Выращивание кристалла подложки

Изготовление магнитооптического кристалла.

Требования к монокристаллической пленке феррит-граната

Технологическая часть

Выбор соответствующей технологии получения МПФГ главным образом зависит от требований к устройству считывания информации с магнитных носителей.

МПФГ должна обладать следующими параметрами:

- магнитооптическая добротность (ψ, град/дб)	6-8
- оптическое поглощение (α, см^-1)	200-350
- константа одноосной анизотропии (Кu, эрг/см^3)	5·10^4
- удельное фарадеевское вращение (, град/мкм)	0,5-1,5
- коэрцитивная сила (H с, Э)	0,1-0,2
- намагниченность насыщения (4πМs, Гс)	150-180

Основным элементом устройства визуализации магнитных полей рассеяния является магнитооптический кристалл, осуществляющий преобразование магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответствующее их величине и положению в пространстве, и имеющий сложный состав: эпитаксиальная Bi–содержащая феррит гранатовая пленка (МПФГ) (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, выполненная на немагнитной подложке. Его структура приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структура магнитооптического кристалла     Технологический процесс получения МПФГ состоит из следующих основных этапов:

1. Выращивание кристалла подложки

	2. Ориентация кристалла
	3. Резка подложки на заготовки
	4. Механическая обработка подложки
	5. Жидкофазная эпитаксия Bi-содержащей пленки феррит-гранатовой пленки
	6. Нанесение зеркального покрытия
	7. Нанесение просветляющего покрытия
	8. Разрезание на заготовки 10x10 мм
	9. Контроль магнитных и оптических параметров

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 Δа должно быть достаточным для создания в пленке одноосной анизотропии с легкой осью, нормальной к ее плоскости. Величина Δа 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_{2 y} Ga₁₀О_{15-2 x +2 y} ↓ + (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.

Установка выращивания монокристаллов гадолиний-галлиевого граната СКИФ-3

Предназначена для выращивания монокристаллов гадолиний-галлиевого граната и других неразлагающихся окисных материалов методом Чохральского. Максимальный диаметр выращиваемого монокристалла, 125 мм.

Дата добавления: 2017-01-14