5. Технологические неоднородности состава кристаллов и методы их уменьшения.

Неоднородности состава выращиваемых кристаллов обусловлены несовершенством используемых технологических процессов и установок. К ним от­носятся неконтролируемые во времени колебания температуры пе­чи, нестабильности в скорости движения механических частей уста­новок, гидродинамические неоднородности, обусловливающие неод­нородности условий перемешивания расплава, и т. п.

Все эти несовершенства процессов и установок в отличие от сегрегационных обуславливают хаотические локальные колебания состава по длине и поперечному сечению кристаллов.

Одним из важнейших факторов, влияющих на локальную одно­родность состава кристалла, является неравномерное распределение потоков жидкости в расплаве, омывающем фронт кристаллизации. В результате этого толщина диффузионного δ-слоя в расплаве у по­верхности фронта кристаллизации в разных его точках различна, что приводит к неоднородному распределению примеси по сечению растущего кристалла. Эти процессы наиболее ярко проявляются в тех методах выращивания кристаллов, где объем расплава велик. Так, при вытягивании кристалла из расплава без его взаимного вращения с тиглем в расплаве возникают конвективные потоки жидкости, направленные от более горячих стенок тигля к более холодной центральной части расплава (рис.5, а). В результате неоднородного омывания фронта кристаллизации конвективными потоками диффузионный δ-слой у фронта роста приобретает форму, показанную на рисунке пунктиром. Для примесей с коэффициентом распределения k<1 такое распределение толщины δ-слоя приводит к увеличению содержания примеси в центре сечения растущего кри­сталла по сравнению с периферией. Вращение тигля с расплавом будет приводить к усилению неоднородности толщины δ-слоя и соответственно усилению неоднородности распределения примеси по сечению кристалла, так как под действием центробеж­ных сил более горячие и поэтому более легкие части расплава будут двигаться от периферии тигля к центру, а более холодные и соот­ветственно тяжелые – от центра к периферии (рис.5, б).

Рис.5. Схемы распределения гидродинамических потоков в расплаве при выращивании кристаллов вытягиванием из рас­плава:

а – тепловая конвекция в отсутствие вращения тигля; б – при вра­щении тигля; в – при вращении кристалла (пунктиром показаны фор­мы диффузионного слоя в расплаве у фронта кристаллизации)

Эти вынужденные потоки жидкости совпадают с конвекционными и усиливают их.

При вращении выращиваемого кристал­ла в неподвижном тигле плоская поверх­ность фронта кристаллизации действует подобно диску центробежного насоса, соз­давая в центре расплава восходящие пото­ки жидкости (рис. 5, в). Так как на­правление этих потоков обратно направ­лению тепловых конвекционных потоков, то уменьшается неравномерность толщин диффузионного δ-слоя и соответственно не­равномерность распределения примесей по поперечному сечению кристалла.

На практике, как правило, производят одновременное вращение тигля и кристалла в противоположных направлениях. Враще­ние тигля необходимо для того, чтобы обеспечить осевую симметрию теплового поля в области расплава, так как на практике очень трудно выставить на одну ось нагреватель, тигель и затравку кри­сталла. При одновременном вращении тигля и кристалла характер движения потоков в расплаве очень сложен и зависит от таких факторов, как направления вращения тигля и кристалла, число оборотов, конфигурация тигля, соотношение диаметров тигля и кристалла и т.д. Тем не менее, как показывает опыт, для повыше­ния однородности кристалл необходимо вращать с максимальной скоростью, а тигель – с минимальной.

Помимо влияния на диффузионный δ-слой тепловая конвекция в расплаве приводит к случайным колебаниям температуры рас­плава у фронта кристаллизации и соответственно колебаниям пере­охлаждения на фронте роста, что, в свою очередь, приводит к хаотическому изменению во времени скорости роста кристалла. Так как скорость роста кристалла в сильной степени влияет на эф­фективный коэффициент распределения примеси, то ее колебания вносят дополнительные неоднородности в локальный характер распределения состава кристалла, приводя к полосчатому распределению примеси параллельно фронту роста.

Локальная неоднородность распределения примеси в кристалле существенно усложняется при искривлении фронта кристаллизации (рис. 6), форма которого определяется в основном тепловыми ус­ловиями роста кристалла. Кривизна фронта роста влияет как на неравномерность толщины диффузионного δ-слоя, так и под дейст­вием колебаний скорости роста кристалла приводит к возникнове­нию в слитке примесных полос, воспроизводящих в каждый момент роста форму фронта кристаллизации.

Рис.6. Возможные формы фронта кристаллизации кри­сталлов,

выращиваемых вытягиванием из расплава (а-в) и бестигельной зонно

плавкой (г)

В этом случае распределение примесей в продольном сечении кристалла будет представлять собой полосы, воспроизводящие последовательные положения фронта кристаллизации, а в поперечном – полосы в виде колец, спиралей или фигур кольцеобразной формы. Уменьшить этот вид неоднородностей можно спрямлением фронта кристаллизации путем тщатель­ного подбора тепловых условий роста монокристалла. При этом необходимо учитывать, что нарушение симметрии теплового поля вокруг растущего кристалла, в частности при вытягивании кристалла из расплава, приводит к наклону фронта кристаллизации относительно поверхности расплава на угол φ (рис.7).

Рис. 7. Отклонение фронта кристаллизации от горизонтального положения, обусловленное осевой несимметрией теплового поля

В этом случае различные участки фронта кристаллизации вращающегося кристалла периодически проходят через области расплава в тигле с более высокой и более низкой температурами. В зависимости от угла поворота в первом случае рост кристалла замедляется (а в некоторых случаях часть кристалла частично оплавляется), а во втором – ускоряется.

В результате микрообъемы с одинаковым содержанием примеси в кристалле располагаются внутри него по винтовой поверхности, шаг которой h равен υ/ω.