Материалы контейнеров, используемые для выращивания монокристаллов высокотемпературных веществ

Материал контейнера	Максимально допустимые рабочие температуры, К	Кристаллизуемое вещество	Атмосфера кристал­лизации
Иридий		Редкоземельные оксиды, алюминаты, гранаты скандаты, паллаты, РЗЭ, скандат бария	Вакуум, инертная, восстановительная и окислительная
Молибден		Редкоземельные оксиды, алюминаты, гранаты скандаты РЗЭ, сульфиды РЗЭ	Вакуум, инертная и восстановительная
Вольфрам		″	″
Тантал		″	″
Сплав вольфрам-молибден		″	″
Платина			Вакуум, инертная, и окислительная
Родий		″	″
Платино-родиевые сплавы		″	″
Пирографит		сульфиды	Вакуум, инертная и восстановительная

 

Метод Вернейля

Метод Вернейля, названный так по имени автора впервые опубликовавшего его описание в 1902 г., является одним из наиболее разработанных методов получения монокристаллов соединений, имеющих достаточно высокие температуры плавления. До начала 50-х годов этот метод применялся в основном для выращивания рубина шпинелей, которые большей частью находили применение в прибо­ростроении и ювелирной промышленности. В настоящее время по Вернейлю выращиваются монокристаллы сотен наименований. Метод достаточно полно описан в литературе. Отметим только его достоинства и недостатки.

Метод Вернейпя обладает рядом преимуществ, среди которых следует выделить следующее.

Метод является бесконтейнерным, в результате чего снимаются. проблемы физико-химического взаимодействии расплава с материа­лом контейнера, а также проблема возникновения остаточных напря­жений из-за упругого.воздействия стенок контейнера.

Метод дает возможность проведения кристаллизации в области порядка 2300 К на воздухе, причем окислительно-восстановитель­ный потенциал атмосферы кристаллизации регулируется за счет из­менения относительного содержания кислорода и водорода в пламени.

Метод обеспечивает техническую простату проведения процесса и доступность наблюдения за ростом кристаллов.

Метод дает возможность быстрого получения достаточно боль­ших кристаллов.

Однако имеются и определенные недостатки, к которым следует отнести:

1. Трудность подбора оптимального соотношения между скоро­стью опускания затравки, подачей шихты и расходов рабочих газов.

2. Возможность попадания в расплав примесей из рабочих газов, поскольку расход их весьма значителен (О₂-0,7 м³ /ч, Н₂-— 1,5- 2 м³/ч), а также из воздуха и керамики кристаллизатора.

3. Наличие больших высоких температурных градиентов в зоне кристаллизации (30-50 град/мм), способствующих возникновению в кристаллах внутренних напряжений (до 10 -15 кг/мм²).

4. Невысокое качество получаемых кристаллов вследствие не­равномерности подачи исходной шихты, дестабилизации процесса го­рения, а также причин, отраженных в п. 1, 2 и 3.

5. Ограничения метода, возникающие вследствие использования кислородно-водородной горелки - максимально допустимая темпера­тура в зоне кристаллизации не позволяет выращивать кристаллы це­лого ряда интересных для квантовой электроники соединений, мощ­ность всей системы в целом ограничена,

6. Выход готовых кристаллов по отношению к исходному порош­ку не превышает 60%, так как часть материала проносится газом мимо растущего кристалла. Это обстоятельство приобретает особое значение при выращивании дорогостоящих кристаллов, например мо­нокристаллов соединений РЗЭ.

7. Атмосфера выращивания является окислительно-восстанови­тельной, что существенно снижает возможности управления валентностями примесей, вводимых в кристалл.

Попытка усовершенствовать классический метод Вернейля с целью устранения присущих ему недостатков привела к созданию ря­да методик. Рассмотрим некоторые из них. Одним из возможных вариантов является изменение способа подачи материала в зону кри­сталлизации. Например, можно использовать смесь паров хлористого алюминия, углекислого газа и водорода, которые изолированно друг от друга подаются в зону кристаллизации и там смешиваются. В результате взаимодействия образуется оксид алюминия. В качестве реагентов могут применяться AlCl₃ b O₂ с использованием инертного газа в качестве носителя. Величина парциального давления хло­ристого алюминия достаточно велика даже при сравнительно низких температурах, поэтому транспортировка его по прогретым трубопро­водам не вызывает больших затруднений, если, конечно, материал трубопровода не взаимодействует с проходящей по нему смесью.

