11.1.1.2. Методы выращивания диэлектрических лазерных кристаллов из расплава

Всю совокупность методов выращивания монокристаллов из рас­плава можно разделить на две группы:

1) методы с малым объемом расплава (методы Вернейля и зон­ной плавки и т.п.);

2) методы с большим объемом расплава (методы Киропулоса, Чохральского, Стокбаргера, Бриджмана и т.п.).

Величина объема расплава влияет на характер и интенсивность ряда физико-химических процессов, происходящих в расплаве» Рас­плавленное вещество может подвергаться, диссоциации, а продукты диссоциации испаряться в атмосферу. Для подобных веществ следует ограничить время пребывания в расплавленном состоянии, т.е. их следует выращивать методами с малым объемом расплава. То же условие должно выполняться для веществ, расплавы которых актив­но взаимодействуют с материалом контейнера и с кристаллизацион­ной атмосферой: чем меньше объем их расплава, тем меньше загряз­нение кристалла продуктами взаимодействия расплава с окружающей средой. Для обеих групп характерно и различие условий конвекции, Ясно, что в большом объеме расплава конвективные потоки, обус­ловленные разностью температур в разных участках расплава, раз­виваются свободно и конвективный перенос вещества (примеси) играет заметную роль, В то же время в малом объеме расплава конвекция не может получить такого развития и перенос осуществляется лишь путем диффузии, либо за счет принудительного пере­мешивания, как например, в методе оптической зонной плавки. Од­ной из основных причин периодических флуктуации температуры в непосредственной близости от фронта кристаллизации является нали­чие асимметрического поля в расплаве. Кроме возможного наличия бокового смотрового окна, причиной нарушения радиальной температурной симметрии в зоне кристаллизации является прежде всего нарушение центровки тигля относительно- затравки и нагрева­теля. Из-за вращения кристалла, каждая точка вблизи фронта кри­сталлизации (кроме середины) проходит периодически горячие и холодные ионы, так что локальная скорость роста \/_лок меняется

по времени по закону

\/_лок=V₀-2πωΔT/G_L=соs2π·ωt (11.1.9)

где V₀-скорость вытягивания; ΔT-изменение температуры за один цикл вращения; ω- частота вращения; G_L- градиент температуры в расплаве; t - время.

Теоретическое исследование пульсации скорости кристаллизации при выращивании по методу Чохральского показывает, что уже при очень малом расстоянии между температурной осью тигельного уст­ройства и осью вращения (порядка 0,1 мм) локальная скорость роста в более горячей части расплава может стать даже отрицатель­ной, т.е. может наблюдаться эффект повторного расплавления. Подобное явление наблюдается и в результате неточной центровки или ориентации затравки относительно оси вытягивания. Меры, пред­принимаемые для предотвращения появления дефектов, вызванных этими процессами, направлены как на совершенствование технологии выращивания, так и на улучшение технических параметров установок.

В методах с большим объемом расплава обычно применяются контейнеры (тигли) в силу чего их еще называют контейнерными. Основным критерием применимости контейнерных методов является отсутствие взаимной растворимости и химического взаимодействия кристаллизуемого вещества и материала контейнера. К материалу контейнера предъявляются следующие требования: достаточная меха­ническая прочность, обрабатываемость материала, близость коэффи­циентов расширения (сжатия) материала контейнера и кристаллизуе­мого вещества, определенная величина электропроводности (в случае высокочастотного нагрева) и возможность предварительной очистки стенок контейнера химическими или другими методами. При выращивании из тиглей тугоплавких монокристаллов оксидных соединений характерно наличие в последних металлических включений.

В качестве посторонней фазы наблюдались иридиевые или родиевые частицы в ви­де дисков определенной геометрической формы (с диаметром поряд­ка 30 мкм и толщиной 1-2 мкм). Как было показано, диспергирование тигельного материала связано с его химическим взаимодействием с газообраз­ными окислителями, содержащимися в инертной атмосфере, а также с распадом нестабильных летучих оксидов иридия. Наблюдается корреляция между степенью загрязнения кристалла и чистотой инертного газа. Кроме выбора подходящей атмосферы на захват кристаллом метал­лических частиц влияет и степень стабилизации условий роста. При выборе материала контейнера следует учитывать, что его взаимодей­ствие с расплавом может быть вызвано влиянием посторонних ве­ществ, содержащихся в исходной шихте или адсорбированных на стен­ках контейнера, кристаллизационной камеры на рабочих элементах печи и т.д., а также влиянием веществ (например, кислорода и вла­ги), попадающих в расплав из атмосферы. В табл. 11.1.1 приведены основные контейнерные материалы, используемые при выращивании монокристаллов различных соединений РЗЭ.

Роль атмосферы может быть как пассивной, так и активной, в последнем случае атмосфера взаимодействует с расплавом, тормозя те или иные процессы или способствуя их протеканию. При выращи­вании монокристаллов различают кристаллизацию в вакууме, в ней­тральной (гелий, аргон, азот), в окислительной (воздух, кислород) или восстановительной (водород, угарный газ) атмосферах. Вакуум используется для химической очистки расплава от диссоциации. С целью снижения интенсивности испарения вещества широко использу­ется нейтральная атмосфера. Преимущественное использование при кристаллизации гелия, аргона и азота обусловлено тем, что для этих газов разработаны эффективные отечественные системы химической очистки. Подавляющее большинство тугоплавких соединений в процес­се плавления диссоциирует, при этом изменяются физико-химические свойства расплава и нарушается стехиометрия кристалла. В связи с термической диссоциацией тугоплавких оксидов следует об­ратить внимание на два обстоятельства: с одной стороны, насыщение расплава низшими оксидами придает ему восстановительные свойст­ва, что положительно сказывается на стойкости металлических кон­тейнеров, из. которых ведется выращивание, а с другом стороны - нарушение стехиометрии расплава способствует образованию в кри­сталле дефектов. Восстановительная атмосфера используется для предотвращения в расплаве реакций окисления. Кислородсодержа­щая атмосфера желательна при кристаллизации любых оксидных соединений, особенно тех, которые характеризуются недостаточно сильной химической связью по кислороду, В последнее время предприняты попытки вести кристаллизацию халькогенидов в атмосфере паров серы или сероуглерода.

Таблица 11.1.1

Материалы контейнеров, используемые для выращивания монокристаллов высокотемпературных веществ

Материал контейнера	Максимально допустимые рабочие температуры, К	Кристаллизуемое вещество	Атмосфера кристал­лизации
Иридий	2473	Редкоземельные оксиды, алюминаты, гранаты скандаты, паллаты, РЗЭ, скандат бария	Вакуум, инертная, восстановительная и окислительная
Молибден	2473	Редкоземельные оксиды, алюминаты, гранаты скандаты РЗЭ, сульфиды РЗЭ	Вакуум, инертная и восстановительная
Вольфрам	3273	″	″
Тантал	2500	″	″
Сплав вольфрам-молибден	2773	″	″
Платина	1773		Вакуум, инертная, и окислительная
Родий	1973	″	″
Платино-родиевые сплавы	1923	″	″
Пирографит	2500	сульфиды	Вакуум, инертная и восстановительная