|
Влияние оптико-геометрических параметров ростового узла на устойчивость процесса выращивания кристаллов по Чохральскому Санкт-Петербургский государственный университет Научный руководитель: Смирнов Валерий Борисович, д. ф.-м. н., профессор Рассматриваются способы управления динамической устойчивостью системы кристалл-расплав (ДУСКР) при выращивании оксидных монокристаллов методом Чохральского. Из литературы известно, что ДУСКР определяется в методе Чохральского капиллярными и тепловыми условиями. Капиллярные в рамках метода Чохральского фиксированы, поэтому управлять ДУСКР можно только, изменяя тепловые условия [1]. Основная характеристика устойчивости - время релаксации системы к стационарному состоянию - определяется величиной градиента температуры в кристалле на фронте кристаллизации G S.На основе рассмотрения двух краевых задач теплопроводности было показано, что градиент G S определяется, в основном величиной теплоотвода с боковой поверхности кристалла, удаленной от фронта кристаллизации не более чем на , где R - радиус кристалла, Bi - число Био
(рис.1).
При выращивании высокотемпературных оксидов значительная часть теплопотерь с поверхности кристалла осуществляется посредством излучения. Учитывая объемный характер излучательных теплопотерь, этот способ теплоотвода является более предпочтительным для оксидов, так как газовый обдув, предложенный в [1], приводит к локальным градиентам температуры и термическим напряжениям, что является причиной растрескивания кристаллов. В [2] предложена отражательная диафрагма, расположенная над поверхностью расплава и облекающая кристалл. На основе простой модели излучательного теплопереноса показано, что наибольшие теплопотери с поверхности кристалла обеспечивают минимальный зазор между диафрагмой и кристаллом и минимальное расстояние между диафрагмой и поверхностью расплава. Эти же параметры диафрагмы были получены в [2] экспериментально, как обеспечивающие наилучшее постоянство формы выращиваемого кристалла и, следовательно, его наилучшую оптическую однородность. С использованием той же модели излучательного теплопереноса, которая была применена к системе с диафрагмой, предложены и оптимизированы еще две конфигурации экранов системы. Это прозрачная для ИК излучения щель в верхних экранах системы (рис.1.a) и сочетание диафрагмы с щелью (рис.1.b), которое позволяет обеспечить наибольшие теплопотери с поверхности кристалла. При оптимизации последних двух конфигураций экранов учитывалось то обстоятельство, что ДУСКР при выращивании оксидов не является единственным приоритетом при выборе параметров тепловой зоны, поэтому зона повышенного теплоотвода с поверхности кристалла ограничена сверху высотой L от фронта кристаллизации. Такая величина зоны повышенного теплоотвода обеспечивает величину градиента G S, сравнимую с максимально достижимой, при минимальном размере этой зоны.
Рис.1 При наличии падения уровня расплава взаимное расположение тепловых экранов системы и фронта кристаллизации с течением процесса изменяется. С учетом этого обстоятельства, для системы с щелью и системы с сочетанием диафрагмы и щели оптимальным будет следующее соотношение параметров: s· d/s і h+H, где s - высота щели, d - расстояние от кристалла до внутренней поверхности диафрагмы или щели, s -толщина керамических экранов системы, h - начальный уровень расплава от кромки тигля, H - величина падения уровня расплава за процесс.Литература:
|
| (c) АСФ России, 2001 |