Усовершенствованием метода Вернейля является замена кисло­родно-водородного факела другим источником дающим более высокие температуры. Речь идет, например, о плазменных разрядах. К их числу относятся электронный (дуговой) разряд и безэлектродный вы­сокочастотный газовый разряд. Дуговой разряд является наиболее изученным видом электрического плазменного разряда. Дуговые плазмотроны представляют из себя системы, в которых электриче­ская дуга возбуждается между двумя электродами. Если конструкция плазмотрона обеспечивает непрерывную работу электродов, то в прин­ципе такая система не имеет ограничений в отношении величины энер­гии, выделяемой в зоне разряда. К недостаткам методики относится невысокая чистота получаемых продуктов вследствие тепловой и электрической эрозии электродов. В ряде случаев недостаток можно устранить, применяя электроды, выполненные из металла, соединение которого выращивается. Загрязнение выращиваемого монокристалла не происходит, если источником высоких температур служит высоко­частотный газовый безэлектродный разряд. В качестве примера рас­смотрим систему, приведенную на рис. 11.1.3. Если в каком-то объеме содержащем газ, возбудить плазменное состояние то можно непосредственно передать энергию высокочастотного электро­магнитного поля электронам плазменного состояния (разряда), которые путем многократных столкновений передают эту энергию атомам газов.

Рис. 11.1.3. Схема установки для выращивания монокристаллов по газоплазменному методу Вернейля: 1 - бункер, 2 - вход и выход воды для охлаждения сопла; 3 -огнеупорное покрытие; 4, 5 - квар­цевые трубки; 6 - водоохлаждаемое сопло; 7 - зона плазменного разря­да; 8 – индуктор; 9 - затравка; 10 – кристаллизатор.

Подобные разряды могут существовать в различных, газах при разных давлениях и в вакууме. Фактически рассматривается уже из­вестная нам схема Вернейля, но с плазменным разрядом, зажигаемым в потоке аргона (поток J₂). Горелка состоит из двух кварцевых труб 4 и 5 (рис. 11.1.3) и водоохлаждаемого сопла 6, через которое исход­ная пудра подается в зону плазменного разряда 7, и далее на за­травку 9, расположенную в кристаллизаторе 10. Через плазменную горелку протекают три газовых потока: поток аргона J₂ (основной), поток J₁ который оттесняет разряд от стенок кварцевой трубки 5, предохраняя ее тем самым от расплавления и поток J₃ (несущий), он проходит через бункер 1 и водоохлаждаемое сопло 6, вынося пудру на поверхность растущего кристалла. В качестве основного потока могут применяться аргон, кислород, азот, водород, смеси этих газов, воздух и т.д. Соответствующий подбор газов в: потоках J₁, J₂, J₃ позволяет создать нужную атмосферу в зоне кристаллизации. Зажигание разряда может производиться различными спосо­бами, самый распространенный из которых способ создания в зоне 7 коронного разряда с последующим переходом последнего в высо­кочастотный безэлектродный разряд. Описанная методика практически не имеет тeмпературных ограничений. Недостатками рассмотрен­ного способа являются трудность строгой стабилизации плазменного разряди и сложность проведения процесса в том случае, когда выра­щивание необходимо вести при повышенном давлении.

