Введение к работе
Актуальность темы. Революция в физике и технике, начавшаяся на рубеже XX века и определяющая сегодня темпы научно-технического прогресса и общественного развития, во многом связана с освоением новых предельных состояний вещества (ядерные трансмутационные реакции, низкие и высокие температуры, низкие и высокие давления). В полной мере это относится к многочисленным направлениям материаловедения - созданию новых, не имеющих природных аналогов материалов с уникальными потребительскими свойствами. Специфическим предельным состоянием вещества, возникающим в условиях орбитального космического полёта, является невесомость (микрогравитация, ng) -механическое состояние среды, в которой сила тяжести отсутствует или её величина очень мала. На рубеже космической эры вправе было ожидать, что одновременная реализация состояния невесомости и экстремальных термодинамических состояний (например, таких, как фазовые переходы) приведёт к обнаружению новых физических эффектов и свойств веществ, недостижимых в «наземных» технологических процессах. Практическая реализация длительной (Ag на пилотируемых космических объектах СССР и США привела к созданию в начале 70-х гг. прошлого века нового научно-технического направления - космического материаловедения.
В космическом материаловедении существуют направления, в которых использование орбитальных условий наиболее перспективно. С этой точки зрения наибольший интерес представляют процессы получения тех веществ и материалов, к которым предъявляются исключительно высокие требования в отношении их структурного совершенства и однородности (высокотехнологичные, high-tech materials). Особое место среди них занимают монокристаллы (м.к.) полупроводников, получаемые методами длительной кристаллизации из расплавов. Качество подобных материалов в наземных условиях лимитируется, в частности, слабо контролируемым характером турбулентной термогравитационной конвекции в расплавах, температурных напряжений, влияния стенок ростового контейнера.
Космическое материаловедение полупроводников является одним из самых быстроразвивающихся мультидисциплинарных направлений прикладной и фундаментальной науки. За 30 лет оно прошло ряд стадий, связанных с изменением общей идеологии, сменой приоритетов исследований, глубоким изучением физических процессов, протекающих в кристаллизационных системах в условиях микрогравитации.
До начала систематических исследований предполагалось, что снижение на несколько порядков силы тяжести на борту космических аппаратов (КА) приведёт к полному отсутствию (или пренебрежимо малому уровню) гравитационной конвекции, ликвации и седиментации в расплавах, и в итоге - к значительному повышению однородности структуры и свойств синтезируемых веществ, получению материалов с уникальными свойствами. Предполагалось также, что основным режимом тепломассопереноса (ТМП) в расплавах будет легко контролируемый диффузионный режим, теоретически приводящий к однородному распределению легирующих примесей, электрофизических и оптоэлектронных свойств в объёме растущего монокристалла.
В реальности оказалось, однако, что на орбитальных станциях (ОС) и других КА режим полной (теоретической, абсолютной) невесомости реализуется не в полной мере. Бортовые ]xg приводят к условиям, в которых конвекция в расплаве при росте кристаллов действительно становится малой, но, тем не менее, оказывает существенное влияние на свойства выращиваемых кристаллов. Важнейшим фундаментальным результатом явилось экспериментальное обнаружение (В. С. Земсков с соавторами, 1975-80 гг.) и независимое теоретическое обоснование (В. И. Полежаев с соавторами в СССР в 1974-80 гг., J. I. D. Alexander et al. в США в 1989-90 гг.) эффектов максимума температурного и концентрационного расслоения жидкости (расплава) в замкнутом объёме реактора под действием микрогравитационных сил. Влияние микроускорений и связанного с ними гидродинамического фактора на рост кристаллов и их свойства становится одной из приоритетных проблем космического материаловедения.
