ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В КОСМОСЕ
© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров, Ю.А.Серебряков, В.К.Артемьев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2009 г.
Идея использования невесомости как технологической среды для выращивания из расплавов высокосовершенных кристаллов полупроводников, в том числе и легированных, основывается на том, что в условиях невесомости практически отсутствует термогравитационная конвекция, которая в земных условиях, в основном, ответственна за микро- и макронеоднородность распределения легирующей примеси и, соответственно, свойств получаемых кристаллов.
На первоначальном этапе исследований (начиная с 1975 г.) на космических аппаратах еще отсутствовала система регистрации уровня реальной микрогравитации, не были развиты методы математического моделирования процессов тепломассопереноса (ТМП) в расплавах, поэтому эксперименты проводились на сугубо эмпирической основе: опробовать в космосе по отработанным на земле технологиям различные методы выращивания кристаллов, получить широкий спектр кристаллических материалов и установить, какие из них будут существенно лучше получаемых в земных условиях. При этом проведенные на первых этапах, как в нашей стране, так и за рубежом многочисленные эксперименты по выращиванию монокристаллов в условиях микрогравитации продемонстрировали принципиальную возможность получения в космосе кристаллов с высокими по микрооднородности характеристиками, однако по совокупности требуемых параметров космические кристаллы уступали образцам, выращенным по передовым земным технологиям.
Поэтому на следующем этапе исследований основные цели и задачи космических экспериментов (КЭ) были посвящены изучению влияния различных факторов и условий проведения КЭ на процессы роста и, в конечном итоге, на однородность и свойства выращиваемых кристаллов. При этом широко привлекаются методы математического моделирования процессов ТМП при описании процессов кристаллизации и влияния на них реальных космических условий, в том числе остаточной микрогравитации, вибрационных и квазистатических ускорений, конвекции Марангони. Расчетно-экспериментальными методами нами показано, что исключение свободной поверхности расплава при росте кристаллов Ge(Ga) в космосе, позволяет устранить нестационарную конвекцию Марангони и тем самым исключить появление полос роста. Также установлено, что реально существующий на космическом аппарате (КА) высокий уровень вибрационных ускорений, на несколько порядков превышающий земной уровень, будет приводить к появлению полос роста в кристаллах, соответствующих неоднородностям распределения легирующей примеси. Кроме того, изменение ориентации КА в процессе полёта и, соответственно, оси роста кристалла относительно вектора остаточной гравитации приводит к формированию макронеоднородности распределения легирующей примеси по диаметру кристалла.
Анализ литературных данных многочисленных КЭ по росту кристаллов, а также проведенные нами теоретические расчеты и экспериментальные исследования конвективных процессов позволяют оценить на нынешнем этапе исследований основные проблемы и перспективы использования микрогравитационных условий для получения более высококачественных материалов как при росте кристаллов, так и в других технологических процессах.
Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Калужской области (гранты № 09-02-97516, № 09-01-97529).