Метод Чохральского

Монокристаллы достаточно больших размеров, выращенные по методу Чохральского, по степени структурного совершенства явля­ются наиболее совершенными из кристаллов соединений, выращенных другими методами. На рис. 11.1.4 приведена система для выращивания монокристаллов оксидных соединений, имеющих температуры плавле­ния в пределах до 2500 К по этому методу. Стабильность источни­ка энергии определяет постоянство по времени количества подводи­мого к тиглю тепла. Флуктуация теплового потока тигель - расплав непосредственно связана с колебаниями мощности источника энергии. Существенно влияние конвекционных потоков в расплаве, обусловлен­ных термической конвекцией и конвекцией, вызванной вращением кристалла и тигля. Вследствие опускания уровня расплава в ходе процесса выращивания уменьшается площадь соприкосновения распла­ва с тиглем, а, следовательно, уменьшается тепловой поток между тиглем и расплавом. Свободная от контакта с расплавом внутренняя поверхность тигля действует как дополнительный нагреватель, влияя на температуру боковой поверхности кристалла и атмосферу в зоне кристаллизации, т.е. на форму роста роста. Параметры массопереноса в тигле и теплопроводность расплава определяют ту величину теплового потока, которая передается через расплав растущему кри­сталлу. Возможно колебания этой величины вызывают периодическое изменение температуры расплава вблизи границы раздела фаз, что способствует появлению дефектов роста. Величина тепловой энергии, проходящей через диффузионный слой, расположенный перед границей раздела фаз, обратно пропорциональна толщине этого слоя и возра­стает пропорционально относительной частоте вращения ω.

Q_δ ~ 1/δ ~ ω (11.11.1)

ω - разность между частотами вращения кристалла и тигля. Если вращение тигля отсутствует, ω обозначает частоту вращения расту­щего кристалла. Здесь следует отметить, что при слишком быстром вращении кристалла может возникнуть резкая турбулентность в пограничном слое перед фронтом роста и нестабильность границы разде­ла фаз.

Распределение теплового потока, проходящего через объем кри­сталла от границы раздела фаз, зависит от осевого градиента тем­пературы в кристалле и теплопроводности данного кристалла. Через свободную поверхность расплава происходит выделение в окружаю­щую среду тепловой энергии в виде излучения, за счет теплопровод­ности газовой атмосферы и ее конвекционных потоков. Установлено, что при наличии газообразной окружающей среды влияние конвекции может преобладать над тепловым излучением. Изменение площади свободной поверхности расплава вследствие колебаний диаметра кристалла влияет на величину этого теплового потока. В том случае, когда процесс проводится в вакууме или в атмосфере инертного газа, тигель может быть изго­товлен из обычных тугоплавких металлов, например, из вольфрама. Для работы в окислительной среде применяют платиновые или иридиевые тигли. Иногда в целях защиты металлического тигля его поверхность покрывают плёнкой тугоплавкого окисла, например, окисью циркония. Тем не менее, в настоящее время практически от­сутствуют тигли, способные работать при температурах порядка 2300 К в окислительной атмосфере. В связи с этим, в тех случаях, когда такая атмосфера остро необходима, мы вынуждены пользовать­ся другими бестигельными методами, выращивания, например одной из разновидностей гарнисажного способа.

Рис. 11.1.4. Схема выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

1 - механизм, вращения, подъема и опускания затравки; 2 -водоохлаждаемый вал; 3 - цанговый держатель; 4 - тугоплавкая свеча; 5 - затравка; 6 - водоохлаждаемый корпус установки; 7 -тигель, 8 - исходная смесь выращиваемого соединения; 9 - водо-охлаждаемый вал; 10 - механизм подъема, опускания и вращения тигля; 11, 12 – индукторы; 13 - смотровое окно; 14 - ввод для откачки и запуска газа

