Використання: винахід відноситься до отримання штучних кристалів, які використовуються в різних областях техніки і направлено на підвищення однорідності вирощуваних кристалів шляхом збереження поверхневої плівки під час всього процесу зростання кристала. Сутність: спосіб вирощування кристалів в невагомості включає нанесення плівки на поверхню вихідного злитка, при цьому плівку виконують з матеріалу з більш низькою температурою плавлення, ніж температура плавлення речовини вирощуваного кристала, і розплав якого змочує злиток, але не змішується з речовиною кристала в розплавленому стані. Крім того, плівку виконують товщиною 0,15-1,0 мм. 1 з. п. ф-ли.
Винахід відноситься до отримання штучних кристалів, які використовуються в різних областях техніки.
Відомий спосіб отримання кристалів методом зонного плавлення, що включає розміщення в човнику затравочного монокристалла і шихти і наступне нагрівання переміщається щодо човники нагрівачем, що забезпечує рух розплавленої зони від затравки до протилежного кінця човники (див. Р. Лодіз, Р.Паркер. Зростання монокристалів. М. "Світ", 1974 г. с. 220).
Недоліками відомого методу є підвищені механічні напруги в обсязі вирощеного кристала і нерівномірний розподіл основних компонентів і домішок за обсягом кристала.
Відомий спосіб отримання монокристалів методом бестигельной зонного плавлення (К. -Т. Вільке. Вирощування кристалів, Л. "Надра", 1977 року з. 372-373). Спосіб полягає в тому, що попередньо готують литий стрижень з вихідного матеріалу, який в подальшому розміщують в нагрівальному пристрої із забезпеченням взаємного переміщення стрижня і нагрівача, що в свою чергу забезпечує переміщення розплавленої зони вздовж стрижня. Розплавлена зона утримується між обома частинами стрижня силами поверхневого натягу.
Недоліком відомого способу є недостатньо висока однорідність одержуваних кристалів, що обумовлено впливом конвекції в розплаві, викликаної силами гравітації.
Відомий спосіб отримання кристалів методом бестигельной зонного плавлення в умовах невагомості (див. І.В.Бармін, Н.А.Верезуб, Е.С.Копеліовіч, В.В.Раков, Е. С.Юрова. Про вплив деяких факторів на властивості напівпровідникових матеріалів, отриманих бестигельной зонної плавкою в умовах мікроускореній. Зб. Гідромеханіка і тепломасообмін в невагомості. СО АН СРСР, Новосибірськ, 1988 г. с. 132-133).
Недоліком відомого способу є наявність неоднорідностей за складом (компонентів і домішок), обумовлених наявністю концентрационно-капілярної конвекції в розплаві.
Недоліком відомого способу є те, що окісна плівка, що має більш високу температуру плавлення, в процесі здійснення перекристалізації частково розтріскувалася і, таким чином, переставала виконувати свою функцію придушення концентрационно-капілярної конвекції, що призводило до неоднорідності кристала. Крім того, деякі фрагменти окисної плівки впроваджувалися в зростаючий кристал і це також позначалося на якості кристала.
Виконання ж плівки достатньої товщини, яка дозволяє уникнути її руйнування, призводить до виникнення механічних напружень в вирощених кристалах.
Заявляється винахід направлено на підвищення однорідності вирощуваних кристалів шляхом збереження поверхневої плівки під час всього процесу зростання кристала.
Зазначений результат досягається тим, що спосіб вирощування кристалів в невагомості включає нанесення плівки на поверхню вихідного злитка, при цьому плівку виконують з матеріалу з більш низькою температурою плавлення, ніж температура плавлення речовини вирощуваного кристала і розплав якого змочує злиток, але не змішується з речовиною кристала в розплавленому стані.
Зазначений результат досягається також тим, що плівку виконують товщиною 0,15-1,0 мм.
Відмінними ознаками заявляється способу є:
виконання плівки на поверхні злитка з матеріалу, температура плавлення якого нижче температури плавлення речовини вирощуваного кристала;
виконання плівки на поверхні злитка з матеріалу, розплав якого змочує злиток;
виконання плівки на поверхні злитка з матеріалу, розплав якого не змішується з розплавом речовини, з якого вирощують кристал;
виконання плівки на поверхні злитка товщиною 0,15-1,0 мм.
Виконання плівки на поверхні злитка з матеріалу, температура плавлення якого нижче температури плавлення речовини вирощуваного кристала, дозволяє зберегти плівку на злитку в процесі всього технологічного циклу і тим самим придушити концентрационно-капілярну конвекцію і забезпечити високу однорідність кристала за складом у всьому обсязі. Оскільки температура плавлення матеріалу плівки нижче температури плавлення злитка, то в зоні розплаву плівка на відміну від способу-прототипу буде перебувати в рідкому стані, а значить, не буде розтріскуватися. Крім того, оскільки плівка твердне пізніше затвердіння зони розплаву, це знижує механічні напруги в вирощеному кристалі.
