По мере повышения температуры печи аргон внутри стакана-питателя постепенно замещается «бинарным паром», содержащим Si и С в различных соотношениях в зависимости от температуры [2, 4], пока вытеснение аргона не станет полным. Единственными фазами, существующими в зоне между изотермами 8 и 9, являются бинарный пар и графит. Выше изотермы 8 и ниже изотермы 9 устойчивой фазой является, кроме того, твердый карбид кремния.

Если сублимационную камеру передвинуть вверх на 1 мм, а положение изотерм 8 и 9 оставить неизменным, в стакане-питателе исчезнет слой карбида кремния толщиной 1 мм (появится графитовый остаток толщиной 1 мм), а в коническом тигле на линии роста 10 выше изотермы 8 осядет слой карбида кремния толщиной 1 мм.

Если перемещение производить с очень небольшой постоянной скоростью и если на уровне изотермы 8 имеется достаточно большой температурный градиент, можно надеяться, что осадок карбида кремния будет монокристаллическим.

Чтобы определить положение изотерм 8 и 9, одна сторона конического тигля 3 была сфрезерована, а внутрь стакана-питателя на том уровне, где в стенке имеется небольшой уступ, был помещен графитовый диск диаметром 9 см и толщиной 2 мм. Эго позволяет проводить одновременные измерения температуры (через окошечко в верхней части печи) на конце конического тигля и на диске внутри стакана-питателя. Отношение внутреннего диаметра стакана-питателя к внутреннему диаметру тигля 3 должно быть достаточно большим по следующим причинам: а) карбид кремния в тигле 3 представляет собой плотный кристаллический осадок, а в питателе — рыхлые куски; б) большая часть карбида кремния, испаряющегося в зоне изотермы 9 в питателе, будет осаждаться обратно ниже уровня 9, что будет приводить лишь к уплотнению загрузки 5, а не к росту осадка 10; в) часть паров теряется через зазор 11 между стаканом-питателем и сублимационной бутылкой, уходит в область радиационных экранов.

Радиационные экраны, помимо своего прямого назначения, имеют еще одну важную функцию. Они служат в качестве затворов, предотвращающих разбавление бинарного пара в верхней части сублимационной бутылки аргоном, который подводится с очень небольшой скоростью через отверстие 7 для поддержания в сублимационной камере постоянного давления, равного 12 мм рт. ст. Разбавление бинарного пара азотом понижало бы температуру осаждения карбида кремния.

Внутри канала, через который подводится аргон, помещается патрон 12 с титановым геттером для очистки поступающего в камеру аргона. Снаружи сублимационной камеры поддерживается давление 11, 7 мм рт ст., т. е. на 0, 3 мм рт. ст. ниже, чем внутри. Это препятствует попаданию примесей из окружающего сублимационную камеру печного пространства. Расход аргона для поддержания этой разности давлений равен 44, 4 мл/час (при стандартных температуре и давлении). Скорость потока измеряется в холодной печи до и после опыта и оказалась одинаковой.

Исходная загрузка карбида кремния 5 в стакане-питателе приготовляется in situ: перед каждым опытом в стакан помещается эквимолярная смесь кремния и графита; при нагревании печи кремний расплавляется, смачивает графит и при последующей выдержке реагирует с ним, образуя карбид кремния.

Образовывающиеся були прочно сидят в конической полости; на поверхности роста имеется небольшой налет графита. Графит удаляется отжигом в кислороде при 500° С в течение 3, 5 суток и в течение одной ночи при 550° С.

Конические були имеют диаметр около 3 см в основании и высоту около 1,3 см. Они состоят из нескольких больших зерен бледно-зеленого цвета. В них не заметно пустот; не обнаружено и ветвления гексагональных пластинок ни на самой поверхности роста, ни в ее окрестности. Поверхность роста имеет вид затвердевшего расплава; она равномерно искривлена (радиус кривизны — около 2, 2 см).

В результате частичной утечки пара через стенки сублимационной бутылки и разбавления его аргоном на более холодных частях печи образуются небольшие осадки бледно-желтых чешуек. Пар, который утекает через зазор в соединении 11 в область радиационных экранов, образует массу бледно-зеленых кристаллов на верхних поверхностях экранов. Здесь можно видеть множество хорошо развитых зеркально гладких плоских поверхностей.

Приготовление загрузки

В толстостенный графитовый тигель (рис. 2), состоящий из собственно тигля 1 и съемной воронки 2, помещается кремниевый стержень 3 длиной 18 см, диаметром 28 мм, весом 248, 5 г. Вокруг стержня насыпаются кусочки графита 4 в виде стерженьков длиной около 8 мм и диаметром 3 мм, общим весом 861 г. Это соответствует насыпной плотности 0, 858 г/см3. Между частями 1 и 2 помещается прокладка 5 из графитовой ткани для того, чтобы обеспечить сохранность шести отверстий для болтов 6 (глубиной 12, 5 мм, с резьбой ~М5), необходимых для вынимания тигля из печи после опыта. Тигель покрывается графитовым диском 7, в котором для выравнивания давления прорезаны три Рис. 2. Схема камеры для радиальные щели длиной 2,5 см и шириной 5 мм. Эта крышка приготовления загрузки в свою очередь покрывается диском из графитовой ткани 8, для сублимации который придавливался другой графитовой крышкой 9. После сборки сублимационная камера устанавливается выступом 10 на край стакана, являющегося подставкой для сублимационной камеры (см. рис. 1). Патрон 12 на рис. 1 с титановым геттером удаляется и отверстие 7 закрывается тремя прокладками из графитовой ткани с проложенными между ними графитовыми дисками толщиной 3 мм. Тигель устанавливается в печи таким образом, чтобы область максимальной температуры (близкой к температуре плавления Si) на вертикальной оси камеры была расположена приблизительно в точке, указанной стрелкой на рис. 2. Температурный максимум используемой печи имеет плоскую форму, а толстостенный тигель еще более уплощает температурное поле, поэтому указанное положение области максимальной температуры является не точным, а лишь наиболее вероятным. Скорость нагрева в момент прохождения точки плавления кремния 30 град/час. Затем повышение температуры продолжается со скоростью около 60 град/час, пока не достигается температура 1530° С в центре диска 9. Перед началом процесса система заполняется аргоном до давления 18 мм рт. ст. Когда температура начинает повышаться, для поддержания постоянного давления аргон необходимо частично отсасывать.

Центральная часть загрузки состоит из спекшихся между собой исходных графитовых стерженьков, которые образовывают агрегаты приблизительно по 6 штук в каждом. Они очень легко отделяются друг от друга. На высоте около 7, 5 см от нижней точки полости тигля образовается слой из спекшихся вместе кусков толщиной около 1 см. Ниже этого слоя находятся только непрореагировавшие куски графита.

Куски графита, прореагировавшие с жидким кремнием, темные, блестящие. Под микроскопом можно видеть, что они представляют собой желто-зеленую кристаллическую массу. Их диаметр увеличевается приблизительно до 5 мм, частично вследствие образования в них нескольких продольных трещин. Отсюда и то «давление», которое возникает внутри загрузки. Из-за их разбухшего вида эти куски называют «губками».