ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 12, с. 22-25
УДК 548.5
СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ГЕРМАНИЯ © 2010 г. И. А. Каплунов, А. В. Шелопаев, А. И. Колесников
Тверской государственный университет, Тверь, Россия Поступила в редакцию 17.02.2009 г.
Исследовано возникновение и распределение дефектов структуры (дислокаций, малоугловых границ, линий скольжения, поликристаллических включений) в крупногабаритных монокристаллах германия, применяемых для изготовления оптических элементов.
ВВЕДЕНИЕ
Выращивание монокристаллов германия из расплава обычно сопровождается возникновением в них термоупругих напряжений и структурных дефектов [1, 2]. Вид дефектов, их распределение в объеме монокристалла и концентрация зависят от условий получения — метода выращивания, температурных условий, размеров монокристаллов и других факторов. Крупногабаритные монокристаллы германия обычно выращиваются методом Чохральского, модифицированным способом Степанова, методом направленной кристаллизации [3—5]. Основными структурными дефектами в кристаллах являются дислокации, линии (полосы) скольжения, малоугловые границы, поликристаллические включения. Механические свойства германия (в частности, значение критического напряжения возникновения дислокаций) обусловливают трудности получения бездислокационных и малодислокационных монокристаллов большого диаметра. А выращивание монокристаллов диаметром свыше 250—300 мм, свободных от таких протяженных объемных дефектов, как поликристаллические включения, также представляет собой сложную и до конца не решенную задачу. Об ограничении использования монокристаллов со структурными дефектами, а тем более поликристаллов, для изготовления деталей оптических систем упоминалось неоднократно [6—10]. Действующие в настоящее время технические условия допускают получение кристаллов германия для оптического применения с наличием поликристаллических областей; в зависимости от протяженности областей кристаллы германия делят на категории [11].
В настоящей работе исследовано влияние условий выращивания на возникновение и развитие поликристаллических включений в крупногабаритных монокристаллах, получаемых методом направленной кристаллизации.
ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СТРУКТУРЫ
Монокристаллы германия с ориентацией (111) получали методом направленной кристаллизации. Выращивание производили в вакууме или инертном газе в графитовом тепловом узле, включающем нагреватель и систему верхних, боковых и донных экранов. В качестве исходного сырья использовали зонноочищенный поликристаллический германий марки ГПЗ. Метод предполагает полное затвердевание расплава в графитовом тигле (который является формообразующим элементом) на затравочном кристалле [4, 5]. Для придания оптимальных оптических свойств монокристаллы легировали (путем введения лигатуры в исходную загрузку) сурьмой или висмутом; выращенные кристаллы имели электронный тип проводимости, концентрация примеси составляла 4 х 1013—8 х 1014 см-3 [9].
Контроль плотности дислокаций и оценка характера распределения дислокаций осуществлялся на шлифованных и химически полированных поверхностях монокристаллов, соответствующих плоскости (111), путем выявления дислокационных ямок с помощью избирательного химического травления. Изучение морфологии поверхности и определение плотности дислокации проводилось с помощью металлографического микроскопа МИМ-8.
В выращенных монокристаллах германия диаметром 170-250 мм наблюдались дислокации (плотность которых составляла от 5 х 103 до (1-4) х 104 см-2), присутствовали малоугловые границы и линии скольжения в незначительном количестве; в кристаллах диаметром более 200 мм встречались поликристаллические включения.
Поликристаллические включения в германии являются объемными дефектами, которые характеризуются относительно большой протяженностью. Образующиеся во время роста монокристалла поликристаллические включения представляют собой области кристалла с наличием большого числа зерен, ориентация которых отлична от ориентации
СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ГЕРМАНИЯ
23
растущего кристалла. Часто поликристаллы возникают на фронте кристаллизации (точнее, на трехфазной границе расплав—кристалл—окружающая среда) при присоединении к поверхности макрочастиц загрязнений — оксидных пленок, частиц оснастки (графит, керамика). Флуктуации температуры в этом случае оказывают существенное влияние. Второй (основной) причиной появления поликристаллов во время роста является накопление микроскопических искажений кристаллической структуры, вызванных отдельными дислокациями и плоскостными дислокационными дефектами типа линий скольжения и малоугловых границ. Дислокации при этом образуются в основном под воздействием термоупругих напряжений, вызванных неоднородным распределением температуры.
Снижение концентрации структурных дефектов при выращивании германия возможно за счет точного поддержания температурных градиентов и переохлаждения в расплаве, а также контроля формы фронта кристаллизации и обеспечения чистоты поверхности расплава.