Для того щоб плівка зберігалася на поверхні злитка протягом всього технологічного циклу, в тому числі, і перебуваючи в рідкому стані, матеріал плівки повинен володіти смачиваемостью щодо речовини кристала незалежно від того, в якому воно стані знаходиться рідкому або твердому. Тоді, враховуючи, що процес здійснюється в невагомості, плівка буде утримуватися на поверхні злитка силами поверхневого натягу.
Виконання плівки на поверхні злитка з матеріалу, розплав якого не змішується з розплавом кристаллизуемой речовини, запобігає потраплянню матеріалу плівки в кристал і тим самим забезпечує однорідність складу кристала за обсягом.
Виконання плівки на поверхні злитка товщиною менше 0,15 мм не забезпечує збереження плівки протягом всього технологічного циклу. Виконання плівки товщиною більше 1,0 мм призводить до спотворення оптимальних теплових полів, необхідних для процесу зростання кристала, що негативно відбивається на його якості.
Суть винаходу пояснюється прикладами реалізації способу вирощування кристалів методом бестигельной зонного плавлення в умовах невагомості.
У загальному випадку спосіб реалізується в такий спосіб.
Спочатку вибирається вихідна сполука, з якого передбачається вирощувати монокристали. Потім експериментально підбирається речовина для нанесення плівки на злиток, виходячи з таких умов:
температура плавлення речовини для плівки повинна бути нижче температури плавлення речовини кристала;
розплав речовини плівки повинен змочувати кристал;
розплав речовини плівки не повинен змішуватися з розплавом речовини кристала.
З приготовленої для вирощування монокристалів шихти відомим методом (литтям, витягуванням з розплаву методом Чохральського або Степанова і т. Д.) Отримують вихідний злиток, який в залежності від способу його отримання може піддаватися додатковій механічній обробці чи ні. На отриманий вихідний злиток наносять плівку з підібраного для цієї речовини. Плівка може наноситися опусканням злитка в розплав з подальшим охолодженням на повітрі. Оскільки розплав обраного речовини є смачивающей по відношенню до зливка рідиною, то він покриває злиток повністю і твердне. Товщину наноситься плівки регулюють підбором температурних параметрів. Крім описаного, плівка може наноситися і іншими відомими методами (хімічне осадження, напилення розплавом і т. П.) Підготовлений таким чином злиток розміщують в технологічній установці, яка встановлюється на борту пілотованої орбітальної станції або автоматичному супутнику Землі. (В даному випадку експерименти проводилися на орбітальній станції "Мир" і супутниках серій "Фотон" і "Космос"). Після виходу космічного апарату на стаціонарну орбіту по команді з Землі (автоматичний режим) або оператором на станції (пілотований режим) включається технологічна установка і весь цикл вирощування кристалів або бестигельной зонної плавкою, або спрямованою кристалізацією здійснюється за програмою, закладеною в систему управління установкою, яка передбачає нагрів за допомогою резистивного нагрівача до температури, на 10-20 o C перевищує температуру плавлення речовини вирощуваного кристала, і подальшу кр сталлізацію злитка зі швидкістю 1-4 мм / год.
Після завершення процесу кристалізації установка відключається, охолоджується.
Вирощені кристали транспортуються на Землю і піддаються дослідженню.
Приклад 1. Методом Чохральського був отриманий вихідний злиток антімоніда галію діаметром 15 мм і довжиною 110 мм. Злиток був розміщений в технологічній установці "Зона", встановленої на супутнику серії "Космос", що функціонує в автоматичному режимі. Ніякого покриття на злиток не завдають. Після проведення перекристалізації методом бестигельной зонного плавлення кристали були доставлені на Землю і піддані дослідженню для встановлення однорідності складу за обсягом методом опору розтікання на установці "ASR-100C" виробництва фірми "Solid State Measurement" (США), що дозволяє визначати неоднорідність з точністю до 1 В внаслідок проведення експериментів встановлено, що величина неоднорідності склала 6
Приклад 2. Вихідний злиток антімоніда галію довжиною 110 мм і діаметром 15 мм, отриманий методом спрямованої кристалізації, був покритий окисной плівкою складу GaSbO4. Установка для бестигельной зонного плавлення з розміщеним в ній злитком була запущена на навколоземну орбіту на штучному супутнику Землі "Фотон". Дослідження отриманих після перекристалізації методом бестигельной зонного плавлення кристалів на установці "ASR-100C" показало, що в областях кристала, де окісна плівка була порушена (визначалося візуально), коливання неоднорідності склали 6 а де плівка збереглася 1,5-1,6
