In situ Untersuchungen von Kristallwachstums- und Reinigungsprozessen im System Al-N-O-C-H
Guguschev, Christo - Technische Universität Berlin (2012)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige thermoanalytische Hochtemperatur-Systeme für gleichgewichtsnahe und kinetisch orientierte Prozesse entwickelt. Durch einen für kinetische Untersuchungen optimierten Messaufbau mit Einsatz eines kapillar-gekoppelten Massenspektrometers konnten karbothermische Reduktionsprozesse in situ kinetisch untersucht werden. Mit dieser Methode ist es gelungen, grundlegende Untersuchungen zur Reinigung von Al2O3-kontaminiertem AlN über verschiedene Reinigungsmethoden durchzuführen und die kinetischen Daten zu erhalten. Die abgeleiteten kinetischen Modelle ermöglichen es, Vorhersagen zum Reinigungsfortschritt in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur durchzuführen und das AlN-Kristallwachstum bei der karbothermischen Reduktion von Al2O3 kinetisch zu beschreiben. Sie gestatten gleichzeitig Vorhersagen bezüglich des transienten Sauerstoffeinbaus während der Sublimationszüchtung (PVT-Verfahren) von AlN, ohne dass eine Vielzahl von weiteren Experimenten durchgeführt werden muss.
Das entwickelte multifunktionelle Hochtemperatur-Massenspektrometer (MF-HT-MS) ermöglicht es kondensierbare und nicht kondensierbare Gasphasenspezies während der Sublimation von AlN zu registrieren und liefert wichtige Rückschlüsse über die Al-katalysierte Bildung von Al2O während der Reinigung von AlN. Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Anlage darauf gelegt, dass die Gasphasencharakterisierung bei unterschiedlichen Prozessbedingungen möglich ist. Das schließt die kinetisch orientierte freie Verdampfung unter Hochvakuum-Bedingungen, Studien unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen und die Möglichkeit der Charakterisierung von Gasphasenspezies unter züchtungsnahen Bedingungen ein. Für die letztgenannte Anwendung bedarf es weiterführender Arbeiten, um die in der Literatur postulierte Existenz von AlxNy-Spezies unter Züchtungsbedingungen endgültig zu klären.
Durch Modifizierungen am Züchtungsaufbau, die Verwendung von deutlich größeren und aus Wolfram gefertigten Tiegeln sowie durch Veränderungen der Züchtungsprozedur und der Züchtungsbedingungen (Temperatur und Übersättigung) konnten facettierte isometrische AlN-Einkristalle sowohl durch gezielte Kornvergrößerung als auch durch spontane Kristallisation gewachsen werden. In der neuartigen Züchtungsanordnung findet die Kristallisation nahe der Quelle oberhalb eines Wolfram-Podestes statt, ohne dass Diaphragmen oder spezielle konische Blenden eingesetzt werden. Die Fremdstoffgehalte der kritischen Elemente O, Si und C in den AlN-Einkristallen konnten auf die Werte von 6 ppm, 15 ppm und 30 ppm reduziert werden.