Вирощування легованих монокристалів ІnSb і моделювання конвекції в розплаві при впливі ультразвуку

 

Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав, не перевищувала порога кавітації в розплаві антимоніду індію. Тиск, необхідний для утворення кавітації, можна оцінити за формулою

 

 , (1)

 

де   коефіцієнт поверхневого натягу розплаву,

  радіус критичного зародка,

  тиск у камері.

Його величина для розплаву In-Sb, для зародків з радіусами 10-8 і 10-7 м складає 3106 і 3107 Па відповідно. Амплітуда звукового тиску в експериментальних умовах не перевищує 6, 3105 Па, тому кавітаційні ефекти в розплаві не виникають.

При впливі на розплав ультразвуку в процесі витягування кристала цілком усувається шаруватість, обумовлена ефектом “грані”. На мал. 1 показана картина шаруватості на поверхні (211) у різних областях кристала, що відповідають росту під впливом ультразвуку і без нього.

Дрібні шари домішки з періодичністю 2-3 мкм не усуваються під впливом ультразвуку з частотою від 0, 6 до 5 МГц і інтенсивністю до 0, 1 Вт/см2.

Механізм впливу ультразвуку на шаруватість в області “грані” може бути зв'язаний з формуванням стоячої звукової хвилі під зростаючим кристалом. В полі стоячої хвилі сили, що діють на частки домішки, значно перевищують гравітаційні, що виштовхують ії і можуть привести до зміни гідродинамічних властивостей розплаву. Придушення конвекції можливо при збільшенні ефективної в'язкості розплаву, а ефективний коефіцієнт розподілу домішки може бути визначений із співвідношення

 

 , (2)

 

де  1/6 – постійна, залежна від профілю концентрації

  кутова швидкість обертання кристала,

  кінематична в'язкість розплаву,

  коефіцієнт дифузії домішки в розплаві,

  швидкість росту кристала.

Наближення   до 1 сприяє зниженню шаруватості в кристалі.

Дифузія в кристалі в процесі його росту й охолодження не може істотно вплинути на шаруватість і привести до її розмиття, оскільки дифузійна довжина при експериментальних умовах не перевищує 0, 2 мкм, у той час як мінімальна відстань між шарами складає 1-2 мкм.

У п'ятому розділі приведені результати дослідження акустичного впливу на модельну рідину, проведені для перевірки обґрунтованості запропонованого механізму впливу ультразвуку на шаруватість. Гідродинамічні властивості води, як модельної рідини, близькі до розплаву In-Sb. Так, наприклад, число Релея, що відповідає виникненню конвекції у воді і розплаві однаково, складає 3103 і визначається співвідношенням:

 

 , (3)

 

де  коефіцієнт об'ємного розширення,

  прискорення сили ваги,

  висота рівня рідини в камері,

  різниця температури між дном камери і диском, що контактує з поверхнею рідини,

  коефіцієнт температуропровідності рідини,

  діаметр камери.

Геометричні розміри камери з модельною рідиною і тигля з розплавом пропорційні. Вищевказане дозволяє перенести результати модельного експерименту на процес кристалізації розплаву в ультразвуковому полі.

Вивчення конвекції у воді методом “світлового ножа” за схемою, приведеної на мал. 2, дозволило встановити характер її зміни при впливі ультразвуку. У якості світлорозсіючих часток використовували порошки Al2O3 і Al з розмірами часток 50 і 100 мкм відповідно.

Характер вільної термогравітаціоної конвекції, що спостерігається в експериментах, відповідав розрахунковому.

В обсязі води між хвилеводом і диском частки алюмінію, що мають форму пластин, орієнтуються площиною перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Частки Al2O3 концентруються в площинах, відстань між якими відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді. Картина розподілу цих часток при частоті ультразвуку 1, 25 МГц і його інтенсивності 0, 04 Вт/см2 показана на мал. 3.

Отримані дані підтверджують, що в зазначеному обсязі формується стояча звукова хвиля. Конвекційні потоки в області стоячої хвилі придушуються, а масоперенос забезпечується дифузією. Таким чином, збільшується відносна товщина дифузійного шару.

Подібне поводження домішки телуру в розплаві In-Sb, як і в модельній рідині може привести до зменшення ефективного коефіцієнта розподілу від 4 в області грані до значення близького до 1, що сприяє зменшенню шаруватості в монокристалах InSb.

 

 

1. Розроблені засіб вирощування монокристалів InSb в ультразвуковому полі і без нього, метод підготовки поверхні досліджуваних зразків монокристалів, виявлення шаруватості телуру методом хімічного травлення і спостереження її методами оптичної й електронної мікроскопії. Розрахунок і експериментальні данні підтвердили, що використовувані умови вирощування монокристалів InSb, близькі до рівноважних, і не створюють умов для виникнення концентраційного переохолодження розплаву під фронтом кристалізації. Вивчено шаруватість телуру в монокристалах InSb, обумовлена ефектом “грані” і обертанням кристала.

2. Встановлено, що витягування монокристалів InSb в ультразвуковому полі з частотою від 0, 6 до 5 МГц і інтенсивністю до 0, 1 Вт/см2 приводить до повного усунення шаруватості, обумовленої ефектом “грані”. Шаруватість з меншою періодичністю, обумовлена обертанням кристала, не усувалася при вирощуванні монокристалів в ультразвуковому полі цим способом. Інтенсивність ультразвуку в експериментах у всьому використовуваному діапазоні частот була значно нижче порога кавітації в розплаві In-Sb і не перевищувала 0, 1 Вт/см2.

3. Розраховано гідродинамічні параметри розплаву In-Sb і інтенсивність ультразвуку на межі розділу фаз з урахуванням його поглинання в розплаві. Обґрунтовано вибір частотного діапазону ультразвуку від 0, 6 до 5 МГц для зниження шаруватості в монокристалах InSb. Запропоновано модель ультразвукового впливу