Введение к работе
Актуальность работы. Основным методом получения монокристаллов полупроводников в настоящее время является направленная кристаллизация расплавов. Наиболее широко в практической технологии монокристаллов полупроводников применяют способ вытягивания кристаллов на затравку, предложенный Чохральским. Однако, в большинстве случаев, монокристаллы, выращенные этим методом, недостаточно однородны по свойствам, что приводит к существенньш потерям при использовании и ограничивает возможности микроминиатюризации электронных приборов. Бурное развитие "технологии монокристаллов AmBv пришлось на 60-ые годы, когда был заложен фундамент современной оптоэлектроники, СВЧ-техники и микроэлектроники. С тех пор объемы промышленного производства монокристаллов арсенида галлия непрерывно возрастали в основном за счет полуизолирующего материала не только для дискретных приборов, но и, особенно, цифровых и монолитных сверхвысокочастотных интегральных схем. Согласно прогнозу В.Б. Освенского производство пластин полуизолирующего арсенида галлия в 2000 году удвоится по сравнению с 1998 годом и достигнет 150 млн см2. При этом сохранится тенденция увеличения геометрических размеров слитков с повышением требований к параметрам материалов. В настоящее время по структурному совершенству и однородности монокристаллы полупроводниковых соединений существенно уступают элементарным полупроводникам - германию и кремнию. Это сдерживает развитие перспективных направлений приборостроения, дальнейшую микроминиатюризацию электронных устройств. В связи с этим, установление закономерностей формирования неоднородаостей в процессе выращивания монокристаллов, разработка способов повышения их совершенства является актуальной научно-технической задачей. Решение этой задачи имеет и важное экономическое значение.
4 Целью работы было установление закономерностей устойчивого монокристаллического роста кристаллов полупроводниковых соединений (на примере арсенидов галлия и индия) при низкоэнергетических управляющих воздействиях и разработка способов повышения однородности и структурного совершенства с помощью этих воздействий.
Объекты и методы исследования. Выбор в качестве объекта исследований монокристаллов полупроводниковых соединений AUIBV обусловлен определяющим значением этой группы материалов для развития таких перспективных направлений как оптоэлектроника, СВЧ-техника, микроэлектроника в части сверхскоростных интегральных схем. Основой исследований служил экспериментальный материал, накопленный автором при создании технологий промышленного производства крупногабаритных монокристаллов арсенидов галлия и индия и разработках специализированного технологического оборудования.
В качестве метода повышения однородности и структурного совершенства монокристаллов была выбрана совокупность специальных периодических воздействий, которые В.И. Полежаев назвал «низкоэнергетическими». Термин отражает тот факт, что энергия этих воздействий невелика по сравнению с общей энергией системы выращивания. В основу теоретических исследований процессов роста кристаллов были положены как «классические» модели, основанные на уравнении Навье-Стокса, так и идеи и методы интенсивно развивающейся нелинейной динамики. В качестве воздействий впервые были использованы периодические искусственные изменения температуры у фронта кристаллизации путем изменения температуры нагревателя по определенному закону, акустические высокочастотные воздействия на, расплав с помощью ультразвука, механические гармонические колебание кристалла и тигля с расплавом. Важным новым моментом работы являлось совместное использование этих воздействий.
Для решения задач, поставленных в работе был использован комплексный подход, включавший экспериментальное исследование процессов роста при точном контроле условий выращивания, оптимизацию этих условий на основе математических моделей, анализ свойств кристаллов в связи с условиями их получения. Именно результаты экспериментов являлись основой для количественной оценки теорий и создания практических моделей управления процессом на основе методов идентификации сложных нелинейных систем, к которым относится рост кристаллов по методу Чохральского.
Для контроля параметров монокристаллов были использованы методы металлографии, оптические методы контроля однородности, рентгеновский и спектральный микроанализ, методы контроля электрофизических свойств материалов. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Установить закономерности и определить особенности роста монокристаллов полупроводниковых соединений AniBv по методу Чохральского при периодических колебательных воздействиях на расплав.