Проведение процесса выращивания заключается в следующем (рис. 11.1.4). Монокристаллическая затравка, например, граната 5, закрепляется в свече 4, которую держит цанговый держатель 3, водоохлаждаемого вала 2, соединенного с механизмом вращения, подъ­ема и опускания 1. Исходная смесь загружается в иридиевый ти­гель 7, укрепленный на водоохлаждаемом валу 9, связанном с ме­ханизмом подъема, опускания и вращения 10. Загрузка тигля (на плавление) может производиться в специальной установке. Исходная смесь прессуется в виде цилиндрических таблеток, которые ставятся в тигель одна на другую, камера откачивается и производится расплавление. Количество таблеток определяется требованием полного заполнения тигля. Применение гидростатического прессования значительно упрощает процесс направления. Иногда применяется наплавление прямо в установке выращивания, без выключения нагрева, что способствует значительному увеличению как сроков службы тигля и керамики, так и производительности системы. Наблюдение за процессом выращивания осуществляется через смотровое окно 13. Откачка и напуск газа производится через специальный ввод 14. Нагрев тигля и печи отжига производится с помощью индукторов 11 и 12, свя­занных с высокочастотным генератором (генераторами). Перед про­ведением процесса системы нагреваются и откачиваются, причем последняя операция проводится несколько раз для максимально полного удаления посторонних газов из охлаждаемого водой корпуса установки 6.

Следующей операцией является расплавление исходной смеси граната 8, путем индукционного, нагрева иридиевого тигля. Расплав некоторое время выдерживают при температуре на 50-100°С выше точки плавления граната, после чего начинают опускание затравки. Когда затравка коснется расплава, необходимо несколько, снизить температуру последнего до момента, когда начинается затвердева­ние расплава непосредственно вокруг затравки, после чего, выклю­чая механизм подъема затравки, можно начинать процесс вытягивания. Во время процесса желательно осуществлять вращение кристалла и тигля для сглаживания асимметрии тепловых полей. В том случае, когда требуется хорошее перемешивание расплава тигель и затравке вращаются в разные стороны. Если же имеется значительная опас­ность загрязнения расплава материалом тигля, вращение затравки и тигля может осуществляться в одном направлении с одинаковой ско­ростью, и заметного перемешивания расплава происходить не будет. В приведенной схеме применяется индукционный нагрев, преимущест­во которого заключается в разделение источника энергии - водоох-лаждаемого индуктора и тигля, что позволяет снизить степень за­грязнения расплава. Для снижения возникающих в растущем кристал­ле механических напряжений в системе установлена дополнительная печь 12, питаемая от отдельного индуктора. Сглаживание темпера­турных градиентов может быть реализовано системой специальных экранов. Хорошие результаты в диапазоне температур до 1200 К дает применение трубчатых экранов, внутри которых имеется жидкий металлический теплоноситель (натрий).

Среди преимуществ метода следует выцедить: отсутствие прямо­го контакта между стенками тигля и кристаллом, что способствует получению не напряженных монокристаллов; возможность извлечения кристалла из расплава на любом этапе выращивания, что важно в связи с исследованием условий выращивания; возможность изменения геометрической формы кристалла при варьировании температуры рас­плава и скорости выращивания. Последнее используется для получе­ния бездислокационных кристаллов; задавая специальную программу вытягивания, добиваются в начале процесса уменьшения диаметра кристалла, при этом большая часть дислокации выходит на боковые поверхности кристалла в месте сужения, т.е. покидает кристалл (вы­клинивается). Затем диаметр кристалла вновь увеличивают, и плот­ность дислокации и нем становится очень малой.

Отклонение состава расплава от заданного может быть обуслов­лено также испарением отдельных компонентов вещества. Эти отклонения для разных методов выращивания метут быть различными, поскольку каждый из них характеризуется своими размерами и фор­мой зеркала расплава. Были получены зависимости концентрации распределения примесей в кристалле с учетом метопа выращивания. В частности, для метода Чохральского характерно в стационарном режиме постоянство поверхности расплава; зависимость имеет следующий вид:

[K+δ₁(S₀/S-1)]/[1+δ₂(S₀/S-1)]-1 (11.1.11)

C=KC₀(1-x)

где С и С₀ - весовые концентрации примеси в кристалле и расплаве к моменту начала кристаллизации δ₁=φ/ρV- фактор испарения при­меси; δ₂=γ/ρV- фактор испарения основного вещества; x - теку­щая координата; φ — коэффициент испарения примеси; γ- коэф­фициент испарения основного вещества; V - объем кристалла; скорость роста; ρ - плотность кристалла; К - эффективный коэффициент распределения примесей; S,S₀-площади поперечного се­чения кристалла и расплава,

