23. Концентрационное переохлаждение

При выращивании монокристаллов, сильно легированных примесью с коэффициентом распределения К < 1, перед движущимся с конечной скоростью фронтом кристаллизации возникает, как было показано выше, область расплава, обогащенного примесью. Так как примесь с К < 1 уменьшает температуру ликвидуса (Т₁) системы кристалл – примесь, то температура плавления с приближением к поверхности растущего кристалла будет уменьшаться. На рис. 4.1 пунктирными линиями АВ и А'В показаны два возможных случая распределения температуры в расплаве при выращивании кристалла. При меньшем градиенте температуры (прямая А'В) перед фронтом кристаллизации появляется слой расплава DB, обогащенный примесью и находящийся в переохлажденном состоянии. В отличие от термического переохлаждения данный вид переохлаждения получил название концентрационного. При большем градиенте температуры (прямая АВ) концентрационного переохлаждения перед фронтом кристаллизации нет. Повышение переохлаждения перед фронтом роста будет приводить к возрастанию скорости роста кристалла. Поэтому любой случайно образовавшийся на фронте кристаллизации выступ, попадая в область концентрационного переохлаждения, будет проявлять тенденцию к продвижению в расплаве до точки D, где температура расплава равна температуре плавления. Разрастаясь, он будет оттеснять примесь в стороны, в результате чего на фронте кристаллизации может образоваться ячейка со скоплением примеси по ее границе. Совокупность таких ячеек образует ячеистый фронт кристаллизации с ячеистой субструктурой распределения примеси. При очень высоких переохлаждениях ячеистый рост сменяется дендритными с длинными выступами в виде ветвей, прорастающих в расплав.

Рис. 4.1. Распределение примеси перед фронтом растущего кристалла (а), приводящее

к возникновению перед ним переохлажденной области (б) и нарушению стабильности плоского фронта кристаллизации (в)

Сравнительно невысокие значения концентрационного переохлаждения могут приводить к образованию в кристалле беспорядочно распределенных примесных включений второй фазы (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Изменение морфологии поверхности кристалла,

растущего в условиях концентрационного переохлаждения,

в зависимости от градиента температуры

у фронта кристаллизации

Явление концентрационного переохлаждения помимо процессов выращивания кристаллов из расплава может наблюдаться также и при выращивании кристаллов как из растворов, так и из газовой фазы при условии наличия перед фронтом роста диффузионного слоя.

Избежать концентрационного переохлаждения и соответственно образования примесных структур или включений второй фазы можно путем создания в процессе выращивания кристалла больших градиентов температуры у фронта кристаллизации dT/dx ≥ dT₁/dx, а также путем интенсивного перемешивания расплава для разрушения перед фронтом роста диффузионного слоя.