Способ определения краевого угла смачивания

ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ВТОРСНОМУ СВИД(56) 1; Маслов А.А. Технологструкция полупроводниковых пМ "Энергия", 1970, с.138.2. Адам Н.К.Физика и химиверхностей. М-,Л., ОГИЗ, 1947(54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАН 1 И, заключающийся в заполнении капилляра.иэ исследуемого материала исследуемым расплавом и из мерении геометрических параметров си 80 ы 087834 А стемы расплав-поверхностькапилляра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыщения точности определения для материала, растворимого в расплаве, и обеспечения возмозности исследования непрозрачных материалов исследуемым расплавом заполняют разьемный вдоль оси капилляр, выдеркивают его в контакте с расплавом в течение заданного времени, удаляют расплав из капилляра и разъединяют капилляр на . части, а в качестве геометрического параметра системы измеряют высоту кри волинейного участка профиля травления на одной из частей капилляра, причем краевой угол смачивания вычисляют ф по выражению9 " 90 ф - агсвдпД +а гд - высота криволинейного участкеИзобретение относится к исследованию граничных свойств материалов, вчастности к определении краевого угла смачивания между растворами-расплавами и полупроводниками А В , иможет быть использовано при разработке методов капиллярной жидкостной эпитаксии полупроводниковых структур,Известен способ определения краевого угла смачивания методом лежащей 1 Окапли, который заключается в помещении капли металла или раствора-расплава на пластинку полупроводника ифотографировании формы капли при фик"сированной температуре. Используя фотографию, проводят касательную кповерхности капли на границе разделаподложка-капля и определяют краевойугол смачивания 13,Однако известный способ не позволяет определить краевой угол смачивания непосредственно в капилляре в процессе жидкостной зпитаксии полупроводников АЭВНаиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения краевого угла смачивания, заключающийся в заполнении капилляра из исследуемого материала исследуемым расплавом и измерении ЗО геометрических параметров системы расплав - поверхность капилляра. По геометрическому изображению границы раздела, получаемому с помощью, напРимер, микроскопа, получают кРаевой 35 угол 1.23.К недостаткам способа относится большая погрешность определения краевого угла смачивания расплавами поверхности полупроводников типа АВ . 4 О Связано это с тем,что полупроводники А В (СаАз, 1 пБЬ и др. , являются легколетучими соединениями,(из-за элементов 5-ой группы: Аз, Р, БЬ ), При температуре эпитаксии в реэуль тате контакта раствора-расплава с подложкой А В происходит растворе-ние части подложки. При этом эа счет испарения легколетучего элемента 5-ой группы с поверхности раствора 50 расплава происходит дальнейшее растворение подложки, капля внедряется в пластинку полупроводника А Вформа капли изменяется и точность определения краевого угла смачивания резко уменьшается.55Кроме того, известный способ применим только к изучению прозрачных материалов. Целью изобретения является повышение точности определения для материала, растворимого в расплаве, иобеспечение воэможности исследования непрозрачных материалов.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу определения краевого угла смачивания, заключающемся в заполнении капилляраиз исследуемого материала исследуемым расплавом и измерении геометрических параметров системы расплавповерхность капилляра, исследуемымрасплавом заполняют разъемный вдольоси капилляр, выдерживают его в кон"такте с расплавом в течение задан-ного времени, удаляют расплав изкапилляра, разъединяют капилляр начасти, а в качестве геометрическогопараметра системы измеряют высотукриволинейного участка профиля травления на одной иэ частей капилляра,причем краевой угол смачивания вычисляют по выражению9= 90 - агсзиз -я - -о,Д + 1где 1 - высота криволинейного участка растворенной части капилляра; .д - толщина капилляра,На фиг. 1 изображена схема капилляра с расплавом; на фиг.2 - температурная зависимость краевого угла смачивания 6 для системы Са-Аз /СаАз.,После заполнения капилляра 1 неиасьиценным раствором"расплавом 2фиг.1) свободная поверхность раствора-расплава изгибается, образуя мениск 3. Поскольку раствор-расплавявляется ненасыщенным, происходитрастворение части полупроводниковыхподложек до образования насыщенногораствора-расплава.