Необходимость минимизации воздействия неконтролируемых
микрогравитационных факторов на орбитальные технологические процессы привела к созданию специализированных беспилотных космических аппаратов (free-flyers) серии Фотон, программа целевых запусков которых начата в СССР в 1985 г. и продолжается в России до настоящего времени. На борту этих спутников-автоматов впервые достигнут устойчивый уровень Hg~10 от земного значения (go), что обеспечило возможность воспроизводимого осуществления на орбите длительных процессов роста монокристаллов полупроводников методом бестигельной зонной плавки (БЗП). Бесконтейнерные кристаллизационные процессы в среде «высококачественной» \xg такого порядка величины происходят под действием негравитационных механизмов конвекции в расплаве. Преимущественно это капиллярная конвекция Марангони, вызываемая силами поверхностного натяжения и создающая принципиально новую кристаллизационную ситуацию, практически неизученную в земных условиях. Управление капиллярными видами конвекции чрезвычайно сложно, оно во многом определяется физико-химическими свойствами расплава и легирующих примесей, поверхностной активностью компонентов и её температурной зависимостью. Добавим, что получение монокристаллов полупроводников (за исключением Si) методом БЗП в земных условиях невозможно именно ввиду гравитационных ограничений фундаментального характера, которые полностью снимаются в состоянии невесомости. Именно на орбите были впервые получены бестигельным методом, а затем детально охарактеризованы монокристаллы Ge, InSb, GaSb, GaAs и твёрдых растворов на их основе. Таким образом, новые знания, получаемые при проведении космических экспериментов в этой области, имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Исследования БЗП в условиях микрогравитации интенсивно ведутся с использованием различных орбитальных носителей ((ig-платформ) в США, странах ЕвросоюзаиЯпонии.
Научно-исследовательская группа ИХПМ/Гиредмет, реорганизованная в 1997 г. в Отдел космического материаловедения Института химических проблем
микроэлектроники, занимается проблемами получения монокристаллов полупроводников в условиях микрогравитации с 1972 г. Диссертанту довелось долгие годы работать в этом коллективе. Основной целью исследовательских работ Отдела является целенаправленное использование факторов космического полёта (прежде всего, микрогравитации как специфической технологической среды) для разработки технологий получения монокристаллов полупроводников с уникальной однородностью распределения электрофизических свойств и высоким структурным совершенством. В период 1985-98 гг. сотрудниками ИХПМ/Гиредмет совместно со специализированными организациями Главкосмоса/РКА были подготовлены и поставлены на борту КА Фотон-1,2,3,4,5,6,11 и ОС Мир 42 целевых эксперимента по выращиванию монокристаллов Ge и GaSb с различными видами, типами и уровнями легирования. Полученные образцы, а также уникальный банк данных по технологическим режимам кристаллизации, созданный в результате проведения орбитальных и контрольных наземных ростовых процессов, послужили надёжным, статистически достоверным экспериментальным базисом для материаловедческих исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы.
Необходимым условием для корректного описания и моделирования
орбитальных кристаллизационных процессов, влияния реального фона (xg на
формирование композиционной (кристаллохимической, примесной)
неоднородности «космических» монокристаллов является детальное знание амплитудно-частотных и векторных характеристик микроускорений, существующих на борту орбитального носителя. В 2001-2003 гг. была создана и опубликована полная баллистическая модель орбитального движения КА Фотон-11,12, подтверждающая идентичность микрогравитационной обстановки на борту спутников этой серии (В. В. Сазонов, М. В. Волков, В. И. Абрашкин и др.).
Наконец, третьим необходимым слагаемым для достижения целей, поставленных в работе, было тесное сотрудничество автора с ведущими Российскими коллективами специалистов в области вычислительной математики, численного и физического моделирования процессов кристаллизации и ТМП в конденсированных средах.
Целью диссертационной работы является развитие научно-прикладного
направления космического материаловедения, связанного с экспериментально-теоретическим исследованием и оптимизацией процессов бестигельной зонной кристаллизации, роста и легирования монокристаллов элементарных полупроводников и соединений А3В5 из расплавов в условиях орбитального космического полёта. При этом решались следующие задачи:
Анализ динамики орбитального полёта КА серии Фотон, ОС Мир и определение ключевых особенностей микрогравитационной обстановки на их борту, оказывающих существенное влияние на гидродинамику расплава и ростовой процесс;
Разработка и применение неразрушающих методов исследования электрофизической и примесной неоднородности монокристаллов высокочистого Ge, Ge(Sb), Ge(Ga) и GaSb(Te) с высоким пространственным разрешением;
Разработка и применение математико-статистических методов сравнительного (перекрёстного) анализа численных измерительных массивов, позволяющих извлекать максимальную информацию о тонкой структуре неоднородности в кристаллах, её периодичности и источниках (причинах) её возникновения;
Выяснение полной физической картины роста монокристаллов из расплавов методом БЗП в условиях микрогравитации, преобладающих механизмов формирования примесной неоднородности и их связи с техногенными и фундаментальными факторами орбитального полёта;
Создание сопряжённых математических моделей кристаллизации/ тепломассопереноса в расплаве в условиях преобладания негравитационных видов конвекции, позволяющих непротиворечиво описать экспериментальные данные;
Выбор, экспериментальное наземное и орбитальное опробование методов управления распределением примесей и структурных дефектов в выращиваемых монокристаллах в условиях микрогравитации;
Оценка преимуществ микрогравитации как технологической среды, возможности
и перспектив использования полученных экспериментальных и теоретических результатов для развития «наземных» технологий выращивания монокристаллов полупроводников.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
-
Впервые в космическом материаловедении применён принцип совместного анализа фурье-спектров неоднородности монокристаллов и параметров нестационарных внешних физических воздействий на расплав в процессе роста.
