научная статья по теме ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ И АЛЬТЕРНАТИВЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В КОСМОСЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ И АЛЬТЕРНАТИВЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В КОСМОСЕ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 2, с. 3-10

УДК 629.782:548.55

ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ И АЛЬТЕРНАТИВЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В КОСМОСЕ

© 2009 г. Б. Г. Захаров1, В. И. Стрелов1, Ю. А. Осипьян

Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" Института кристаллографии

имени А.В. Шубникова РАН, Калуга, Россия

2Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Московская область, Россия

Поступила в редакцию 29.05.2008 г.

2

Проведен анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов. Исследованы причины возникновения в кристаллах микро- и макронеоднородностей распределения легирующей примеси. Показано, что для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо обеспечить в расплаве условия диффузионного тепломассопереноса. Такие условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены при отсутствии термогравитационной конвекции, при исключении свободной поверхности расплава, а также при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав. Эти причины вызывают в условиях микрогравитации вынужденные конвективные течения и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов.

ВВЕДЕНИЕ

С 1975 года, когда были начаты систематические космические исследования по выращиванию различных кристаллов, в нашей стране было проведено более 700 космических экспериментов (КЭ) на космических аппаратах (КА) "Фотон", "Салют", "Союз-Аполлон", "Мир" и МКС. Были опробованы различные методы выращивания объемных кристаллов из расплавов и растворов, а также эпи-таксиальных слоев из газовой фазы: это кристаллы ве, ваБЬ, ¡иБЬ, СёТе и др., монокристаллические пленки ве, СёБ-СёБе, и др., которые предполагалось использовать в опто- и микроэлектронике, СВЧ-технике, при создании лазеров, фотоприемников и интегральных схем.

Сама идея использования невесомости для выращивания из расплава высококачественных легированных кристаллов основывалась на том, что в условиях невесомости исчезает термогравитационная конвекция, которая в земных условиях, в основном, ответственна за микро- и макронеоднородность свойств получаемых кристаллов.

К сожалению, на первоначальном этапе исследований на космических аппаратах еще отсутствовала система регистрации микрогравитации, не были развиты методы математического моделирования процессов тепломассопереноса в расплавах, поэтому эксперименты проводились на сугубо эмпирической основе с целью опробовать в космосе различные методы выращивания кристаллов, получить по отработанным на Земле технологиям широкий круг кристаллических матери-

алов и установить, какие из них будут существенно лучше получаемых в земных условиях, чтобы в дальнейшем в космических условиях организовать их опытное или серийное производство.

Результаты многочисленных КЭ по выращиванию кристаллов в космосе кратко можно охарактеризовать так: по совокупности свойств полученные в КЭ кристаллы были не лучше выращенных в земных условиях, они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только с изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве.

Поэтому основной целью настоящей работы было проведение анализа влияния различных факторов в космических экспериментах по росту кристаллов с целью поиска путей преодоления существующих проблем по получению высококачественных кристаллов. Этот анализ в значительной мере опирается на наши теоретические расчеты и экспериментальные результаты по выращиванию кристаллов ве(ва), в процессе получения которых моделировались конвективные процессы различной интенсивности, в том числе близкие к космическим условиям, и которые основываются на использовании вертикального метода Бриджмена с осесимметричным нагревом сверху, близким к фронтальному.

ВЛИЯНИЕ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА ХАРАКТЕР КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ В РАСПЛАВАХ

Для описания конвективных течений в расплавах широко используется система дифференциальных уравнений Навье-Стокса в приближении Обербека-Буссинеска [1, 2]. Используя для приведения этих уравнений к безразмерному виду в качестве характерных величин размера и скорости капиллярную постоянную Лапласа 5а = (Фо/£Ро)1/2 = Ь, V = (а0£/ро) и, соответственно, г = (Ь/У)г' = (ЬJgУ/2t, получаем уравнения движения и краевые условия в безразмерном виде [3]:

д V + W V = - V( P + z) - Gv aTn +-1- A V,

д t

Rea

div V = 0,

dT + VV T =

д t

1

Rea Pv

AT,

— + VV C = —1 dt ReaSc

AC,

P - —n x D x n = H + Pa,

Rea a

2t x D x n = (Mna x Rea)VrT.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Здесь

Rea =

f 3 Л1/4

Op

3 4 Po£V ,

Pr =

kT'

(6)

Gra = pAT, Sc = f-, Mna = kaA T,

kc

где Gra - аналог числа Грасгофа; Rea - аналог числа Рейнольдса; Pr - число Прандтля; Sc - число Шмидта; Mna - аналог числа Марангони; V - вектор скорости; P - давление; T - температура; C - концентрация; nz - единичный вектор; t, n - касательный и нормальный векторы на свободной поверхности; D - тензор скоростей деформации; H -кривизна поверхности; Pa = const - давление на свободной поверхности; Vr - градиент вдоль свободной поверхности; ka - температурный коэффициент поверхностного натяжения: a = a0(1 -- ka(T - T0)), AT - перепад температур; a0, v, в, kT, kc, p0 - коэффициент поверхностного натяжения, коэффициенты кинематической вязкости, температурного расширения, температуропроводности, диффузии, плотности соответственно.

