Улучшение структуры монокристаллов при изготовлении в невесомости
Во время опытов на ракетах удалось получить монокристаллические слитки с низкой плотностью дислокаций (линейных дефектов кристаллической решетки) при скорости роста 7—10 мм/мин. Это более чем на порядок превышает скорость выращивания монокристаллов германия и кремния на Земле. Подобные образцы получены впервые в мировой практике. Рентгеноструктурные и металлографические исследования показали, что они обладают высокой степенью структурного совершенства и однородным распределением легирующей примеси.
Улучшению структуры монокристаллов способствовало несколько факторов, в особенности изменение характера взаимодействия расплава со стенками ампулы и отсутствие конвективного перемешивания, не успевающего развиться в объеме. На Земле расплав прижат к стенкам силой собственного веса. Этого оказывается достаточно, чтобы термоупругие напряжения на кристаллизационном фронте, зажатом стенками, превысили предел пластичности и вызвали появление большего количества дислокаций в кристалле, вплоть до образования трещин.
В невесомости на расплав действует лишь капиллярное давление, обусловленное поверхностным натяжением на свободном сферическом мениске. Причем давление в любой точке должно быть одинаковым, и поверхность расплава везде имеет равную кривизну. Это приводит к образованию эффекта «зависания» жидкости на небольших неровностях стенок ампулы. Фактически в контакте со стенкой находится менее 1% поверхности расплава, остальная ее часть, включая мениск непосредственно у фронта кристаллизации, остается свободной.
Термокапиллярная конвекция экспериментально наблюдалась посредством бортового теневого прибора «Пион». Вблизи свободной поверхности движение возникает действительно быстро — за 0,1 с, однако для перемешивания всего объема жидкости требуются десятки минут. Следовательно, в экспериментах на ракете и этот, более мощный и не связанный с ускорениями механизм конвекции не успевал повлиять на процесс кристаллизации.
Как показывают теоретические оценки, при малом конвективном перемешивании тепломассоперенос определяется диффузией, и можно получать максимальные скорости кристаллизации германия и кремния — до 18 мм/мин для образцов диаметром 6—8 мм. За счет высокой скорости охлаждения в экспериментах удалось добиться соответствующих режимов. Причем скорость фронта кристаллизации оказалась больше скорости «прорастания» дислокации из затравочного кристалла.
Не приводя подробный анализ, укажем, что именно ускоренный режим кристаллизации обеспечил равномерное распределение примесей по объему монокристаллов. Для этого фронт кристаллизации выдерживался плоским до конца процесса. Равномерное распределение примесей — важнейший показатель совершенства полупроводников, определяющий их электрофизические свойства. В опытах со сложнолегированным кремнием изучалось поведение примесей при ускоренной кристаллизации. Как выяснилось, поверхностно-активная примесь, которая снижает поверхностное натяжение, концентрировалась в основном в наружной части слитка. Неактивная примесь (бор) была распределена равномерно.
Интересные результаты удалось получить в ходе исследования кристаллизации свободных капель полупроводниковых материалов. Так, когда экспериментировали с образцами германия, в зоне контакта с ампулой возникали поры, образованные испарением воды из кварцевых колбочек при температуре выше 1200° С. В отличие от экспериментов по затвердению сферических капель металлов, для которых возможен отвод тепла как через жидкую, так и через твердую фазу и угол роста (характеризует соответствие формы расплава и формы кристалла) равен нулю, все слитки германия имели вид луковицы. Теоретически форма объясняется отличным от нуля углом роста, что и наблюдалось на практике. Анализ структуры образцов показал: в ряде случаев они кристаллизовались из центра капли. Заходи https://pharaonplay.com/obzor-kazino-vulkan/ и останешься довольным.
