УДК 621.382

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ТИГЛЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Шкодин А. А., Хулап Д. Г.

научный руководитель доцент, канд. техн. наук Кравцова Е.Д.

Сибирский федеральный университет
Для получения равномерного распределения примеси по длине кристалла, а также для получения кристаллов с совершенной структурой большое значение имеет форма фронта кристаллизации между расплавом и растущим кристаллом. Как выпуклый, так и вогнутый фронт кристаллизации в значительной степени ухудшают структуру кристалла. Внесение различных изменений в конструкцию тигля так же отражается на форме фронта кристаллизации.

Применяемый в практике выращивания дополнительный тигель может иметь различную величину и расположение отверстий. Для улучшения поступления расплава к растущему кристаллу дополнительно к центральному отверстию могут быть в хаотичном порядке просверлена целая группа неосесимметрично расположенных отверстий. В практике выращивания кристаллов германия применяются дополнительные тигли с отверстиями в боковой части.

Моделирование течения расплава было проведено в программе CGSim [1]. При моделировании учитываются строго осесимметричные конструкции. Учет дополнительно просверленных отверстий в реально существующем дополнительном тигле приводит к не совсем корректной постановке условий гидродинамики в основном и дополнительном тигле. На нижеследующем рисунке сопоставлены варианты дополнительных тиглей и принятые к моделированию их аналоги.

а)		Рис. – Варианты дополнительных тиглей, применяющихся практике выращивания монокристаллов германия (1) и их аналоги (2), использующиеся в моделях с постановкой осесимметричной задачи: а) с одним центральным отверстием; б) с отверстиями в дне дополнительного тигля; в) с отверстиями в боковой части дополнительного тигля; г) тигель без дна.
б)
в)
г)

1 2
Дополнительно был рассмотрен вариант использования дополнительного тигля без дна, чтобы рассмотреть влияние только боковых стенок тигля на гидродинамику расплава.

Изменение тепловых и гидродинамических условий при использовании того или иного тигля, естественно сказывается на форме фронта кристаллизации.

Анализ полученных фронтов кристаллизации показывает, что прогиб увеличивается пропорционально количеству «отверстий» в дополнительном тигле (Рис. ). Так одно центральное отверстие приводит к прогибу фронта кристаллизации на 2 мм, несколько отверстий дают прогиб в 3,5 мм, тигель «без дна» дает наибольший прогиб фронта кристаллизации. Наиболее благоприятен с точки зрения формы фронта тигель с одним центральным и несколькими боковыми отверстиями в дополнительном тигле. Условия моделирования: высота кристалла – 190 мм, V_затр. – 0,17 мм/мин, w_затр. – 12 об/мин, w_тиг. – –4,5 об/мин.

Рис. – Форма фронта кристаллизации при использовании дополнительного тигля с различной распиловкой отверстий

Объяснение столь большой разницы в форме фронта кристаллизации следует искать в изменении температурных условий и гидродинамики в расплаве. При большом количестве отверстий в донной части дополнительного тигля расплав циркулирует между дополнительным тиглем и донной частью основного тигля, где температура минимальна. Наличие одного отверстия в центральной части дополнительного тигля приводит к «подсосу» более горячих слоев расплава из периферических частей основного тигля. Наконец наличие отверстий в боковой части дополнительного тигля способствует поступлению наиболее прогретых порций расплава в дополнительный тигель. Скорости перемещения расплава так же наиболее высоки в тигле с боковыми отверстиями.

Список литературы

1. 
   Crystal Growth Simulator (CGSim) www.softimpact.ru