Для того, чтобы избежать возможного нарушения стехиометрии расплава из-за испарения, свободную поверхность расплава иногда изолируют от атмосферы слоем флюса, т.е. жидким слоем специаль­но вводимого вещества, не смешивающегося с расплавом и не обра­зующего с ним химически прочных соединений. Указанные положи­тельные стороны обеспечили методу Чохральского широкое распро­странение, особенно в связи с выращиванием монокристаллов туго­плавких веществ. Существенный недостаток метода состоит в нали­чии разогреваемого контейнера, который является источником за­грязнения расплава. Широкое внедрение монокристаллов оксидных соединений РЗЭ, поставило на повестку дня вопрос о полной автоматизации процессов выращивания, без решения которого невозможен дальнейший прогресс в целом ряде важнейших областей науки и техники. Рассмотрим эти проблемы на примере выращивания по методу Чохральского, поскольку в данной области к настоящему времени достигнуты наибольшие успехи, результаты которых могут быть распространены и на другие методы выращива­ния. Для решения проблемы автоматизации процесса выращивания необходимо в первую очередь выяснить влияние изменений динами­ческих параметров роста на температурные поля в зоне кристалли­зации и определить возможности комплексного воздействия на эти параметры в ходе процесса выращивания. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов роста кристаллов указывают на непосредственную связь между реальными условиями рос­та и обусловленными ими нарушениями кристаллической структуры. Следует считать очевидным, что стабилизация фронта кристаллиза­ции в ходе процесса выращивания - необходимое условие получения совершенных кристаллов. Колебания стандартной скорости увеличения массы кристалла выражаются в виде изменений формы и пространственного расположения границы раздела фаз. В связи с этим можно отметить, что основные проблемы стабилиза­ции процесса роста кристалла - это проблемы контроля, анализа результатов и принятия решений по изменению режима роста. К на­стоящему времени для выращивания кристаллов оксидных соединений из расплава применяются методы автоматизации, которые можно объединить в группы.

1. Управление диаметром кристалла по заданной неизменяемой программе перестройки мощности нагрева во времени.

2. Управление диаметром кристалла путем суперпозиции линей­ной программы перестройки мощности нагрева во времени и верти­кального градиента температуры в зоне кристаллизации.

3. Управление диаметром кристалла путем его охлаждения в течение процесса выращивания по заданной программе изменения температуры.

4. Управление диаметром кристалла путем регулирования темпе­ратуры тигля по заданной программе.

5. Регулировка диаметра кристалла путем оптического сканиро­вания величины диаметра с помощью телевизионной системы.

6. Регулирование диаметра, путем изображения тени растущего кристалла с помощью просвечивания зоны кристаллизации γ и рент­геновскими лучами.

7. Регулирование диаметра путем измерения излучения мениска, расплава в инфракрасном и видимом диапазонах спектра.

8. Регулирование диаметра путем измерения отражаемого мени­ском расплава направленного луча света.

9. Регулирование диаметра кристалла путем измерения уровня опускания поверхности расплава.

10. Стабилизация диаметра растущего кристалла по методу взвешивания.

Более подробно остановимся на методах автоматизации процес­сов выращивания лазерных монокристаллов. Чтобы определить сигнал управления, который требуется подать в систему, необходимо уметь предсказывать реакцию системы на некоторое множество возможных входных и управляющих переменных. Такое предсказание можно по­лучить по реакциям на ранее подававшиеся входные переменные. На ранних стадиях создания систем автоматизации преобладают качест­венные оценки, а на последующих стадиях появляется возможность использования количественных оценок на базе расчетов на ЭВМ. Обобщим данные по качественному воздействию потенциально изме­няемых параметров выращивания на термические условия в зоне кристаллизации, определяющие кинетику процесса роста.

1. С увеличением частоты вращения кристалла выравниваются границы раздела фаз, уменьшаются градиенты температуры в распла­ве и, следовательно, уменьшаются термические колебания. Однако, как уже было отмечено, превышение критического значения частоты вращения кристалла может вызвать резкую турбулентность в погра­ничном слое перед фронтом роста и нестабильность границы раздела фаз.

