Выращивание кристалла подложки

В качестве подложек используются кристаллы немагнитных гранатов. Пленка и подложка должны иметь близкие параметры решетки, чтобы пленка росла без растрескивания. С другой стороны, несоответствие параметров решетки Δ а должно быть достаточным для создания в пленке одноосной анизотропии с легкой осью, нормальной к ее плоскости. Величина Δ а в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов с ЦМД составляет 0, 01 —0, 02 . Лучшими подложками для наращивания железистых гранатов являются кристаллы гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) Gd3Ga601 2 с постоянной решетки 12, 383 . Подложки в виде пластин толщиной 0, 3—1 мм и диаметром 5—38 мм, ориентированных, как правило, по направлению (111), вырезаются из кристаллов ГГГ, выращенных методом Чохральского в иридиевом тигле. Тигель нагревается высокочастотными токами, а выращивание происходит в герметичной камере, позволяющей контролировать газовую среду над расплавом. Для выравнивания температурного поля затравка и тигель вращаются в противоположных направлениях с частотой 20-60 об/мин [7].

Установка (рис.4.2) состоит из затравочного штока, устройство подъема и вращения 1; кожуха 2; изолирующего клапана 3; газового входа 4; держателя затравки и затравки 5; камеры высокотемпературной зоны 6; расплава 7; тигля 8; выхлопа 9; вакуумного насоса 10; устройства вращения и подъема тигля 11; системы контроля и источника энергии 12; датчика температуры 13; пьедестала 14; нагревателя 15; изоляции 16; трубы для продувки 17; смотрового окна 18; датчика для контроля диаметра растущего слитка 19. Монокристалл-затравка кристаллодержателем вводят в конгруэнтный расплав Ga₂O₃ и Gd₂O₃. Выращивание подложки ведут в плоскости (111). Нагрев тигля производится токами высокой частоты.

Для выравнивания температурного поля затравка и тигель вращаются в противоположные стороны с частотой 20—60 об/мин при скорости роста 5-7 мм/час. При этом выращивают монокристаллы ГГГ диаметром до 75-100 мм и длиной более 200 мм.

Рис. 4.2. Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского.

Основным требованием к аппаратуре является обеспечение высокой термической и механической стабильности с целью поддержания оптимальных ростовых условий в течение всего процесса выращивания.

Наиболее важным вопросим в технологии кристаллов ГГГ для подложек эпитаксиальных пленок является обеспечение надлежащего качества, характеризующеюся отсутствием дефектов структурного происхождения на площади подложки.

1) В первую очередь при получении кристаллов с низкой плотностью дефектов типа включений исходные материалы должны быть высокой степени чистоты: чистота оксида галлия — не менее 99, 999%, оксида гадолиния — не менее 99, 999%. Но даже при выполнении этого условия для кристалла ГГГ характерны два типа включений. Это продукты разложения Gа₂О₃ и металлические частицы иридия — продукты эрозии тигля. Процесс разложения оксида галлия и растворения иридия в расплаве может быть представлен следующим образом:

Gа₂О₃↔ Gа₂О + О₂;

3Gd₂О₃ +(5-x) Gа₂О₃ + x Gа₂О → Gd_2yGa₁₀О_15-2x+2y↓ + (3-y) Gd₂О₃↓;

Ir+O₂ ↔ IrO₂ (раствор) – на стенке тигля,

IrO₂ (раствор) + Gа₂О → Ir↓ + Gа₂О₃ – на фронте кристаллизации.

Для уменьшения степени разложения Gа₂О₃ рекомендуется проводить процесс выращивания в газовой смеси (азот + 2% кислорода). При этом количество включений такого типа минимизируется при достаточно большом времени жизни тигля [21].

2) Дефектами, приводящими к возникновению упругих напряжений, в кристаллах ГГГ являются сердечник и полосы роста. Они выявляются методами рентгеновской топографии или поляризованным светом. Дефект типа сердечника связан с образованием граней (фацет) (112) и (110) на поверхности раздела. Размер и форма фацет зависят от углов пересечения граней с поверхностью раздела. Фацеты отсутствуют на плоской поверхности раздела. Разница в постоянных решетки фацетированных и нефацетированных областей составляет 0, 001 . В рабочей области подложки не должно быть границ фацет. Для выравнивания фронта кристаллизации при росте кристалла наряду с вращением кристалла и расплава необходимо снижать температурные градиенты в расплаве [22].

Полосы роста в кристаллах, выращенных по методу Чохральского, обусловлены изменением состава и параметра решетки вследствие циклического изменения скорости роста. Нефацетированные кристаллы характеризуются изменением параметра на полосах не более 0, 001 . При плоской форме фронта кристаллизации полосчатость на подложках, вырезанных перпендикулярно оси кристалла, не проявляется [23].

3) Часто встречающимися дефектами в монокристаллах подложек эпитаксиальных гранатовых пленок являются дислокации. В связи с тем что энергия образования дислокаций пропорциональна квадрату постоянной решетки, в кристаллах ГГГ ( ) плотность дислокаций невысока и обусловлена наличием включений, напряженных областей или дефектами затравки. Встречаются линейные дислокации, приблизительно параллельные оси були, и дислокационные петли. Обычно они связаны с включениями, но дислокационные петли могут появляться и без включений. Дислокационные петли лежат в (111), (100) и (110) кристаллографических плоскостях и достигают диаметра до 750 мкм [24].

Для уменьшения дефектов (дислокаций, напряжений), наследуемых растущим кристаллом от поверхности затравки, ее предварительно прогревают над расплавом.

Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 101112 13 14 15 16 17 18 Следующая