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

4. Розроблено методику вивчення конвекції в модельній рідині при умовах, подібних до вирощування кристалів в ультразвуковому полі, що дозволило підтвердити обґрунтованість запропонованого механізму ультразвукового впливу на шаруватість.

5. Вивчено вплив ультразвуку інтенсивністю до 0, 04 Вт/см2 з частотою 0, 6 МГц і 1, 25 МГц на конвекцію в модельній рідині, у якості якої обрана дистильована вода. Цей вибір обумовлений тим, що гідродинамічні параметри, характеризуються числами Релея і Шмідта, і деякі фізичні параметри, наприклад, коефіцієнт поглинання ультразвуку і кінематична в'язкість, мають близькі значення. Встановлено, що у воді утворюється стояча звукова хвиля. Частки, зважені у неї, концентруються в площинах рівнобіжних меж розділу рідина-диск. Відстань між шарами часток відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді.

6. Показано, що акустичні течії поза областю стоячої хвилі мають вихорообразний характер і сприяють перемішуванню рідини. Форма границі розподілу відіграє важливу роль при формуванні стоячої хвилі. При опуклій чи ввігнутій границі розподілу звужується область, у якій формується стояча хвиля під диском.

 

1. Komarov N. V., Kozhemyakin G. N. Ultrasonic effect on Te distribution in InSb single crystals // Functional Materials. 2000. – 7. – No 4 (2). – P. 797 – 800.

2. Комаров Н. В., Кожемякин Г. Н. Методика исследования конвективных потоков в растворах // Ресурсосберегаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: СУДУ, 2000. С. 268 – 271.

3. Комаров Н. В., Кожемякин Г. Н. Моделирование вынужденной конвекции в расплаве In-Sb // Ресурсосберегаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: СНУ, 2001. С. 239 – 243.

4. А. с. № 1365749. Способ выращивания монокристаллов и устройство для его осуществления / Кожемякин Г. Н., Комаров Н. В., Антонов В. А., Пукари Р. А. / Приоритет 29 августа 1985 г., зарегистрировано 8 сентября 1987 г.

5. Комаров Н. В., Кожемякин Г. Н. Моделирование течений в расплавах. Тезиси докл. VI Міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Луганськ, СУДУ, 28-30 листопада 2000 р.

6. Kozhemyakin G. N., Komarov N. V. Observation of acoustic flow in the melts with ultrasonic vibrations // UI’01: Ultrasonics International, Delft, Holland, July 2-5, 2001.

 

Комаров М. В. Вирощування легованих монокристалів InSb і моделювання конвекції в розплаві при впливі ультразвуку. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05. 02. 01 – матеріалознавство. Національна Академія наук України, НТК “Інститут монокристалів”, Інститут монокристалів, м. Харків, 2002 р.

Дисертація присвячена розробці способу зниження шаруватої неоднорідності легуючої домішки телуру в монокристалах InSb, вирощених методом Чохральського.

Рішення цієї задачі здійснювали шляхом впливу ультразвуку на розплав у процесі витягування монокристала. Частота ультразвуку установлювалась від 0, 6 до 5, 0 МГц. Встановлено, що ультразвуковий вплив приводить до зниження шаруватості телуру, обумовленої ефектом “грані”. Запропоновано механізм впливу ультразвуку на шаруватість у цій області кристала завдяки утворенню стоячої звукової хвилі у розплаві.

Дослідження конвекції в модельній рідині показало, що в її обсязі між хвилеводом і диском формується стояча звукова хвиля. Як модельна рідина обрана дистильована вода, а домішки – частки Al та Al2O3. Частки концентруються у полі стоячої хвилі в площинах, відстань між якими відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді.

Ключові слова: шаруватість, ефективний коефіцієнт розподілу домішки, конвекція, стояча звукова хвиля.

 

Komarov N. V. The growth of doped InSb single crystals and the convection modeling in the melt under ultrasound influence. – Manuscript. The thesis for obtaining scientific Degree of the Candidate of science (Engineering), the speciality 05. 02. 01 – Materials studied. National Academy of Science of Ukraine, STC “Institute of Single Crystals”, Institute of Single Crystals, Kharkіv, 2002.

The thesis deals with elaborating the method of Te striations inhomogeneity decrease in InSb single crystals grown by Czochralski method.

Introducing ultrasound in the melt during the crystal growth has solved this problem. The ultrasound frequency was changed from 0. 6 to 5 MHz. It was noted that ultrasound had an influence on decreasing Te striations in the facet. The mechanism of ultrasound influence on the striations in the central part of the crystal thanks to appearing of standing wave in the melt was suggested.

The investigation of the convection in the model liquid showed, that the standing sound wave is formed in the volume between the waveguide and the disk. The model liquid was distilled water; Al and Al2O3 were used as dopant. The parts are concentrated in the field of standing wave in the planes the distance between which is equal to the half of the wavelength in the water.

Keywords: striations; effective distribution coefficient of a dopant; convection; standing ultrasonic wave.

