Изготовление подложек из монокристаллов Bi12GeO20 и подготовка поверхности подложек к эпитаксии

3.5 Изготовление подложек из монокристаллов Bi12GeO20 и подготовка поверхности подложек к эпитаксии.

Для изготовления подложек, монокристаллы германосилленита распиливали алмазным диском с наружной режущей кромкой перпендикулярно оси роста кристалла на пластины толщиной 1 ¸ 1,5 мм.

Далее пластины наклеивали пиццеином на металлическую планшайбу и шлифовали с применением алмазной шлифовальной пасты “М”.

После того как пластины были отшлифованы, планшайбу с наклеенными на неё подложками тщательно мыли для удаления с неё остатков шлифовальной пасты. Затем планшайбу помещали на полировочный круг и пластины полировались до зеркального блеска. Для полировки применялась полировальная паста “М”. После окончания механической полировки проводили химическую смесью глицерина и соляной кислоты в пропорции 10 : 1, соответственно. Химическую полировку проводили в несколько приемов по 10 с. с контролем качества поверхности на микроскопе МИИ-4.

После шлифовки и полировки из пластин вырезались пластины размеров, которые прикреплялись к корундовому стержню тонкой платиновой проволокой.

Для очистки от жировых загрязнений, подложки погружались в четырёххлористый углерод и кипятились в нём в течение 15 ¸ 20 минут.

3.6 Приготовление шихты для жидкофазной эпитаксии.

Для проведения экспериментов брали навески Bi2O3, GeO2 и Cr2O3 из расчёта получения смеси содержащей 3 масс. % Cr2O3 и производили синтез шихты по уравнению реакции приведённому ниже:

6Bi2O3 + 0,94GeO2 + 0,03Cr2O3 ® Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97.

Суммарный вес навески составлял 50 г, что определялось размерами тигля. Исходные компоненты отвешивали в рассчитанных соотношениях на аналитических весах АДВ – 200 с точностью до 0,0001 г. Затем проводили твёрдофазный синтез шихты при 820 °С в течении 30 часов.

Для идентификации фаз применялся метод рентгенофазового анализа. Образцы анализировались на двукружном дифрактометре типа ДРОН - 2.0 (CuK α в интервале углов 2° < 2Q < 70°).

 

3.7 Нанесения эпитаксиального слоя.

Эпитаксиальные плёнки получали методом окунания монокристаллической германосилленитовой подложки в расплав. Платиновый тигель с шихтой помещали в кристаллизационную камеру. Для выравнивания радиального градиента над поверхностью расплава, тигель накрывали диафрагмой из термостойкой керамики. Затем опускали шток с прикреплённой к нему платиновой проволочкой подложкой. Для наращивания эпитаксиальных плёнок Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97 использовались подложки Bi12GeO20 с ориентацией [111] и [100]. Шток с подложкой ориентировали таким образом, чтобы подложка находилась точно над центром тигля. Затем температуру с помощью ручного регулятора плавно поднимали до 899 °С за 40 – 50 минут. Это делалось для того, чтобы подложка и нагреватель не подвергались термоудару. После того как шихта расплавлялась, температуру выводили на заданное значение и выдерживали в течение 30 мин. для установления теплового режима. Подложку держали непосредственно над расплавом для прогрева.

Далее подложку опускали в расплав при вращающемся штоке и выдерживали её там в течение 10 ¸ 30 мин. Затем включали подъём штока. После того как подложка с нанесённой на неё плёнкой вытягивается из расплава, её вручную поднимали на 2 ¸ 3 мм над расплавом и, выключив вращение и подъём штока, выдерживали в течении 1,5 часов. Затем плавно начинали снижать температуру в печи до комнатной. Затем подложку с нанесённой на неё плёнкой извлекали из печи.

Процесс жидкофазной эпитаксии проводился при скоростях подъёма штока 12 мм/час и скорости вращения 47 Об/мин.

