ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 11, с. 47-50
УДК 548.57
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ
© 2013 г. И. А. Каплунов, О. В. Малышкина, А. И. Колесников, Р. М. Гречишкин,
Е. И. Каплунова, А. И. Иванова
Тверской государственный университет, Тверь, Россия Поступила в редакцию 12.02.2013 г.
Исследована связь между образованием структурных дефектов и кинетикой роста монокристаллов германия из расплава. Использовались методы селективного химического травления, оптической, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии. Установлено, что микрорельеф поверхности кристаллов германия, выращиваемых из расплава методом направленной кристаллизации, содержит выступы и впадины с пространственной периодичностью 5 и 50 мкм. Оценены кинетические коэффициенты и показано, что основная часть кристаллов сформирована по нормальному механизму с кинетическим коэффициентом рк = 2 х 10-5 м • с-1 • К-1.
БОТ: 10.7868/80207352813110085
ВВЕДЕНИЕ
Монокристаллы германия в форме диска для применения в качестве элементов оптики инфракрасного диапазона выращивают разными методами: Чохральского, Степанова, направленной кристаллизации [1, 2]. Морфология поверхности кристаллов отражает изменения кинетики их роста. На поверхности монокристалла имеет место совокупность выступов и впадин — так называемая периодическая "нарезка". Причиной появления такого рельефа являются периодические колебания температуры в расплаве и поднятие расплава в процессе вытягивании кристалла (в методах, использующих осевое перемещение) за счет сил поверхностного натяжения. Колебания температуры происходят за достаточно короткие промежутки времени, однако могут приводить к существенной примесной неоднородности (как легирующей, так и фоновых примесей, в частности кислорода), вызывать образование таких структурных дефектов, как дислокации, малоугловые границы, полосы скольжения [3].
Целью настоящей работы явилось изучение связи между образованием структурных дефектов и кинетикой роста монокристаллов германия из расплава. Помимо традиционного метода селективного химического травления, применяемого при выявлении дислокаций, для изучения дефектов были использованы методы оптической, атомно-силовой (АСМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Для изучения топографии поверхности образца методом РЭМ использовался режим вторичных электронов (SEI), а в методе АСМ — полуконтактный режим. Исследования проводились на атомно-силовом микроскопе Na-noeducator-II ("NT-МОТ") с использованием воль-
фрамового кантилевера и на растровом электронном микроскопе ШОЬ 18М-6610Ш
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Выращенные по Чохральскому монокристаллы германия имеют цилиндрическую форму слитков. Монокристаллы, выращенные модифицированным способом Степанова [4] и методом направленной кристаллизации [5, 6], характеризуются плоской верхней поверхностью (рис. 1).
Рис. 1. Монокристалл германия диаметром 250 мм (оптическая фотография).
48
КАПЛУНОВ и др.
Рис. 2. РЭМ-изображение микрорельефа на боковой поверхности кристалла германия (метод Чохральско-го), х 500.
Рис. 3. РЭМ-изображение периодического рельефа и выхода грани {111} на верхней поверхности монокристалла (метод направленной кристаллизации), х 350.
I00 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 нм
Рис. 4. Периодический рельеф на верхней поверхности монокристалла, выращенного методом направленной кристаллизации. Полуконтактный режим АСМ.
На боковой (в первом случае) и торцевой поверхности монокристаллов (во втором случае) присутствует рельеф в виде периодических выступов и впадин. Вызывающие их появление колебания температуры и амплитуда колебаний зависят от абсолютной температуры расплава, от его переохлаждения, градиента температур, массы расплава, механических воздействий, от скоростей вращения кристалла и тигля. Частота колебаний температуры находится в пределах (10-2)—(5 х 10-1) Гц, амплитуда может достигать нескольких градусов. Спектр колебаний достаточно сложен и, помимо основной гармоники, может содержать до десятка гармоник с другой частотой и меньшей амплитудой.
С помощью оптической микроскопии, АСМ и РЭМ было установлено, что в микрорельефе поверхностей кристаллов германия, выращиваемых из расплава по Чохральскому и методом направленной кристаллизации, наблюдаются выступы и впадины с разной пространственной периодичностью (рис. 2—4). Крупногабаритные монокристаллы, выращиваемые со скоростью ~1 мм/мин при вращении со скоростью ~ 20 об./мин, имеют явно выраженную пространственную периодичность элементов рельефа 5 и 50 мкм (рис. 3), а также тонкую структуру, минимальная периодичность которой составляет 0.1 мкм (рис. 4). При такой скорости роста колебания, вызывающие появления с периодичностью 5 и 50 мкм, имеют периоды т1 ~ 0.3 с и т2 ~ 3 с. Если в методе Чо-хральского рельеф монокристаллов характеризует изменение радиуса AR, то в данном случае колебания температур изменяют высоту рельефа Ah.
АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Выявленные в работе температурные флуктуации различных временных масштабов могут быть или полностью подавлены, или уменьшены путем изменения некоторых технологических параметров процессов роста — скорости вытягивания, температурных градиентов, скоростей вращения кристалла и тигля. Соответствующее уменьшение содержания различных структурных дефектов должно увеличить оптическую однородность материала и в целом улучшить параметры устройств на основе монокристаллов германия.
Для решения большинства задач, связанных с техническими аспектами выращивания кристаллов способом Чохральского, и в том числе кристаллов германия, достаточно учитывать только выделение скрытой теплоты кристаллизации и условия теплоотвода от межфазной границы. Тем не менее, и при таком подходе мы имеем как устойчивый, так и неустойчивый варианты для разных размеров кристалла. Более точная модель расчета условий
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ
49
устойчивости предполагает наличие переохлаждения АТ на фронте кристаллизации. Практически температура кристаллизации отличается от равновесий (Т0е) и является функцией скорости роста (V): Т0 = Т0(V). Переохлаждение в этом случае можно записать как АТ= Т0е — Т0( V). Тогда величины температурных градиентов зависят уже не только от мгновенного положения фронта кристаллизации, но и от мгновенной скорости кристаллизации.
При различных механизмах роста реализуются следующие зависимости скорости роста от переохлаждения: линейная, квадратичная и экспоненциальная, которые связаны с механизмом роста грани — нормальным, слоевым ростом на дислокациях или на ступенях сингулярной грани [7].
Теоретические соображения указывают на возможные способы экспериментального определения зависимости скорости роста V кристаллов от переохлаждения АТ. Если известны колебания температуры в расплаве вблизи фронта кристаллизации с двойной амплитудой 2АТ, то за переохлаждение можно условно принять величину АТ. Исследуя морфоллогию поверхности кристалла, можно по колебаниям высоты профиля рельефа Ак и по расстояниям 21 между максимумами или минимумами профиля, связанным со скоростью вытягивания очевидным соотношением 2Ак = 2УВАЯ, найти скорость роста в радиальном направлении VR:
= (Ак/21)АТ. (1)
Исследуя взаимосвязь рельефа и скорости роста, можно получить зависимости VR(n) = /(АТп), где п — номер эксперимента.
При наличии неоднородности температурного поля в центре тигля каждый оборот кристалла приводит к росту при попадании участка поверхности на фронте кристаллизации в более холодный расплав и подплавлению при попадании в более горячий расплав. Изменения флуктуаций температуры АТ вблизи фронта кристаллизации при выращивании германия методом Чохраль-ского [8, 9], дают для АТ значения 1—2 К. Располагая известными данными о величинах АТ, Ак и Ат, а также о рельефе поверхности кристалла Ак = =/(/), можно оценить и механизм роста кристалла в радиальном направлении, и величину кинетического коэффициента в к.
Для условий выращивания монокристаллов германия в форме диска способом направленной кристаллизации при указанной зависимости температуры от времени и наблюдаемой форме профиля поверхности зависимость скорости роста
кристаллов германия соответствует нормальному механизму:
V = вкАТ. (2)
Для значений скорости 16.7 х 10-3 м • с-1 и переохлаждения АТ = 1 К, кинетический коэффициент составляет вк ~ 6 х 10-5 м • с-1 • К-1. На гранях, появляющихся на поверхности (это грани {111} октаэдра кристаллов германия), высоты выступов приблизительно в три раза меньше (рис. 3) и, соответственно, кинетический коэффициент также в три раза меньше (вк ~ 2 х 10-5 м • с-1 • К-1).
Методом селективного химического травления определена плотность дислокаций в монокристаллах. На участках кристаллов, соответствующих пирамидам роста граней {111}, плотность дислокаций минимальна и составляет примерно 1 х 104 см-2, а на участках, соответствующих округлому фронту кристаллизации, она приблизительно в три раза выше ~ 3 х 104 см-2). Участки поверхности при выращивании кристаллов германия способом направленной кристаллизации сформированы по нормальному механизму роста (рис. 1), а на гранных участках механизм роста близок к послойному (тангенциальному). При этом плотность дислокаций в исследованных кристаллах прямо пропорциональна величине переохлаждения расплава: Ш ~ АТ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В микрорельефе боковых поверхностей кристаллов германия методом растровой электронной микроскопии выявлен рельеф в виде выступов и впадин с пространственной периодичностью 5 и 50 мкм, соответствующей периодам времени 0.3 и 3 с.
Оценены механизмы роста и кинетические коэффициенты, характерные для образования участков кристалла, прилегающих к цилиндрической боковой поверхности. Показано, что большая часть этих участков сформирована по нормальному механизму роста с кинетическим коэффициентом вк = 6 х 10-5 м • с-1 • К-1. Минимальная плотность дислокаций зафиксирована на участках кристаллов германия, соответствующих пирамидам роста сингулярных граней {111}, образованных при послойном (т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.