На основе этих уравнений можно провести качественный анализ влияния физических параметров на характер процессов тепломассопереноса (ТМП) в расплавах. Сравнительный анализ этих уравнений и величин безразмерных параметров и

коэффициентов при старших производных в уравнениях для земных (£0) и космических (^ = 10-6^0) условий показывает, что коэффициенты при старших производных в уравнениях движения, переноса тепла и примеси уменьшаются в космических условиях по сравнению с земными на ~1.5 порядка, что означает увеличение вклада конвективной составляющей в переносах импульса, тепла и примеси, а это, в свою очередь, при практическом отсутствии термогравитационной конвекции свидетельствует об усилении конвективного характера процессов за счет усиления конвекции Марангони. Перечисленные качественные оценки влияния уровня микрогравитации на процессы тепломассопереноса в расплаве иллюстрируются конкретными результатами расчетов.

На рис. 1 и 2 приведены количественные результаты расчетов, полученные с помощью пакета программ Р1шё-2Б структуры конвективных течений и скоростей в расплаве ве(ва) для земных и космических условий при осесимметрич-ном (сверху) и частично боковом подводе тепла. Неравномерный нагрев на свободной поверхности всего на один градус создает в невесомости значительное термокапиллярное конвективное течение при практическом отсутствии естественной конвекции.

Из приведенных результатов следует, что в космических условиях при наличии свободной поверхности расплава реализуются более интенсивные конвективные течения и, соответственно, значительно усиливается конвективный характер процессов распространения тепла и примеси по сравнению с земными условиями, что ведет к возрастанию в выращиваемых кристаллах микро- и макронеоднородностей распределения легирующей примеси по сравнению с кристаллами, выращенными в этих условиях на Земле.

Таким образом, использовать космические условия для выращивания высококачественных легированных кристаллов при наличии свободной поверхности расплава или раствора не имеет смысла, так как микро- и макрооднородность выращиваемых кристаллов будет заведомо хуже, чем у получаемых в земных условиях.

В связи с вышеизложенным проведем краткий сравнительный анализ условий выращивания кристаллов, характерных для ближнего космоса и для Земли, при которых формируются конвективные течения, определяющие те или иные неоднородности распределения легирующей примеси.

МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ (ПОЛОСЫ РОСТА)

В результате многочисленных экспериментов и теоретических расчетов [4-6] однозначно уста-

И, мм (а) 2520 15 10 5

Я = Я0

25 20 15 10 5

Я = 10-2

Я0

(б)

10

10

И, мм

25201510 5

0

(д)

Я, мм

Я = Я0

25 201510 5

(е)

10

Я, мм

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

2.0 Мп Ф 0

1.5 1.0 0.5

0.2 0

И, мм 25 20 15 10 5

(в)

(г)

10

Ух10-

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Мп = 0

И, мм (ж)

25 20 15 10 5

\\44XW I 4 \\NN44X'

25 20 15 10 5

Я, мм

Я = Я0

25 20 1510 5

10

(з)

10

^4

10

Я , мм

V х 10-1

3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0

6 4 2 .0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

10

Рис. 1. Структура конвективных потоков (а, в, д, ж) и изолинии модуля скорости (б, г, е, з) для земного go и остаточного g = 10-^0 уровней гравитации при наличии или отсутствии конвекции Марангони. у - У4

потоков у фронта кристаллизации: У = 7.5 х 10 3 мм/с; = 1.3 мм/с; У3 = 2.6 х 10 3 мм/с; У4 = 5.1 х 10 6 мм/с.

- скорость конвективных Р -6,

0

0

5

5

5

5

0

5

новлено, что полосы роста в кристаллах формируются при значительной интенсивности (скорости) конвекции по достижении ею нестационарного уровня (рис. 3). Соответствующие колебания температуры расплава, обусловленные нестационарным характером конвективных течений, приводят к локальным (на поверхности растущего кристалла) изменениям скорости кристаллизации и связанным с ними изменениям эффективного коэффициента сегрегации легирующей примеси в поверхностных слоях растущего кристалла, что в конечном итоге и наблюдается в выращенных кристаллах в виде полос роста. В космических

условиях при значительном ослаблении интенсивности термогравитационной конвекции исключение свободной поверхности расплава обеспечивает получение кристаллов без полос роста (рис. 4).

В земных условиях только при существенной оптимизации тепловых условий роста кристаллов в методе Бриджмена с нагревом сверху при уменьшении радиального градиента

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»