2. Повышение значений средней скорости роста кристалла умень­шает градиенты температуры в расплаве, а значит, и термические колебания.

3. Увеличение радиуса кристалла ведет к выравниванию границы раздела фаз, увеличению радиального градиента температуры в кри­сталле, уменьшению осевого градиента температуры в кристалле, уменьшению градиентов температуры в расплаве и, как результат, к уменьшению термических колебаний.

4. Увеличение радиуса расплава увеличивает вероятность появ­ления термических колебаний.

5. Повышение уровня поверхности расплава также повышает ве­роятность появлении термических колебаний и способствует росту амплитуды этих колебаний.

6. При высоких значениях коэффициента теплообмена, характери­зующего процессы обмена тепловой энергии между кристаллом и ок­ружающей средой, увеличиваются осевой и радиальный градиенты температуры в кристалле.

7. Повышение температуры окружающей среды вызывает умень­шение осевого и радиального градиентов температуры как в кристал­ле, так и в расплаве, т.е. уменьшение термических колебаний.

Тесная взаимосвязь входных и управляющих переменных не поз­воляет, рассматривая влияние колебаний лишь одной из них, произ­вести количественную оценку процессов, протекающих на фронте кристаллизации. Например, на температуру расплава можно влиять, из­меняя мощность источника энергии. Но, во-первых, такое воздейст­вие обладает значительной инерцией, а во-вторых, как определить независящее от времени количественное соотношение между изменением мощности, идущей на нагрев тигля, и вызванным им изменением температуры расплава, если процессы теплопередачи в зоне кристаллизации, а также постоянные времени системы существенно изменяются в ходе процесса выращивания. При этом следует учиты­вать, что масса шихты в тигле может меняться от одного процесса к другому. Количественное воздействие изменения частоты враще­ния кристалла на форму фронта кристаллизации на разных этапах процесса выращивания тоже различно. Кроме того, как и в случае изменения скорости вытягивания, колебания частоты вращения кри­сталла изменяют параметры конвекционных потоков, что непосредст­венно влияет на форму фронта кристаллизации. При выращивании кристаллов по методу Чохральского средняя скорость вытягивания при учете возможного некомпенсированного опускания уровня поверх­ности расплава непосредственно определяет среднюю скорость роста кристалла. Изменения скорости вытягивания затравки без затухания амплитуды передаются на границу раздела фаз. Следовательно, управляя скоростью вытягивания, можно управлять происходящим на границе раздела фаз процессом кристаллизации. Однако, чтобы воспрепятствовать возникновению дефектов полосчатого роста на практике, в особенности при выращивании легированных кристаллов, управление процессом роста путем модуляции скорости вытягивания практически не применяется. Существует принципиальная возможность изменения градиентов температуры в кристалле путем управления потоком газа, обтекающего растущий кристалл, управляя тем самым процессом роста на границе раздела фаз. Однако при этом создаются условия, способствующие возникновению напряжений в кристалле и периодических колебаний температуры в расплаве. Поэтому при выращивании тугоплавких материалов с большими коэффициентами теплопроводности и пропускания инфракрасного излучения следует отказаться от этого метода. Очевидно, что для оптимальной стабилизации условий выращивания необходимо непосредственное детектирование колебаний температуры в диффузионном слое, расположенном перед границей раздела фаз. На практике это оказывается невозможным по ряду причин. Например, помещенная в эту зону термопара внесла бы дополнительные нарушения в процессе ро­ста, а именно: загрязнение расплава, искажение температурного про­филя, возмущение конвекционных потоков расплава. Кро­ме того, практически невозможно поддерживать детектор температу­ры с необходимой точностью на определенном расстоянии перед фрон­том кристаллизации в ходе процесса выращивания. Авторы ряда работ предлагают для оценки колебаний в зоне кристаллизации использовать температуру тигля, которую можно регистрировать с помощью термопары или пирометра. Это дает возможность регистрировать колебания температуры с амплиту­дой менее 1 К, но инерционность метода исключает своевременное пропорциональное и синхронное по фазе воздействие, необходимое для качественного регулирования. Следует добавить, что достижение нужной точности при определении абсолютной величины температуры сопряжено со значительными трудностями в разработке измеритель­ной техники. Несмотря на это, полезна регистрация перио­дических колебаний температуры тигля в зависимости от уровня поверхности расплава, скорости вытягивания, частоты вращения кристалла и его диаметра. Полученная информация позволяет сделать вывод о влиянии изменений параметров, специально запрограммированных в ходе процесса выращивания на конвекционные потоки в расплаве, что имеет большое значение для оптимизации конструкции тигельного устройства и для разработки программы выращивания с заранее намеченным графиком подвода к тиглю тепловой энергии, как первого шага к осуществлению программы автоматизированного процесса выращивания.