 

Комаров Н. В. Выращивание легированных монокристаллов InSb и моделирование конвекции в расплаве при воздействии ультразвука. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 01 – материаловедение. Национальная Академия наук Украины, НТК “Институт монокристаллов”, Институт монокристаллов, г. Харьков, 2002 г.

Диссертация посвящена разработке способа снижения слоистости легирующей примеси теллура в монокристаллах InSb, выращенных методом Чохральского.

Решение этой задачи осуществляли путем введения ультразвука от пьзопреобразователя через кварцевый волновод в расплав в процессе вытягивания монокристалла. Частота ультразвука устанавливалась от 0, 6 до 5, 0 МГц, а его интенсивность не превышала 0, 1 Вт/см2. Слоистость теллура выявляли методом химического травления на предварительно подготовленной поверхности монокристалла InSb параллельной плоскости (211). Распределение теллура изучали с помощью оптического МИМ-7 и электронного “Nanolab-2100” микроскопов.

Установлено, что ультразвуковое воздействие приводит к снижению слоистости теллура, обусловленной эффектом “грани”. Узкие слои теллура с периодичностью 2-3 мкм не устранялись при данных условиях ультразвукового воздействия.

Предложен механизм воздействия ультразвука на снижение слоистости теллура в области “грани”, состоящий в формировании стоячей ультразвуковой волны в расплаве под вытягиваемым монокристаллом. При образовании стоячей ультразвуковой волны в ее поле может увеличиваться эффективная вязкость расплава, что способствует приближению эффективного коэффициента распределения примеси к 1, а, следовательно, и снижению слоистости. Воздействие ультразвука, таким образом, может снижать конвекцию в расплаве и обеспечить преобладание диффузионного массопереноса. Это подтверждается расчетами эффективного коэффициента распределения согласно модели Острогорского-Мюллера.

Разработана методика изучения конвекции в модельной жидкости при воздействии ультразвука в условиях подобных выращиванию монокристаллов методом Чохральского. Данная методика подобна известному методу “светового ножа”. Размеры камеры с жидкостью в 5 раз превышали размеры тигля с расплавом. В качестве модельной жидкости выбрана дистиллированная вода, гидродинамические свойства которой приближаются к исследуемому расплаву In-Sb. Критериями подобия были выбраны числа Рэлея и Шмидта. Наблюдение конвективных потоков в жидкости осуществляли с помощью цифровой видеокамеры на светорассеивающих частицах Al и Al2O3, взвешенных в ней.

Характер свободной термогравитационной конвекции, наблюдаемый в экспериментах, соответствовал расчетным данным. Отличие температуры на 0, 1 градуса между дном камеры и поверхностью диска, имитирующего кристалл, приводило к возникновению нестационарной конвекции.

Изучено влияние вращения диска, формы границы раздела диска с жидкостью, градиента температуры и высоты уровня жидкости на конвекцию при воздействии ультразвука с частотой 0, 6 и 1, 2 МГц.

Экспериментально установлено, что в объеме жидкости между волноводом и диском формировалась стоячая ультразвуковая волна. Частицы алюминия, имеющие форму пластин, ориентировались в ультразвуковом поле плоскостью перпендикулярно направлению распространения волны. Частицы Al2O3 сферической формы концентрировались в поле стоячей волны в плоскостях, расстояние между которыми соответствовало половине длины ультразвуковой волны в воде. Процесс формирования стоячей волны осуществлялся в течение 5-7 секунд с момента включения ультразвукового преобразователя. Образование стоячей волны не зависело от высоты уровня жидкости и изменения интенсивности ультразвука от минимального порогового значения. При высоком уровне нестационарной конвекции эффективность воздействия ультразвука снижалась. Это было обусловлено увеличением градиента температуры в жидкости до 2 К/см и частоты вращения диска более 20 об/мин.

Было исследовано влияние плоской, выпуклой и вогнутой формы поверхности диска на формирование стоячей ультразвуковой волны. Наилучшие результаты наблюдали при плоской поверхности диска. В объеме жидкости за пределами области стоячей ультразвуковой волны конвективные течения сохранялись, что способствовало ее перемешиванию.

Аналогичные процессы, надо полагать, протекают в расплаве при воздействии на него ультразвука. Уменьшение конвективного перемешивания расплава под кристаллом в объеме ультразвукового поля способствует снижению слоистости в вытягиваемом монокристалле. Конвекция вне указанного объема может положительно влиять на однородность расплава в результате его перемешивания.

Таким образом, данный способ можно использовать для выращивания однородных монокристаллов полупроводниковых материалов наряду с известными методами воздействия на расплав магнитных и электромагнитных полей.

Использование предложенного способа выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, в частности GaAs и сплавов Bi-Sb, позволило значительно снизить неоднородность распределения компонентов в них.

Ключевые слова: слоистость, эффективный коэффициент распределения примеси, конвекция, стоячая звуковая волна.