БЕСКОНТАКТНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

© И.И.Марончук., В.В.Раков, А.С.Сенченков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2004 г.

Анализ большого количества экспериментов по направленной кристаллизации в условиях микрогравитации показывает, что в ряде случаев наблюдается существенное уменьшение контакта кристалла с контейнером, что оказывает положительное влияние на структурное совершенство кристаллов. Особенно часто это явление («detachment») встречается при кристаллизации полупроводниковых материалов.

Рядом авторов предложены различные механизмы этого явления, связанные в основном с наличием у кристаллизуемых материалов больших значений углов роста и очень малым смачиванием материалов контейнеров. Показано, что это явление не воспроизводимо и в значительной мере зависит от гравитационной обстановки при проведении экспериментов в космосе, условий подготовки экспериментов, конструктивных особенностей собранной ампулы и т.д.

Эти недостатки в значительной мере устраняются при реализации бестигельной зонной плавки. На борту ИСЗ «Фотон» и станции «Мир» на установках «Зона» были выращены без какого-либо контакта со стенками ампулы монокристаллы Ge, InSb и GaSb с улучшенными свойствами. Подтверждены ранее проведенные расчеты о возможности устойчивого существования расплавленной зоны длиной до трех диаметров образца. Единственным недостатком данного метода является сложность наземной отработки экспериментов, особенно при использовании защитной металлической капсулы, с точки зрения выбора оптимальных тепловых полей, что необходимо как для получения расплавленных зон заданной длины, так и распределения температур в растущем кристалле.

Нами предложен новый метод бесконтактной направленной кристаллизации (БНК), сочетающий в себе простоту и надежность направленной кристаллизации с преимуществами бестигельной зонной плавки, с полным отсутствием контакта расплава и кристалла со стенкой контейнера. Сущность метода заключается в создании жидкого моста между растущим кристаллом и торцевой пластиной с противоположной стороны. Выполненное математическое моделирование данного способа показало устойчивость жидкого моста, его допустимые геометрические размеры и необходимые требования к торцевым пластинам. Экспериментально подобраны для Ge и GaSb материалы ампулы, хорошо смачиваемые их расплавами и не загрязняющие их. Разработаны конструкции ампул, проведена наземная отработка экспериментов на установке «Полизон» и подготовлены ампулы для проведения экспериментов на борту ИСЗ «Фотон».