба расплава лищь постольку, поскольку они могут изменять тепловые условия процесса, определяющие рост кристалла по методу Чохральского. [c.99] Что касается значений краевого угла ао, при котором обеспечивается стационарный рост кристалла (г = onst), то в рассмотренных работах делаются лишь предположения, что стационарный рост должен соответствовать ао = я/2. В то же время экспериментальные исследования [34, 35] показывают, что росту кристаллов из расплава по методу Чохральского с постоянным диаметром соответствуют значения угла ао, отличные от я/2. Вопрос о совмещении такой величины угла ао с условиями роста слитка постоянного диаметра, — пишут авторы [35], — пока остается неясным и требует специального исследования . [c.99] Значения краевого угла ао нельзя рассматривать в отрыве от поверхностных явлений, происходящих на границе кристалл—расплав, ибо действие сил поверхностного натяжения на границе твердой и л идкой фаз неизбежно приводит к искривлению поверхности фронта кристаллизации, которая такл е стремится приобрести форму, обладающую минимальной поверхностной энергией. [c.100] Для выявления роли сил поверхностного натяжения в процессе выращивания кристаллов из расплава необходимо знать равновесную форму поверхности, обусловленную действием сил поверхностного натяжения не только на свободной границе расплава, но и на границе кристалл — расплав. [c.100] Определение равновесной формы границы раздела фаз, обусловленной действием сил поверхностного натяжения. также интересно с точки зрения выявления оптимальной формы фронта кристаллизации, при которой происходит рост монокристалла с соверщенной структурой. Поясним это. [c.100] Если отвлечься от неравномерного распределения примесей у фронта кристаллизации, с которым молсет быть связано локальное снилсение температуры кристаллизации (так называемое, концентрационное переохлаждение ), то мол но считать, что кристаллизация происходит на изотермической поверхности. Причем форма этой поверхности зависит от условий теплообмена поверхности кристалла и расплава с окрулсающей средой и от процессов тепло- и массопереноса на границе раздела фаз. [c.100] Вернуться к основной статье