Приклад 3. Вихідний злиток антімоніда галію довжиною 110 мм і діаметром 15 мм, отриманий методом спрямованої кристалізації, був покритий шаром борного ангідриду (B2 O3) товщиною 0,5 мм шляхом занурення кристала в розплав B2 O3. Температура плавлення антімоніда галію 712 o C, температура плавлення борного ангідриду 450 o C. Покритий плівкою злиток містився в технологічну установку "Сплав", встановлену на борту супутника "Фотон", для проведення спрямованої кристалізації. Після проведення технологічного процесу отримані кристали були доставлені на Землю. Візуальний огляд показав, що плівка B2 O3 збереглася по всій поверхні вирощеного кристала. Після видалення плівки B2 O3 гарячою водою кристали досліджували з метою визначення однорідності по складу методом опору розтікання. Встановлено, що коливання неоднорідності за обсягом склали 1,2-1,5
Приклад 4. Процес здійснювався, як описано в прикладі 3, за винятком того, що товщина плівки B2 O3 на поверхні кристала антімоніда галію склала 0,13 мм. Візуальний огляд отриманого кристала показав порушення суцільності плівки на окремих ділянках поверхні кристала. Дослідження на однорідність складу показало, що в областях кристала, відповідних ушкоджених ділянок плівки, неоднорідність становить 5,8-6,1
Приклад 5. Процес здійснювався, як описано в прикладі 3, за винятком того, що товщина плівки B2 O3 склала 0,15 мм. Візуальний огляд кристала показав, що плівка збереглася по всій поверхні кристала. Коливання неоднорідності за складом в обсязі кристала склали 1,2-1,5
Приклад 6. Процес здійснювався, як описано в прикладі 3, за винятком того, що товщина плівки на поверхні злитка антімоніда галію склала 1,0 мм. Візуальний огляд кристала показав збереження плівки на всій поверхні. Коливання неоднорідності складу за обсягом кристала склали 1,2-1,5
Приклад 7. Процес здійснювався, як описано в прикладі 3, за винятком того, що товщина плівки B2 O3 на поверхні злитка склала 1,1 мм. Візуальний огляд кристала показав збереження плівки по всій поверхні. Коливання неоднорідності складу за обсягом кристала склали 1,8-2,2 що пояснюється викривленням фронту кристалізації за рахунок спотворення теплових полів, обумовлених наявністю плівки на поверхні злитка.
Приклад 8. Вихідний злиток арсеніду галію діаметром 20 мм і довжиною 150 мм, отриманий методом Чохральського, був покритий плівкою хлориду кальцію (температура плавлення 772 o C) товщиною 0,6 мм і поміщений в технологічну установку, встановлену на орбітальній станції "Мир". Після здійснення перекристалізації злитка на приманку методом бестигельной зонного плавлення кристал був доставлений на Землю. Візуальний огляд показав збереження плівки на всій поверхні кристала. Встановлено, що коливання неоднорідності складу за обсягом кристала не перевищували 1,5
Приклад 9. Процес здійснювався, як описано в прикладі 8, за винятком того, що на вихідний злиток наносилася плівка зі скла наступного складу: 50 B2 O3 + 10 SiO2 + 30 PbO + 10 Al2 O3 (температура розм'якшення 500 o C). Завдана плівка збереглася на всьому кристалі. Коливання неоднорідності за складом склали 1,4
Приклад 10. Процес здійснювався, як описано в прикладі 8, за винятком того, що на вихідний злиток наносилася плівка борного ангідриду товщиною 0,7 мм. Плівка збереглася на всьому кристалі, коливання неоднорідності за складом 1,2
Приклад 11. Вихідний злиток германію довжиною 140 ми і діаметром 22 мм, отриманий методом спрямованої кристалізації, був покритий плівкою борного ангідриду товщиною 0,6 мм. Дослідження кристала, отриманого методом бестигельной зонного плавлення в умовах невагомості, показало, що плівка збереглася по всій поверхні кристала, а коливання неоднорідності за складом були в межах 1,2-1,4
Приклад 12. Спосіб здійснювався, як описано в прикладі 12, за винятком того, що вихідний злиток германію був покритий плівкою хлориду кальцію товщиною 0,8 мм. Коливання неоднорідності за складом склали 1,3-1,5
Приклад 13. Вихідний злиток арсеніду галію, отриманий методом Чохральського, довжиною 150 мм і діаметром 25 мм був покритий шаром скла типу "пирекс" з температурою розм'якшення 720 o C товщиною 0,4 мм. Дослідження кристала, отриманого методом бестигельной зонного плавлення в умовах невагомості, показало збереження нанесеного споя скла і наявність неоднорідності в кристалі не більше 1,2-1,4
Таким чином, отримання кристалів методом бестигельной зонного плавлення в умовах невагомості при наявності на вихідних злитках плівки товщиною 0,15-1,0 мм з матеріалу, температура плавлення якого нижче температури плавлення речовини вирощуваного кристала, дозволяє істотно підвищити однорідність одержуваних кристалів.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб вирощування кристалів в умовах невагомості, що включає нанесення плівки на поверхню вихідного злитка і подальше вирощування кристала з розплаву, що відрізняється тим, що плівку виконують з матеріалу з більш низькою температурою плавлення, ніж температура плавлення вирощуваного кристала, і розплав якого змочує злиток, але не змішується з речовиною кристала в розплавленому стані.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що плівку виконують товщиною 0,15 - 1,0 мм.