После наращивания проводился отжиг эпитаксиальных плёнок в течение 5 – 6 часов при температуре 850 °С.

Температура наращивания плёнок изменялась в пределах от 899 до 914 °С.

3.8 Определение влияния температуры на толщину эпитаксиального слоя.

Для приборов магнитооптики требуются плёнки толщиной не менее 20 мкм. На толщину получаемых эпитаксиальных плёнок основное влияние оказывают температура расплава, скорость подъёма штока и время эпитасиального наращивания плёнки.

Для определения толщины эпитаксиального слоя, из пластин с нанесённой плёнкой изготовлялся срез вдоль оси роста. Измерение толщины производилось с использованием микроскопа МИН-8. Измерение под микроскопом производилось с помощью винтового окулярного микрометра. Он позволяет проводить замеры с большой точностью, нежели линейный. При 20Х объективе цена одного деления барабана составляет 0,375 мкм.

Экспериментальные данные показали, что при скорости менее 12 мм/час происходит налипание расплава на подложку. При постоянных скорости вытягивания и времени наращивания плёнки, основное влияние на ее толщину оказывает температура.

Влияние температуры на толщину плёнки представлено на рис. 2.8.1.

Рис. 2.8.1. Зависимость толщины эпитаксиальной плёнки от температуры при постоянной скорости вытягивания (12 мм/час. и 10- минутной выдержке подложки в расплаве).

На основании эксперимента выбран оптимальный температурный режим выращивания плёнок при скорости вытягивания 12 мм/час.

Важное влияние на толщину получаемых плёнок оказывает время эпитаксиального наращивания.(Рис. 2.8.2.)

Рис. 2.8.2. Зависимость толщины плёнок от времени эпитаксии при разных температурах расплава:

1. 914 °С.

2. 907 °С.

3. 900 °С.

Плёнки оптимальной толщины получались в интервале от 855 до 873 °С и времени эпитаксии 10 мин.

3.9 Выявление микроструктуры эпитаксиальных плёнок.

Изучение микроструктуры полученных плёнок производили кристаллооптическим методом на микроскопе МИН – 8 с 160 кратным увеличением.

Определяли положение монокристаллических блоков на поверхности подложки, их форму и размеры в зависимости от ориентации подложки. Определение размеров кристаллических блоков проводилось по методике, изложенной в главе 2.8. На каждом образце производилось 25 – 30 замеров. Результаты усреднялись.

В зависимости от ориентации подложки и температуры расплава, получались монокристаллические блоки различной величины и формы.

На подложках с ориентацией {100} получались кристаллические блоки вытянутые вдоль оси роста. При уменьшении температуры до 904 °С происходило увеличение размеров кристаллических блоков, а при достижении области температур ниже 904 °С происходило их нарастание друг на друга (рис. 2.9.1.).

 На подложке с ориентацией {111} при прочих равных условиях, кристаллические блоки имели меньшие размеры и не столь явно выраженную направленность.(рис. 2.9.2.)

На рис. 2.9.3 представлен график зависимости средних размеров кристаллических блоков от температуры наращивания.

Рис. 2.9.1 Кристаллические блоки на подложке с ориентацией {100}.

Рис. 2.9.2. Мелкие кристаллические блоки на подложке с ориентацией {111}.

Рис. 2.9.3 Зависимость средних размеров монокристаллических зёрен от температуры расплава.

3.10 Результаты работы и выводы.

1. Получены плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке. 2. Оптимальными условиями для получения качественных плёнок толщиной от 20 до 90 мкм. являются температурный интервал 904 – 914 °С и время эпитаксии 10 мин. 3. Величина кристаллических блоков изменяется от 15 до 70 мкм в температурном интервале от 904 до 914 °С. 4. Для получения эпитаксиальной плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке. наиболее благоприятная ориентация подложки {100}

4 Экономическая часть .

[61].

4.1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ обоснование проведения дипломной работы.