-
Разработать способы модельного описания и оптимизации процессов роста кристаллов, включающие низкоэнергетические воздействия.
-
Установить механизмы влияния низкоэнергетических воздействий на процессы роста, определить диапазоны оптимальных параметров этих воздействий
-
Разработать программный комплекс управления ростом кристаллов с использованием низкоэнергетических воздействий на базе метода идентификации нелинейных систем автоматического управления.
Научная новизна.
1. С позиций теории нелинейной динамики установлены механизмы повышения однородности монокристаллов полупроводниковых соединений при выращивании из расплава за счет комплекса направленных низкоэнергетических воздействий, снижающих амплитуду колебаний
температуры у фронта кристаллизации путем создания искусственных волн в расплаве, взаимодействующих с конвективными потоками. Определены возможности и условия повышения структурного совершенства и однородности монокристаллов по схеме «рост - плавление - рост», при искусственных колебаниях за счет «залечивания» дефектных участков кристалла. Разработаны идентификационные модели и установлены диапазоны оптимальных параметров низкоэнергетических воздействий, обеспечивающие получение монокристаллов с неоднородностью параметров по сечению не более 5%:
воздействие «тепловой волной» - для промышленных систем выращивания кристаллов по Чохральскому - частота колебаний температуры нагревателя 0.001-0.1 Гц, амплитуда 2-6 градусов,
гармонические низкочастотные колебания кристалла и тигля с расплавом с частотой 0,01 - 5 Гц и амплитудой 0.1-2 мм,
ультразвуковые высокочастотные колебания, вводимые в расплав с частотой 0.4-1.2 МГц и амплитудой 0.01-0.1 мм.
-
Установлены новые закономерности образования двойников при выращивании монокристаллов арсенидов галлия и индия из расплава, связанные со скоростью изменения переохлаждения в подкристальной области и стехиометрией расплава. Определено, что для предотвращения двойникования скорость увеличения переохлаждения расплава при управляющих воздействиях не должна превышать 0,2 град/мин и отклонение ог стехиометрии по содержанию легколетучего компонента в расплаве не должно превосходить 0,1%.
-
Установлено закономерное формирование полосчатой неоднородности монокристаллов в условиях стационарного тепло-массопереноса при кристаллизации слоев расплава толщиной 0.1-2 мм, обусловленное искусственными колебаниями в диапазоне частот 0.001 -0.1Гц и амплитудой 0.1-2 мм.
7 4. Предложена модель и разработана система двухканального автоматического управления процессом выращивания монокристаллов на основе управления температурой нагревателя и скоростями вращения кристалла и тигля с расплавом на основе методов параметрической идентификации систем автоматического управления с обратной связью по температуре расплава вблизи фронта кристаллизации. Практическая значимость. В результате исследований разработаны новые способы получения монокристаллов соединений AmBv, защищенные 27 авторскими свидетельствами и патентами. Использование изобретений по АС № 940342, 1279280, 1450424, 581679, 1591536, 1566805, 1810400 в серийной технологии получения монокристаллов арсенидов индия и галлия на заводе «Аметист» позволило:
впервые ввести в технические условия Яе0.032.146ТУ гарантированную в пределах 5% однородность электрофизических параметров монокристаллов арсенида галлия
повысить коэффициент использования основных материалов в производстве с 42 до 92% за счет перекристаллизации немарочных частей слитков с использованием ультразвукового воздействия на расплав,
автоматизировать процесс выращивания на установках «Астра» за счет разработки математического обеспечения и новых программных комплексов, включающих специальные низкоэнергетические воздействия на процесс, что позволило увеличить выход годных кристаллов с 10-15% до 35-50% за счет повышения воспроизводимости процессов.
В результате исследований, выполненных в рамках программы «Наука -НАСА» предложен ряд новых способов получения кристаллов в условиях микрогравитации с управлением на основе низкоэнергетических воздействий, которые вошли в предварительные программы исследований на МКС «Альфа».
