Динамические углы смачивания и роста при бестигельной зонной плавке (БЭП) в невесомости должны зависеть от конвективных течений

Шалимов В.П. (ЦНИИМАШ), Земсков В.С. (ИМЕТ РАН)

141070, г. Королев Моск. обл., Пионерская ул., 4. Тел. (495) 334-81-04,
E-mail: vpshalimov@rambler.ru

119991, Москва, Ленинский просп., 49. Тел., факс (499) 135-86-30,
E-mail: zemskov@ultra.imet.ac.ru

Во второй половине XX столетия в научной литературе по проблемам кристаллизации установились представления о том, что углы смачивания и связанные с ними углы роста представляют собой постоянные для каждого материала. Такие представления были развиты на основе термодинамического анализа стационарных явлений на линии контакта трех фаз (кристалл - расплав - газ) и вроде бы подтверждались экспериментальными данными, в особенности по кристаллизации небольших капель расплава на подложках, а также расчетами. Данные прямых измерений указанных углов в реальных процессах направленной кристаллизации расплавов (методами Чохральского, бестигельной зонной плавки - БЗП и др.) отличались значительным разбросом, хотя этому всегда находились правдоподобные объяснения. Необходимо отметить, однако, что в реальных процессах выращивания кристаллов из расплава всегда присутствуют те или иные конвективные течения, дающие существенный вклад в явления тепломассопереноса. В настоящее время стали появляться работы, где по крайней мере угол роста рассматривается как динамический, т.е. изменяющийся в процессе кристаллизации капель расплава на подложке. Анализ указанной проблемы крайне сложен, так как условия на трехфазной линии контакта недостаточно известны, поэтому используется множество упрощающих предположений, что ограничивает общность получаемых результатов. Методы кинетики и неравновесной термодинамики для анализа этой проблемы не применялись, гидродинамика течений в области, близкой к линии контакта трех фаз, также нуждается в исследованиях.

В данной работе на основе конкретного эксперимента по БЗП InSb:Te в невесомости - представлены оценки возможного влияния различных типов конвекции в расплаве на угол смачивания кристаллической затравки расплавом в процессе БЗП. Была рассмотрена простейшая модель узкой цилиндрической части расплава вблизи фронта кристаллизации. В предположении, что толщина этой части соответствует толщине гидродинамического пограничного слоя течения расплава вдоль фронта, установлено соотношение между относительным уменьшением объема при плавлении полупроводниковых материалов, радиусом затравки, тангенсом угла смачивания и толщиной гидродинамического пограничного слоя. Проведенные оценки показывают, что в реальных процессах выращивания кристаллов из расплава учет влияния интенсивности конвективных течений в расплаве может привести к существенным изменениям величин динамических углов смачивания, а следовательно, и углов роста. Полученные результаты относятся и к другим п/п материалам.