-
Экспериментально оценены толерантные границы уровня микрогравитационного фона для процессов роста высокооднородных легированных монокристаллов полупроводников методом БЗП на борту орбитальной станции Мир.
-
Исследованы эффекты влияния регулярных и «случайных» микроускорений на формообразование и неоднородность монокристаллов, выращенных методом БЗП на борту КА серии Фотон, в зависимости от вариаций величины и направления вектора p.g. Выявлены основные структурные типы периодической примесной микро-неоднородности в монокристаллах Ge(Ga) и GaSb(Te), охарактеризованы их величина, пространственный период (частота повторяемости), условия возникновения и техногенные источники.
-
Изучен фундаментальный эффект дифференциации гидродинамических режимов в центральных и приповерхностных областях расплавленной зоны в условиях преобладающей капиллярной конвекции, приводящий к формированию специфической осесимметричной макроскопической неоднородности распределения примесей Ga и Sb в поперечном сечении «космических» монокристаллов Ge.
-
Обнаружен и численно охарактеризован эффект аномального распределения поверхностно-активной примеси Ga по длине "космических" монокристаллов Ge, обусловленный взаимодействием термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони в расплаве. Создана математическая модель, описывающая гидродинамику расплава и механизм такого взаимодействия.
-
Предсказан эффект значительного увеличения интегральной вязкости расплава в пределах переходного (пограничного) слоя у фронта кристаллизации в «космических» процессах БЗП. Выдвинута и обоснована гипотеза равновесной структуризации (кластерообразования) в расплавах в условиях невесомости при температурах, близких к температуре фазового перехода. Создана и протестирована гидродинамическая модель тепломассопереноса, впервые учитывающая образование кластерных ассоциатов вблизи межфазной границы.
-
Введено понятие и предложен принцип расчёта «коэффициента микрогравитационной чувствительности» (IQ) для легированных кристаллизационных систем. Показано, что величина неоднородности распределения свойств в объёме растущего кристалла при прочих равных условиях, включая равную интенсивность воздействий переменных внешних сил на расплав, существенным образом зависит от природы легирующей примеси. Произведён расчёт Ks для основных легирующих примесей в Ge и Si.
Практическая значимость полученных результатов:
-
Разработана неразрушающая методика сканирующего измерения удельного сопротивления и концентрации носителей заряда в монокристаллах Si, Ge и п-GaSb, обладающая высокой разрешающей способностью и уникальной воспроизводимостью.
-
Разработаны методики, компьютерные алгоритмы и программы фурье-преобразования и дисперсионного анализа дискретных численных массивов данных измерений (регистрограмм неоднородности). В итоге, в реальном кристалле могут быть выявлены, разделены и оценены по величине относительного вклада составляющие с различным периодом (частотой) осцилляции удельного сопротивления (концентрации примеси) вдоль любого направления сканирования.
-
Определены основные техногенные и фундаментальные факторы и механизмы их воздействия на ростовой процесс и однородность легирования монокристалла
в условиях реальной микрогравитации на борту космического аппарата. Установлены условия и экспериментально доказана возможность получения на орбите легированных монокристаллов с неоднородностью распределения электрофизических свойств і 1.5%, недостижимой на Земле при использовании металлургических методов легирования. Полученные образцы «космических» легированных монокристаллов п- и р-типов используются в качестве эталонов удельного сопротивления и микро-однородности при верификации, калибровке и отладке прецизионного измерительного оборудования.