Необходимость выбора вторичного параметра в качестве источ­ника информации о динамике процесса роста диктуется трудностями на пути непосредственного детектирования температуры в зоне кри­сталлизации, в результате чего полученные данные могут сущест­венно отличаться от реальных, в то же время введение вторичного параметра в систему стабилизации процесса роста может обеспечить более строгий контроль. Выбор вторичного, параметра определяется возможностью оперативного получения информации о возникающих отклонениях в процессе роста, достоверностью получаемой информа­ции, полнотой информации, необходимой и достаточной для принятия решения в системе управления. Очевидно, что изменение условий стационарного роста всегда вызывает изменение формы и простран­ственного расположения фронта кристаллизации, включая макроско­пическое изменение диаметра растущего кристалла. Следовательно, стабилизацию процессов выращивания из расплава целесообразно проводить в направлении стабилизации диаметра кристалла, как макроскопически измеряемого вторичного параметра.

Метод стабилизации диаметра кристалла по заранее заданной программе изменения мощности нагревания во времени относится к группе методов, при которых можно обходиться без учета фактиче­ского значения регулируемого параметра системы. График измене­ния мощности строится по экспериментальным данным, полученным после проведения серии опытов по выращиванию монокристаллов од­ного и того же состава, С этой целью могут быть использованы более совершенные методы, основанные на непрерывном контроле действительного состояния системы. Так, например, возможно применение телевизионной установки для контроля за внешней формой кристалла в ходе оптимизации программы перестрой­ки мощности нагревателя от времени. Однако, какой бы совершенной не была программа, составленная заранее, в ней нельзя учесть, а следовательно, и компенсировать влияние различных флуктуаций, воз­никновение которых в процессе роста неизбежно. Кроме того, такая программа очень уязвима в отношении учета начальных условий. Изменения в наполнении или расположении тигля относительно на­гревательного элемента могут свести на нет предусмотренную точ­ность регулирования. Поэтому применение этого метода предполага­ет наличие оптимального типа тигельного устройства, хорошо вос­производимого от одного опыта к другому. Следует помнить также, что диапазон стабильности управляющей системы тем меньше, чем меньше отношение массы расплава к массе выращиваемого кристалла. Это замечание относится, в частности, к процессу выращивания монокристаллов тугоплавких оксидных соединений из относительно маленьких тиглей. Очевидно, что простота описанного метода и сравнительно небольшие экономические затраты, связанные с ним, в некоторых случаях имеют решающее значение, например, в случае серийного выращивания монокристаллов одного и того же состава.

Представляет также интерес управление диаметром кристалла путем охлаждения его во время процесса выращивания по заданной программе изменения температуры. Управление охлаждением кри­сталла проводится путем регулирования потока газа, обтекающего кристалл. Управляемое охлаждение дополнительного нагревателя и выросшей части кристалла определяют величину тепловой энергии, передаваемой кристаллом в окружающую среду. Хотя увеличенные радиальные и осевые градиенты температуры в зоне кристаллизации и в самом кристалле, характерные для описанного метода, создают предпосылки для возникновения напряжений в кристалле и периодиче­ских температурных колебаний в расплаве. Со­общалось о высоком качестве монокристаллов Sr_xBa_1-x Nb₂O₃, выращенных с применением данного метода.

