ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

© Ю.А.Серебряков, В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2014 г.

Условия микрогравитации представляют собой уникальную технологическую среду для более глубокого изучения процессов кристаллизации и получения высокосовершенных кристаллов. В космосе при практическом отсутствии термогравитационной конвекции можно реализовать переход к диффузионным условиям тепломассопереноса в расплаве. В этом случае рост кристаллов будет происходить на основе процессов самоорганизации атомов. Однако расплавы полупроводников и металлов при g 10-5  10-6g0 становятся очень текучими жидкостями, конвективные течения в которых очень чувствительны к различным силовым воздействиям. Поэтому необходимо применять комплекс мер для минимизации квазистатических и вибрационных микроускорений на борту космического аппарата, а также термокапиллярной конвекции Марангони. Роль этих источников воздействий значительно возрастает на фоне отсутствия естественной конвекции (Б.Г. Захаров, В.И. Стрелов, Ю.А. Осипьян. Проблемы, перспективы и альтернативы выращивания монокристаллов полупроводников в космосе //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. №2. С. 3–10). Поэтому простое размещение ростовой установки в космосе без учета направления оси роста по отношению к результирующему вектору остаточной гравитации и применение отработанных на Земле технологических режимов не позволяет полностью использовать основные преимущества микрогравитации.

В значительной степени возможность применения технических и технологических средств для минимизации влияния возмущающих факторов и приближения к диффузионным условиям тепломассопереноса при кристаллизации определяется конструктивными особенностями установок для роста монокристаллов. В большинстве случаев специфика проведения на них космических экспериментов учитывалась, в основном, в ограничении массогабаритных и энергетических характеристик. Исходя также из высокой стоимости доставки научной аппаратуры на борт космического аппарата, многие установки являются универсальными, рассчитанными на применение различных методов кристаллизации.

Предлагаемая конструкция установки в совокупности с поворотной платформой позволяет реализовать в космосе «вертикальный» метод Бриджмена так, чтобы ось роста была ориентирована параллельно вектору остаточной гравитации. Конструкция теплового узла обеспечивает практическое исключение термогравитационной конвекции в расплаве и приближение к диффузионным условиям тепломассопереноса. При этом расплав находится в замкнутом объеме и отсутствует свободная поверхность, то есть также исключается конвекция Марангони. С учетом результатов математического моделирования процессов тепломассопереноса в расплаве предложена принципиально новая конструкция на основе однозонового трубчатого и торцевого плоского нагревателей, создающих оптимальный температурный профиль с минимальным радиальным и заданным осевым градиентами температуры. Процесс направленной кристаллизации происходит без механического перемещения ампулы в тепловом за счет управления электрической мощностью нагревателей.

Разрабатываемая ростовая установка удовлетворяет требованиям компактности, малого энергопотребления, безопасности работы.

Предлагаемые принципы по управлению процессами тепломассопереноса в расплаве и конструкция теплового узла реализованы в наземных исследованиях получения высокосовершенных кристаллов полупроводников.