-
Экспериментально продемонстрирована возможность получения методом орбитальной бестигельной зонной плавки монокристаллов Ge и GaSb с плотностью дислокаций —10 см" .
-
Разработана математическая модель кристаллизации в условиях взаимодействующих термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони. Модель применяется для численного исследования наземных кристаллизационных процессов, имеющих свободную поверхность расплава, например, горизонтальной направленной и зонной кристаллизации в открытом контейнере-лодочке.
-
Созданная гидродинамическая модель ТМП с учётом кластерообразования в пограничных слоях расплавов универсальна и применима для численных исследований процессов, протекающих с различной интенсивностью конвекции, в том числе наземной зонной плавки и направленной кристаллизации.
-
Обоснована перспективность контролируемого внешнего воздействия на процессы ТМП в расплаве с учётом нестабильной микрогравитационной обстановки на борту космического аппарата. В наземных условиях доказана эффективность слабого ротационного полевого МГД-воздействия для улучшения электрофизической однородности растущего монокристалла, особенно при получении высокочистого (а реально — компенсированного остаточными примесями) материала с высоким удельным сопротивлением.
-
Экспериментально продемонстрирована перспективность герметизации
свободной поверхности расплава нерастворимой оксидной плёнкой для подавления капиллярных видов конвекции в наземных условиях и на орбите при B3IIGaSb(Te). Практические результаты диссертационной работы используются в ОАО Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. СП. Королёва, УП «Белмикросистемы» НПО «Интеграл» (г. Минск, Республика Беларусь), ГНЦ РФ «Физико-энергетический институт им. АИ. Лейпунского», ГНЦ РФ «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ОАО «Корпорация КЕПП» и ООО «Центр теплофизических исследований ТЕРМ О», что подтверждено приложенными актами.
На защиту выносятся следующие результаты и научные положения:
-
Анализ технологических возможностей КА серии Фотон и специализированной аппаратуры зонной плавки Зона-4 с учётом реальной микрогравитационной обстановки при проведении процессов БЗП в космосе.
-
Разработанная сканирующая методика измерения сопротивления растекания, её возможности и показатели точности при исследовании монокристаллов Ge и п-GaSb. Разработанные алгоритмы численного фурье- и дисперсионного анализа конечных нестационарных последовательностей и результаты их применения к исследованию неоднородности легированных монокристаллов полупроводников.
-
Результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования примесной неоднородности в «космических» кристаллах, в том числе:
оценка толерантного уровня общего (ig-фона для БЗП, выполненная на борту орбитальной станции Мир;
эффекты влияния периодических и импульсных техногенных микроускорений на рост и электрофизическую неоднородность м.к. Ge на борту КА серии Фотон;
основные спектральные типы (квази-)периодических техногенных микроускорений, источники и причины их возникновения на борту спутников типа Фотон;
механизм влияния доминирующей конвекции Марангони на радиальную неоднородность распределения примесей в монокристаллах Ge и GaSb;
обнаруженные зависимости коэффициента распределения (кдф) и толщины прифронтовых погранслоёв (6) от концентрации примеси в расплаве, обусловленные взаимодействием термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони и приводящие к фундаментальным аномальным отклонениям от пфанновского профиля легирования в монокристаллах Ge(Ga);
-
Разработанная математическая модель взаимодействия термо- и концентрационно-капиллярной конвекции (ТКК и ККК) в расплавленной зоне при БЗП в условиях невесомости и полученные с её помощью расчётные результаты и прогнозы.
-
Разработанная кластерная модель структуры расплавов в погранслое и её гидродинамическое описание при моделировании процессов кристаллизации полупроводников в космосе.
-
Методы управления распределением примесей и структурных дефектов в монокристаллах при росте в полях неконтролируемых микроускорений, и полученные при их применении результаты. В том числе:
разработанный метод оценки микрогравитационной чувствительности легированных ростовых систем, учёта физико-химических свойств и выбора примесей для получения кристаллов с наивысшей однородностью легирования;
результаты применения слабых ротационных магнитных полей при росте кристаллов методом зонной плавки;
эффекты улучшения примесной и структурной однородности монокристаллов GaSb(Te), выращенных при нанесении инертных плёнок на поверхность расплава.