Описана технология, в которой управле­ние диаметром кристалла осуществляется путем регулирования тем­пературы тигля по защищенной программе. В определенных условиях наблюдается корреляции между внешней формой выращенного кристал­ла и температурой тигля в процессе роста. Оптимальное управление температурой тигля посредством изменения уровня мощ­ности, идущей на нагрев, улучшает качество кристаллов. Чтобы пра­вильно определить величину сигнала управления, который требуется подать в рассматриваемую систему для стабилизации роста, необхо­димо уметь предсказывать реакцию системы на действие некоторых входных и управляющих переменных. Такое предсказание можно по­лучить по реакциям на ранее подававшиеся входные переменные. Для этого используется блок формирования задания, например, связанный с мотором спиральный потенциометр, который формирует задающую величину параметра температуры стенки тигля, измеренной пиромет­ром или термопарой. В задачу контура регулирования входит компенсации отклонений тем­пературы тигля от заданной величины путем перестройки мощности источника тепла. Очевидно, что эффективность данного метода зави­сит от совершенства кристаллизатора. Это касается соответствия конструкции типу выращиваемого соединения, применения дополни­тельных нагревателей, вида тепловой изоляции и точности центровки тигля. Важной предпосылкой эффективной стабилизации является также точность измерения температуры, особенно при выращивании крупногабаритных кристаллов, когда рост ведется при минимальных температурных градиентах. В таких случаях обычно возникает проб­лема неадекватных реакций системы на колебания температуры, а именно, малые изменения температуры приводят к значительным от­клонениям диаметра от заданной величины. Разработана улучшенная технология управления процессом роста монокристаллов тугоплавких оксидных соединений, таких как сапфир, рубин, ИАГ. При этом применялся вариант бесконтактного измерения тем­пературы тигля с помощью оптического пирометра. Светопроводом служил в этом случае цилиндрический стержень из сапфира.

В определенных условиях дает весьма хорошие результаты регулирование диаметра кристалла путем оптического сканирования диаметра с помощью телевизионной системы. Измерение величины диаметра с помощью телевизионной системы позволяет фиксировать отклонение величины диаметра от заданного значения непосредствен­но над границей раздела фаз. Для этого телевизионная камера уста­навливается сбоку от кристалла возможно ближе к границе кристалл - расплав. При расшифровке полученного изображения используется контраст между кристаллом и мениском расплава, Критерием пространственного расположения фронта кристаллизации служит скачок амплитуды видиосигнала на месте границы раздела кристалл - окру­жающая среда. После преобразования цифрового сигнала в аналого­вый формируется сигнал для управления мощностью нагрева. Основ­ным недостатком контроля диаметра растущего кристалла с помощью телевизионных систем при выращивании монокристаллов по методу Чохральского является необходимость применения тиглей большого диаметра даже для кристаллов с маленькими размерами, что связа­но с ухудшением видимости границы раздела фаз при опускании по­верхности расплава. Целый ряд неудобств можно избежать если применять вместо оптического сканирования растущего кристалла про­свечивание зоны кристаллизации быстрыми -электронами, рентгенов­скими или гамма-лучами. Применение того или иного вида излучения предполагает, что тигельный материал достаточно прозрачен для выбранного вида излучения. Для контроля и автоматического регули­рования процесса вертикальной зонной плавки сканирование растуще­го кристалла производили гамма-лучами и электронным пуч­ком. Более точного регулирования с помощью этого метода можно добиться, если удастся получить изображение формы мениска распла­ва на рис. 11.1.5, так как мениск быстрее, чем сам диаметр растуще­го кристалла реагирует на изменение температуры.

Необходимо отметить, что вертикальная настройка системы ска­нирования относительно расположения границы раздела фаз связана с большими трудностями и требует присутствия опытного оператора. Это замечание относится и к тем вариантам, когда опускание уровня расплава в процессе роста компенсируется перемещением тигель­ного устройства. К числу основных недостатков метода сканирования тени растущего кристалла рентгеновскими и гамма-лучами относится проблема защиты от излучения.