Лабораторная работа 4 мЕтод двойного капиллярного тигля

Цель работы – моделирование условий выращивания кристаллов при подпитке из жидкой фазы; расчет режимов выращивания однородно легированных кристаллов заданной марки при подпитке как чистым расплавом, так и расплавом, содержащим легирующую примесь.

4.1. Общие сведения

Для получения кристаллов с равномерным распределением примеси по их длине используются методы подпитки. Подпитка расплава заключается в равномерной подаче в рабочий объем основного компонента кристаллизуемого вещества либо во введении в жидкую фазу или удалении из нее атомов легирующей примеси. С учетом этого подпитка может быть как положительной (увеличение концентрации легирующей примеси в рабочем расплаве), так и отрицательной (уменьшение концентрации легирующей примеси).

Для повышения концентрации примеси в рабочем объеме ее вводят в расплав из газовой фазы (из пара легирующего компонента или его соединения) либо механическим путем (сбрасыванием в расплав дозированных навесок лигатуры или растворением твердого подпитывающего стержня). Для понижения концентрации примеси ее удаляют испарением либо разбавляют рабочий расплав чистым основным компонентом (подпитка чистым веществом) либо основным веществом с меньшим содержанием легирующей примеси. Обязательным условием является независимость состава подпитки от состава рабочего расплава.

4.2. Выращивание кристаллов методом двойного капиллярного тигля

Метод двойного капиллярного тигля основан на подпитке рабочего расплава из жидкой фазы. Использование метода позволяет либо существенно улучшить однородность распределения примеси вдоль слитка либо выращивать однородно легированные кристаллы.

Схема установки для выращивания кристаллов методом двойного капиллярного тигля представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема установки для выращивания кристаллов методом двойного капиллярного тигля: 1 – кристалл; 2 – рабочий расплав; 3 – внутренний (рабочий) тигель; 4 – подпитывающий расплав; 5 – капиллярный канал; 6 – резистивный нагреватель; 7 – общий (подпитывающий) тигель

Рост кристалла происходит из внутреннего (рабочего) тигля, расположенного внутри общего (подпитывающего) тигля, соединенного с рабочим тиглем капиллярным каналом. В рабочем режиме идет непрерывный поток вещества через капилляр из подпитывающего к рабочему объему. Примесный компонент в капиллярном канале переносится двумя потоками: потоком j_ж, вызванным механическим перемещением расплава между сообщающимися сосудами,

j_ж = f_пС,

и потоком j_д, обусловленным молекулярной диффузией примесного компонента,

j_д = – ,

где f_п – скорость подачи подпитки; С – разность между концентрациями примеси в подпитывающем и рабочем объемах; l _кап – длина капилляра; D – коэффициент диффузии примеси в жидкой фазе.

Для того чтобы сохранить состав подпитывающего расплава независимым от состава рабочего расплава, должно выполняться условие

j_ж  j_д,

т. е. вещество должно переноситься только механическим потоком расплава, а молекулярная диффузия, приводящая к выравниванию концентраций примеси в рабочем и подпитывающем тиглях, должна быть подавлена. Тогда для скорости подачи подпитки f_п будет справедливо выражение

f_п  .

Это условие легко выполняется в случае длинных и тонких каналов.