考察

3.2.3.1 Si1-xGex混晶デンドライトの成長メカニズム

本研究において、Si1-xGex 混晶のデンドライト成長について、成長過程の直接 観察および組織解析を行った結果、Si1-xGex混晶デンドライトは純Siや純Geと 同様に双晶界面が存在するタイプのデンドライトであることがわかった。この ように、双晶界面が存在するデンドライトでは、その成長様式に双晶界面が大き く影響を及ぼす[65]。図 3-49 は双晶界面を２つ含んだ結晶の成長モデルである [65]。この成長モデルは純 Si のデンドライト成長において提案されたものであ るが、ダイアモンド構造を有するSi1-xGex結晶も、Siと同様に最も成長速度が遅 い｛111｝面で表面が囲まれていると考えられるため、図3-49に示すモデルでデ ンドライト成長を説明できると考えられる。双晶界面が存在することにより、成 長界面には凹入角と呼ばれる 141°の溝が、２つの双晶界面のうちの片側の成長 界面に形成される。この凹入角では、優先的に融液中の原子が取り込まれるため 成長速度が大きくなる。この優先成長により結晶が成長すると、三角形の形状の 結晶となり、この段階で成長界面の凹入角が消滅する。しかしながら、表面の

｛111｝面の成長は継続的に起こるため、この三角形の結晶が、もう一方の双晶 界面まで成長すると、この双晶界面において新たに凹入角が形成され、優先成長 が起こる。これを繰り返しながらデンドライト結晶は成長する。

図 3-49 のモデルでデンドライトが成長する場合、デンドライトの成長速度

（Vdend）は(3-6)式のように表すことができる。

𝑉_{𝑑𝑒𝑛𝑑}= ^ℎ

2(ℎ 𝑉⁄ 1+𝑑 𝑉⁄ 2)+ 𝑉₂ (3-6)

(3-5)式中の、h、V1、V2、およびdは、それぞれ、凹入角で優先成長する結晶

の三角形の高さ、凹入角における結晶成長速度、｛111｝面の成長速度、および双 晶界面の間隔である。(3-5)式から、デンドライト中に存在する双晶界面の間隔が 成長速度に影響を及ぼすことがわかる。本実験における方位解析により測定し

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た、デンドライトの双晶界面の間隔と初期融液の Ge 濃度の関係を図 3-50 に示 す。Ge濃度が増加すると、双晶界面の間隔が狭くなる傾向があるが、双晶界面 の形成には融液の過冷却度の影響もあるため、ここでは、Ge濃度と双晶界面の 間隔に関して議論を避ける。

図3-49 双晶界面を有するデンドライトの成長モデル[65]。

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次に、各デンドライト中の双晶界面の間隔と成長速度の関係を図3-51に示す。

比較のため、(3-6)式を用いて計算した結果を点線で示す。なお、計算では、（3-6）式中のh、V1、およびV2は定数とした。Si1-xGex混晶のデンドライト成長にお

いても、双晶界面の間隔がデンドライト成長の速度に影響を及ぼす傾向が観察 される。しかしながら、実験値と計算値は一致しているとは言いがたい。（3-6）

式において定数としたV1およびV2は、実際には結晶化の駆動力に応じて変化す る。本研究における、その場観察実験では、デンドライトの成長過程を直接観察 することはできたが、成長界面における融液の過冷却度（結晶化の駆動力）を実 測することができていない。Si1-xGex 混晶においては、固液界面における組成分 布による融点変化によって結晶化の駆動力が変わるため、より詳細なデンドラ イト成長メカニズムを知るためには、成長界面における温度もしくは組成分布 の実測が必要である。

図3-50 本研究で観察されたデンドライト結晶の双晶間隔と初期Ge濃度の関係。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Geの濃度(at%)

双晶界面の間隔(μm)

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3.2.4 まとめ

本研究では、様々な組成のSi1-xGex融液からデンドライト結晶が成長する様子 を観察することに成功した。観察されたほとんどのデンドライトは、従来報告さ れている純 Si や純 Ge のデンドライトと同様の成長形態、構造を有していた。

これらのデンドライトの成長速度は、双晶間隔に大きく影響を受けることが示 された。

一方、金属合金のデンドライトのように、主幹から 2 次枝が発生しているよう な形状の結晶も観察された。この結晶の組織解析が出来ていないため詳細な議 論はできていないが、今後、優先成長方位や双晶の有無などを調べることにより、

本結晶の発現条件や成長メカニズムの解明が期待される。

図3-51 本研究で観察されたデンドライトの双晶界面の間隔と成長速度の関係。

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 2 4 6 8 10 12

計算値 実験値

デンドライトの双晶界面の間隔 （µm)

デンドライトの成長速度（µm/s)

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