В последнее время развитие и совершенствование передовых технологий привело к широкому внедрению достижений науки и техники, в том числе и квантовой электроники, в медицину.

В современной медицине существуют несколько способов лечения онкологических заболеваний:

1. Химиотерапия. К недостаткам этого метода можно отнести вредность, используемых лекарств, а также их высокую стоимость, длительный период выведения лекарства из организма, побочные явления и невысокую эффективность.

2. Хирургическое вмешательство. Недостатки этого метода связаны с затратами на содержание человека в больнице и его длительной нетрудоспособностью в послеоперационный период.

Наиболее перспективными методами лечения в России и за рубежом считается методы с применением лазерной техники. Сейчас такие методы из-за их высокой стоимости доступны далеко не каждому больному. Данная дипломная работа является шагом в направлении уменьшения стоимости изготовления техники и, следовательно, большей ее доступности для потребителя.

Потребность современной техники в новых материалах, перспективных благодаря их необычным физическим свойствам, возрастает с каждым годом. Среди таких материалов важное место принадлежит неорганическим монокристаллам. Известные на сегодняшний день лазерные кристаллы удовлетворяют далеко не всем существующим потребностям: например КПД лучших из них не превышает 60%, порог генерации порядка 50 мВт, невысокое оптическое качество, связанное с неразрешёнными технологическими проблемами, такими как, например, подбор условий роста объёмных кристаллов.

В последние годы очень активно изучаются материалы, содержащие в качестве активатора хром в нетрадиционной для него степени окисления 4+. На их основе возможно создание лазеров с перестраеваемой частотой излучения в диапазоне 1,1–1,5 мкм.

На сегодняшний день, германосилленит (Bi12GeO20) активированный ионами хрома, является одним из перспективных материалов для перестраеваемых лазеров ближнего ИК диапазона. Благодаря наличию широкой области перестройки (около 200 нм) этот материал может быть использован в медицине для лечения онкологических заболеваний, так как область его перестройки захватывает длину волны 1,27 мкм, которая обладает высоким терапевтическим эффектом в борьбе с раковыми клетками. Основными методами получения монокристаллов германосилленита для лазерных применений являются методы Чохральского , оптической зонной плавки. Получение лазерных элементов этими методами сопряжено с большими материальными и энергетическими издержками, значительная часть монокристаллов теряется в процессе изготовления конечного продукта (до 50%) из-за дефектов, включений, двойников, дислокаций и т.д. На сегодняшний день основным производителем лазерных элементов на основе силленита является фирма Union Carbide Corporation, на долю которой приходится 40% производства. Себестоимость одного лазерного элемента составляет около $1500 ( по данным UC ) В связи со сложной экономической ситуацией в нашей стране производство лазерных элементов (НИИ "Полюс", АОЗТ "ИРЕА" ) полностью прекращено.

В последнее время ведутся интенсивные исследования в области миниатюрных лазерных компонентов, поскольку они дают значительные преимущества перед обьемными монокристаллами, например: высокий уровень легирования активного материала для получения высокой эффективности (КПД ориентировочно до 80%) при небольших энергиях накачки диода; высокая компактность и технологичность ( время изготовления лазерного элемента на основе обьемного кристалла составляет примерно 3-4 сут., а на основе пленки за 2 часа можно изготовить 80-100 элементов); размер лазерного элемента на основе пленки не превышает 1 мм2 ( для кристаллов 10-15 см3 ); низкие пороги генерации ( 17 мВт вместо 50 мВт для лучших образцов обьемных кристаллов.); соответственно более высокие КПД (80 % вместо 60 %); малые отходы при производстве конечного продукта и, как следствие, уменьшение себестоимости.

Основным преимуществом миниатюрных лазеров является возможность создания их в интегральном исполнении со стекловолокном и диодной системой накачки. Данное направление возможно реализовать исключительно с применением метода жидкофазной эпитаксии, чему и посвящена данная дипломная работа.