С использованием монокристаллов арсенида галлия, полученных в результате выполнения работы в НИИПП (г. Томск) разработаны новые типы
8 специальных приборов с улучшенными по сравнению с аналогами характеристиками.
Принципы использования низкоэнергетических воздействий для управления ростом реализованы в разработках нового поколения специализированного технологического оборудования для выращивания монокристаллов по темам «Кристалл» и «Кристалл-1» в НИИ «Изотерм» (г. Брянск). Основные положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности устойчивого монокристаллического роста кристаллов полупроводниковых соединений по методу Чохральского, определенные с помощью оригинальной системы мониторинга температуры вблизи поверхности кристаллизации.
-
Результаты оптимизации условий получения монокристаллов арсенидов галлия и индия с использованием методов динамического изменения скоростей вращения кристалла и тигля.
-
Механизмы и модели роста кристаллов полупроводниковых соединений AmBv при низкоэнергетических управляющих воздействиях в виде «тепловых волн», низко и. высокочастотных периодических колебаний кристалла и тигля с расплавом, ультразвуковых высокочастотных воздействий на расплав.
-
Математическая база и программный комплекс моделирования системы управления ростом кристаллов с одновременным использованием нескольких низкоэнергетических воздействий.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на V-VI Совещаниях по росту кристаллов и эпитаксиальных пленок полупроводников в 1980-1982 году в г. Новосибирске, III Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития методов получения монокристаллов» в 1985 году в г. Харькове, VIII Всесоюзном Совещании «Чистые металлы» в 1988 году в г. Харькове, XII Всесоюзном Совещании «Теоретические и прикладные проблемы создания систем
9 управления технологическими процессами» в г. Челябинске в 1990 году, на III Всесоюзной конференции «Моделирование роста кристаллов» в г. Риге в 1990 году, Международной конференции «Пространственные группы симметрии и их современное развитие» в г. Ленинграде в 1991 году, VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов в г. Харькове, 1992г, Конференции по электронным свойствам материалов в г. Новосибирске в 1992 г„ Европейском коллоквиуме «Fluid Phenomena in Crystal Growth», Франция, 1992 г., X, XI, XII Международных конференциях по росту кристаллов в Сан-Диего (США) 1992г„ Гааге (Нидерланды) в 1995 году, Иерусалиме (Израиль) в 1997 году, Международном Аэрокосмическом Конгрессе в Москве в 1994 году, VIII Конференции по полуизолирующим кристаллам А3В5 в Варшаве в 1994 году, Второй Международной группе по моделированию роста кристаллов в Бельгии в 1996 году, II Международном Симпозиуме ученых и исследователей России и США по программе «Наука - НАСА» в г. Королеве в 1996 году, X Европейском и VI Российском симпозиуме по физическим наукам в микрогравитации в Санкт - Петербурге в 1997 году, I и II, IV Российском Симпозиуме «Процессы тепло- массопереноса и рост кристаллов» в г. Обнинске в 1995 -1999 году, III Международной Конференции «Кристаллы, рост, свойства, реальная структура» в г. Александрове в 1997 году, Конференции Британской ассоциации по росту кристаллов в 1998 г., в Англии, семинарах кафедры материаловедения МГТУ им. Баумана, проблемном семинаре в Институте Проблем Механики РАН в г. Москве, XVIII International Union of Crystallography Congress and General Assembly in Glasgow , 1999, Third International Conference "Single Crystal growth, Strength Problems and Heat Mass Transfer, Obninsk, 1999., IV Международной конференции «Кристаллы, рост, свойства, реальная структура, применение, в г. Александрове, 1999, Конференции «Кремний-2000», Москва, Международнной школе-семинаре "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность"-2000.
10 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения. Изложена на 335 страницах, в том числе содержит 180 страниц машинописного текста, 12 таблиц, список цитируемой литературы из 306 наименований, иллюстрирована 97 рисунками.
