ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ БРИДЖМЕНА В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

© Е.Н.Коробейникова, И.А.Прохоров, Г.Н.Кожемякин, В.С.Сидоров, В.Н.Власов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2017 г.

Проблема повышения микрооднородности распределения легирующей примеси и совершенства структуры в выращиваемых монокристаллах полупроводников становится всё более актуальной c развитием наноэлектроники. Решение этой задачи связано, в том числе, с управлением процессами тепломассопереноса в расплаве. Интенсивная термогравитационная конвекция в расплавах приводит к нестабильности параметров роста и появлению микронеоднородности распределения примеси в виде полос роста с расстояниями между ними от единиц до нескольких десятков микрометров. Минимизация радиального и оптимизация осевого температурных градиентов, а также устранение свободной поверхности расплава (конвекции Марангони) являются одними из обязательных условий решения проблемы микрооднородности распределения легирующих компонентов в кристаллах для земных и, особенно, для космических технологий. В этом случае даже приближение к условиям диффузионного массопереноса может обеспечить высокую микрооднородность выращиваемых кристаллов. Такие режимы при выращивании кристаллов полупроводников могут быть реализованы в условиях микрогравитации с использованием различных технологических приёмов (определенная конструкция ростовой ампулы, наличие активного или пассивного торцевого нагрева поверхности расплава и т.п.). Полученные при этом знания можно применить и для развития технологий роста совершенных монокристаллов полупроводников с уникальными электрофизическими свойствами.

Основу экспериментального подхода составляет модифицирование вертикального метода направленной кристаллизации с целью исключения свободной поверхности, а также обеспечения осесимметричного подвода тепла в верхней части контейнера с радиальным градиентом температуры 1К/см. При этом интенсивность естественной конвекции согласно проведенным расчетам уменьшается на 2-3 порядка в сравнении с традиционным методом Бриджмена. На основе разработанной математической модели, проведенного авторами физического моделирования течений в расплаве при различных аксиальных градиентах температуры, а также на базе полученных ранее многочисленных экспериментальных данных, был проведен анализ существующих технологических приёмов реализации метода Бриджмена для выращивания кристаллов полупроводников. Предложены подходы, позволяющие оптимизировать тепловые условия процесса роста кристалла на существующих универсальных ростовых установках – аналогах полётного оборудования. Представлены результаты наземной отработки космического эксперимента по выращиванию кристаллов Ge(Ga). Полученные результаты позволили обосновать ряд конструктивных требований, предъявляемых как к ростовому оборудованию, так и к тепловым условиям процесса роста.

Эффективность используемых технологических приёмов повышения макро- и микрооднородности кристаллов контролируется высокочувствительными методами характеризации концентрационных и структурных неоднородностей в выращенных кристаллах: электрофизическими (методы Холла и сопротивления растекания), оптическими, металлографическими и рентгеновскими топографическими методами, включая плосковолновую топографию и топографию с использованием синхротронного излучения. Полученные данные совместно с цифровой обработкой изображений и результатов измерения электрофизических параметров кристаллов являются в настоящее время основным источником информации о различных возмущениях процесса кристаллизации. Использование этих методов позволяет оптимизировать условия получения высокооднородных кристаллов.