На рис. 1 представлен монокристалл германия диаметром 220 мм и высотой 35 мм, содержащий поликристаллические включения. На ростовой поверхности монокристалла, выращенного на затравочном кристалле в направлении (111), присутствуют четко выраженные, разные по размеру поликристаллические области. Поликристаллические включения образовались при разращивании кристалла в радиальном направлении (начиная с диаметра 155—180 мм) и распространялись в радиальном направлении до периферии. На представленном кристалле было выявлено три включения такого типа, длина включений составляла 13, 30 и 40 мм.
Анализ морфологии верхней ростовой поверхности выращенного кристалла показывает, что формирование ее осуществлялось следующем образом. В первоначальный момент времени, в отсутствие вытягивания, путем понижения температуры расплава (установления заданного уровня переохлаждения) затравочный кристалл диаметром 4—6 мм разращивается с появлением на фронте кристаллизации медленно растущих граней {111}. Следы пересечения поверхности расплава с гранями — прямые линии (рис. 2). Три грани, расположенные через 60°, образуют с поверхностью расплава угол 109°28' (рис. 3), три другие грани образуют угол —109°28'. Фигура пересечения проекций граней представляет собой правильный шестигранник (или шестигранник со скругленными углами). Правильная геометрическая форма возможна только при наличии области переохлаждения расплава в пределах всего растущего кристалла. Когда же фронт кристаллизации примерно соответствует изотерме плавления, образуются округлые участки фронта кристаллизации (из-за осе-симметричного температурного поля). Проявление таких кристаллографических особенностей при ро-
Рис. 1. Поверхность роста монокристалла германия диаметром 220 мм, полученного методом направленной кристаллизации.
Рис. 2. Расположение поликристаллических включений в монокристалле германия.
Грань {111} шириной 1.5 мм
Рис. 3. Выходы граней {111} на фронте кристаллизации монокристалла германия с ориентацией (111).
24
КАПЛУНОВ и др.
Рис. 4. Поликристаллическое включение в монокристалле германия диаметром 220 мм, образовавшееся в месте стыка пирамид роста: а — общий вид; б — картина макрораспределения дислокаций.
Рис. 5. Поликристаллическое включение в монокристалле германия диаметром 220 мм, образовавшееся в месте формирования плоской грани: а — общий вид; б — картина макрораспределения дислокаций.
сте состоит в образовании так называемой "периодической нарезки" (параллельные линии на поверхности монокристалла — прямые или округлые), причиной появления которой являются периодические колебания температуры в расплаве. Амплитуда колебаний зависит от абсолютной температуры расплава, от переохлаждения расплава, от градиента температур, от массы расплава, от механических воздействий на расплав.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что выращиваемый кристалл представляет собой сложное сочетание пирамид роста. Округлые участки (или острые углы) на фронте кристаллизации соответствуют именно участкам срастания пирамид. Округлая шероховатая поверхность на трехфазной границе фронта кристаллизации (кристалл—расплав—окружающая среда) при флуктуациях температуры (даже с возможным инвертированием градиента [5]) способствует присоединению двумерных зародышей в разориентированном состоянии, а также активному росту в направлении расплава отдельных выступающих участков шероховатой поверхности. В таких случаях образуются скопления дислокаций и малоугловые границы. В конечном итоге при большой концентрации дефектов в месте границ пирамид роста может возникнуть область с большим числом разориентированных зерен — поликристаллическая область, расширяющаяся по мере роста кристалла.
Пример образования таких дефектов (тип 1) представлен на рис. 4. Сама структура включения показана на рис. 4а, а на рис. 4б дана эта же область
кристалла, подвергнутая селективному химическому травлению с целью выявления дислокаций. Включение такого типа характеризуется большим количеством разориентированных зерен.
Второй возможный вид дефектов — поликристаллические включения типа 2 — может образоваться в кристалле на линии, расположенной вдоль нормали к грани {111} (рис. 5), т.е. в месте формирования плоской грани. Включение в кристалле представлено на рис. 5а, а дислокационная структура вокруг него — на рис. 5б. Во включении имеется существенно меньшее количество зерен (примерно на порядок), чем в дефекте типа 1 (рис. 4).
Причина образования таких дефектов, как представляется, связана, прежде всего, с накоплением термоупругих напряжений, возникающих в процессе роста кристалла с относительно правильной геометрической формой (например, в случае ориентации (111) — в форме шестигранника, в случае (100) — в форме квадрата). При выращивании в системе создается осесимметричное распределение температур в тепловом узле, в расплаве (на поверхности расплава) имеет место существенное переохлаждение (несколько градусов). Близкое к осе-симм
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.