РАДИАЛЬНАЯ МАКРОНЕОДНОРОДНОСТЬ В КРИСТАЛЛАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ОРИЕНТАЦИИ ВЕКТОРА ОСТАТОЧНОЙ ГРАВИТАЦИИ
© В.И.Стрелов, Е.Н.Коробейникова, В.К.Артемьев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2013 г.
Нерешенность в полной мере проблемы получения высокосовершенных кристаллов полупроводников, особенно легированных и сложного состава, в реальных условиях космического эксперимента (на борту космических аппаратов) обусловлена большим числом и сложностью процессов, влияющих на структурное совершенство кристаллов в процессе выращивания. Физические процессы, происходящие на фазовой границе кристалл-расплав, определяющим образом влияют на структуру и свойства выращиваемых кристаллов. Процессы сегрегации и межфазной кинетики, процессы тепломассопереноса и концентрационной конвекции (для легированных расплавов и расплавов сложного состава) и др. взаимодействуют между собой, усложняя механизм происходящих процессов.
К настоящему времени кроме, во-первых, определяющего влияние в невесомости сил поверхностного натяжения — термокапиллярной и капиллярно-концентрационной конвекции (конвекции Марангони) на процессы тепломассопереноса и, соответственно, на процессы кристаллизации и, во-вторых, сильного влияния на процессы кристаллизации в условиях реальной микрогравитации вибраций космического корабля (g-jitter), спектр которых может колебаться от сотых долей до сотни герц при амплитуде до 10-3 g0,установленосущественное влияние на однородность свойств выращиваемых кристаллов (в первую очередь, на распределение примеси по диаметру кристаллов) в условиях космического полета еще одного фактора, специфичного для космического полета — изменение в пространстве и во времени ориентации вектора остаточной гравитации. Эти остаточные микроускорения могут приводить к возникновению слабой конвекции в расплаве, что может оказаться негативным фактором при росте кристаллов в космосе и привести к сильной макронеоднородности свойств выращенных кристаллов в радиальном направлении.
Расчетно-экспериментальными методами в наземных экспериментах на примере выращивании кристаллов Ge высоколегированного Ga исследовано влияние величины и направления вектора гравитации относительно фронта кристаллизации на структуру и характер конвективных течений в расплаве. На основе полученных наземных результатов были проведено математическое моделирование (для описания влияния величины и ориентации вектора остаточной гравитации относительно фронта кристаллизации на процессы тепломассопереноса в расплаве при выращивании кристаллов использовалась система уравнений Навье-Стокса в приближении Обербека-Буссинеска; при этом для адекватного описания процесса кристаллизации численное моделирование проводилось с учетом процессов тепломассопереноса вблизи фронта кристаллизации) по влиянию на макрооднородность распределения легирующей примеси по диаметру выращиваемых кристаллов ортогональной к направлению кристаллизации составляющей вектора силы тяжести, возникающей на борту космических аппаратов в условиях реального космического полета. Теоретически рассчитаны скорости конвективных течений вблизи фронта кристаллизации, при которых будет возникать макронеоднородность распределения легирующей примеси.
Проведенные исследования показывают, что для получения в реальных условиях микрогравитации однородных кристаллов полупроводников необходимо обеспечивать в расплаве режим диффузионного тепломассопереноса, включающий: минимизацию температурных градиентов в расплаве, устранение свободной поверхности расплава, ориентацию оси роста кристалла вдоль вектора остаточной гравитации.
Проведенные теоретические расчеты показывают, что макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру кристалла под действием поперечной к направлению кристаллизации компоненты вектора силы тяжести будет возникать в определенном (ламинарном) интервале значений интенсивности скоростей конвективных течений вблизи фронта кристаллизации. Макронеоднородность (более 1,5–2,0%) начнет проявляться при скоростях конвективных течений вблизи фронта кристаллизации Vф.кр. > 2.5∙10-6 см/си исчезать при Vф.кр. > 2∙10-3см/с (успевать релаксировать).
Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Калужской области (грант № 12-01-97527).