Личный вклад автора. Основные исследования выполнены лично диссертантом в
ИХПМ в период 1992-2004 гг. В работе автор использовал уникальный экспериментальный задел в виде 27 образцов реальных монокристаллов и банка
данных по технологическим режимам орбитальной кристаллизации, полученных с участием зав. Отделом космического материаловедения ИХПМ, Лауреата Государственной премии СССР В.В. Ракова ис.н.с. |Э.С. Копелиович) в 1985-98 гг. на борту КА Фотон-1,2,3,4,5,6,11 и орбитального комплекса Мир при выполнении ряда Государственных и Федеральных целевых научных программ СССР и Российской Федерации.
Физическое и математическое моделирование процессов тепломассопереноса в расплавленной зоне выполнено диссертантом в сотрудничестве с А.И. Простомолотовым и НА Верезуб (ИПМех РАН); В.П. Гинкиным и В.К. Артемьевым (ГНЦ РФ ФЭИ) в рамках ряда совместных научных проектов. Степень личного участия автора состояла в постановке задач; определении геометрии области расчёта; формулировке и последующей коррекции исходной расчётной модели, расчетных приближений, допущений, ограничений, граничных условий; контроле и интерпретации промежуточных результатов счёта по критериям соответствия экспериментальным данным; интерпретации результатов численных исследований применительно к реальным ростовым процессам и космическим экспериментам с позиций материаловедения полупроводников.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором в ходе выполнения следующих научно-технических и исследовательских проектов, и при финансовой поддержке следующих грантов:
Кристаллизация расплавов полупроводников в космосе. Грант РКА-NASA в
рамках совместной программы KHTC/STAC «Наука-NASA», контракт NAS15-
10110, код проекта ТМ-6. (Диссертант - ответственный исполнитель проекта);
Микронеоднородность и формообразование при кристаллизации полупроводников из расплавов в космосе. Грант Министерства науки и технологий РФ № 101-14(00)-П/105-КМ. (Руководитель проекта);
Совместного проекта ИХПМ и Honeywell Inc., США Advanced Materials Growth inMicrogravity:CarbonNanotubes, SemiconductorsandAdvancedNanocomposites.
Грант NASA: NAS PS32-G (NRA-98-HEDS-05). (Исполнитель); Эффекты структурного упорядочения расплавов в области фазового перехода при росте легированных монокристаллов полупроводников в условиях микрогравитации. Грант РФФИ 03-02-16282. (Руководитель проекта). Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих международных и национальных конференциях и симпозиумах: 2nd and 3rd Annual STAC Symposiums (Королёв, Россия, 1996 и Huntsville, USA, 1997); Joint Xth European and VIth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity (Санкт-Петербург, 1997); IV и IX Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-97 и ПЭМ-2004)" (Геленджик, 1997 и 2004); 3rd International Conference on Single crystal growth, Strength problems & Heat Mass Transfer (Обнинск, 1999); I и II Российских конференциях по космическому материаловедению (Калуга, 1999 и 2003); International Conference "Scientific and Technological Experiments on Russian Foton/Bion Recoverable Satellites: Results, Problems and Outlooks" (Самара, 2000); NASA Microgravity Materials Science Conference (Huntsville, USA, 2000); 1st International Symposium on Microgravity Research & Application in Physical Sciences & Biotechnology (Sorrento, Italy, 2000); International Conference on Solid State Crystals - Materials Science and Applications (Zakopane, Poland, 2000); IX и XI Национальных конференциях по росту кристаллов «НКРК 2000 и 2004» (Москва, 2000 и 2004); ІЗ"1 and 14th International Conferences on Crystal Growth "ICCG-13" and "ICCG-14" (Kyoto, Japan, 2001 and Grenoble, France, 2004); 4th and 5th International Conferences on Single Crystal Growth & Heat Mass Transfer "ICSC-2001 & 2003" (Обнинск, 2001 и 2003), International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer "CHT-04" (Midnatsol-cruise, Norway, 2004).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и приложений. Объём диссертации 366 страниц, включая 144 рисунка, 17 таблиц и библиографию из 220 наименований.