Температура процесса выбираетсяиэ условия Т.пл./24 Т ( Т.пл., гдеТ.пл, - температура плавления подложки. Такой выбор обусловлен тем,что при Т Ъ Т.пл. определить 9 невозможно, а нижняя граница Т;пл./2связана с предельной растворимостью(около 1) элемента 5-ой группы вметалле-растворителе.Поскольку скорость растворенияподложки ограничивается диффузиейкомпонентов из подложки в расплавто время ь , необходимое для растворения, определяется из соотношения1 =В , где 0 - минимальный коэффициент диффузии для элементов раствора-расплава.(2) 3 10878Вычисленное таким образом времягарантирует растворение подложкидо образования насыщенного растворарасплава;Растворение подложки происходит5по всей высоте контакта с растворомраспланом, причем растворение подложки от основания раствора"расплава до основания мениска происходитоднородно, а по высоте мениска -, не-.однородно. Поскольку толщина растворенной части подложки линейно зависит от массы раствора-расплава (оттолщины капилляра )в то толщина растворенного слоя будет нелинейно умень-,ааться по высоте мениска 1 от его ос-нования до границы контакта растворарасплава с подложкой (фиг.1) .Таким образом, определин высотукриволинейного участка 1 растворенной части подложки, мы тем самым20определяем глубину мениска растнорарасплава в капилляре. Зная 1 н толщину капилляра дв определяем краевой угол смачивання 9,В соответствии с фиг. краевойугол смачиваиня 9 90 о- фв своп очередь аьпйщ --Йтогда гК,ЗОО = 90 - агснпо . с 1(3)2 КТеперь найдем радиус мениска раствора-расплава н капилляреК вв + (К) (4), отсюда 2 2Подставляя (51 н(3 в, найдем выра-,О жение для определения краевого угла смачивания9 щ 90-агсаьп -Пятак, согласно предлагаемому способу используется явление растворе" ния подложки в процессе жидкостной эпитаксии раствором-расплавом, которое является нежелательным соглас- ь но известному способу.П р и м е р 1Для изучения краевого угла смачивания используется графитовая кассета для капиллярной эпитаксии, которая содержит два подложкодержателя, выполненных с воэможностью перемещения друг относи тельно друга, и камеру для раствора- расплава, расположенную с нижней торцовой стороны подложкодержателей. 34 4Процесс проводится М потоке водорода, очищенного через палладиевыйфильтр,В качестве исходных компонентовиспользуют Са чистотой 99,999 мас.Хи подложки п-СаАв, легированные теллуром до концентрации носителей около 2 ь 10 см -,17 я Капиллярный промежуток формируется между параллельными плоскостями соседних подложек.Для определения краевого угла смачинания систему нагревают до 850 С, приводят н контакт с металлическим растворителем Са и ныдерживают н течение :ар)2/В:ЮОС где Й= мм, Р =5 ь 10 фсмЯ с 1 после чего отделяют подложку от насыщенного расплава и охлаждают систему до комнатной температуры.Прн контакте подложек с растворителем Са псд действием сил поверхностного натяжения происходит заполнение капилляра раствором-расплавом,При этом свободная поверхность раствора-расплава н капиллярном пакете образует цилиндрический мениск. В процессе выдержки при постоянной температуре 50 с, происходит растворение части подложек СаАа, После разборки кассеты по форме края растворения подложки определяют величину криволинейного участка 1 под микроскопом, Величинасе 10 мкм вв е 11.10 3 см. Знаяи 69 вычисляют краевой угол смачинания. 0=90 -сн с Э)во 4 ЕС о"-66Ф+иП р и м е р 2. Дпя излучения температурной зависимости краевого угла смачивания в системе Са-Ан/СаАнпроцесс капиллярного смачивания осу,ществляют многократно последовательно через 50 С в интервале температур750-950 С,Толщина капиллярного пакета 0,1 смдля Т = 750-850 С и йвв 0914 см дляТ=900-950 С,Результаты излучения температурной зависимости краевого угла представлены на фнг.2. Предложенный способ позволяет свысокой точностью определять краевойугол смачинания поверхности полупро"1087834 водников АфВрастворами-расплавами непосредственно в технологическом процессе капиллярной эпитаксии и 50 Составитель А,Кощеев.Коссей Техред Л.Мартяшова Корректор О,ТигоГ Редак 2 б 47/38 Тираж 823 ПодписИИИПИ Государственного комитета СССпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж, Раушск е ак ая наб д,илиад ППЛ "Патент 3ч ф может быть использован для контроляэтого процесса, а также при разработке методов его управления. жгород, ул. Проектная, 4