Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ- Явление миграции жидкого вклшения з твердом теле под действием градиента температуры, (процесс эошюя перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ;; известно достаточно давно --1-3--- К настоящему времени накоплен обширный лаучныя материал, касащиися вопросов изучения к применения этого явления А/- Малый размер яидких вклшения. относительно _ вшокая скорость перекристаллизации, возможность осуществления процесса для системы включения, движущихся при этом в одинаковых условиях в одном кли одновременно а нескольких кристаллах. совместимость с другими видами технологических операция обусловили интерес к ЗПГТ как к способу локального .объемного легирования полупроводниковых материалов для создания структур, в общем случае t произвольной геометрии Л,(./. Разнообразие физических процессов. сопровождающий миграцию жидкого включения (.диффузия атоков твердого тела в жидкой фазе, кристаллизация, растворение. легированна, теркодкффузия. конвекция и пр-Р. стало предпосылкой для широкого использования ЗПГТ в физико-химических исследованиях /2,4/. Не удивительно, что при столь обширной области применения ЗПГТ исклшительно ванное значение приобрела разработка теории этого процесса-
В общем случае, строгая теория ЗПГТ требует учета различных эффектов тепло- н массопереноса. сопровождающих двиагкие жидкого вклшения- Однако, поскольку в типичных условиях проведения процесса ЗПГТ относительный вклад
большинства кэних достаточно кал А/> то подход к разработка теоретической модели ЗПГТ. по-видимому, бшо бы разумных осуществлять, учитывая только наиболее существенные эффекты, и усложнять ее лишь при необходимости, когда имеющаяся модель становится неприенлеиоя для интерпретации эксперихентальных данны* В' то же время обзор теоретических работ по ЗПГТ показы?лр,т. что ряд важных эффектов либо вовсе не принимается во внимание, либо анализ их влияния изучен недостаточно полно; а в некоторых случаях дате не совсем корректно-
В первую очередь, к таким эффектам следует отнести высокую чувствительность кинетики ЗПГТ к малым (порядка сотых
долен градуса^ колебаниях температуры- Прешбреженне этим эффектом, например, из-за кажучися на первый взгляд несущественности влияния колебания температуры столь малой амплитуды при средней температуре процесса 1000-1500 К. коквт привести /5,-1/ к ошибочной интерпретации экспериментальных. данных, которые на самом деле быяи получены в нестационарных тепловых условиях, й обсувдаигся ка осшвз теорий, разработанных в предположении о постоянстве температуры во времени- Тем не менее во многих работах по ЗПГТ К основе результатов экспериментов, з условиях проведения которых стабилизация теихзратуры осуществлялась на з должной степени. сделаны вывода о мвхашшах кристаллизации и растворения, рассчжанв значения кинетический коэффициентов-
С другоя стороны, високая чувствительность, кинетики ЗПГТ
к калим 'колебаниям температуры указывает на потенциальную .
возможность использования контролируемого нестационарного
теплового режима для управления процессом миграции жидких
включении- Выяснение условий 'для реализации такого способа .
управления процессом ЗПГТ. очевидно. требует
проведения соответствушзго анализа степени и характера влияния различных гсесгационарных тепловых эффектов на кинетику миграции жидких включений- Однако, работ, посвященных этому Еопросу краяна мало-
С проблемой управления процессом ЗПГТ в нестационарных тепловых условиях неразрывно связана проблема их контроля-Обзор научной литературы показывает., что во многих работах. посвяшенных анализу тепловых условия ЗПГТ. в том числе и нестационарных, не принимается во вникание возможная частичная прозрачность для падающего на образец излучения и собственного теплового излучения вещества образца- В то не время имеются данные /3-'. указывающие на высокую чувствительность величины градиента температуры в индкок вклшонии к степеш прозрачности кристалла (,$>) и полошений включения в нем- По-видимому, для веществ с большей С чем у кремния; шириной запрещенной зоны и. следовательно, меньшим значением коэффициента поглощения, а также в случае нагрева образца лазерным излучением, указанный эффект будет проявляться сильнее, причем изменяться по мере движения включения, в принципе, может не только градиент температуры, но также
5.
тешература процесса, а в нестационарных тепловых условиях и
амплитуда ее колебания.
Что касается экспериментального изучения процесса ЗПГТ
внестационарных тепловых условиях. то. судя по
литературным данным, оно проводилось главным образом для
случая миграции плоских зон- В то же время использование
дискретішх. например, цилинрических. включений при ЗПГТ дает
возможность исследовать не только зависимость скорости процесса
от размера вклшекяя С которой ограничивается анализ в случаз
экспериментов на плоских зонах;. ю тшоке форму включения и
морфологи» перекристаллизоваиюя им области, несущих информацию
о нехаюшах процессов кристаллизации и растворения, степени
их затруднеішости и т-д- Экспериментальное изучение характера
влияния нестационарных тепловых эффектов на скорость н форму
цилкнрнческого вклшвния жидкой фазы, а также морфологии
пзрзкрксталлизаванноя км области, по-видимому, позволило би
получить важную информации о кинетике и механизмах процессов
кристаллизации и растворения кэ растворов в расплава, a такяэ
указать на новье технологические возможности процесса'ЗПГТ.
проЕодзсюгос использованием зон цялиндричоскоя формы-
ЦЕЛЬ РАБОТЫ Цель настоящзя работы заключается в
id изучении процессов кассопзрзноса а кидкоя фазе при ЗПГТ
в нестационарных тепловых условиях-.
э:> определении характера и степени влияния изменений
температуры различной амплитуды, частоты і! формы на кинетику
миграции плоских зон . в зависимости от механизма меяфазкых
ПрОЦЙСеоЗ:
зі выяснении особекностея процасса нестационарного
теплопереноса в условиях частичноя прозрачности вещества
кристалла при ЗПГТ*
*) анализе тепловых . условия' и ' кинетики миграции нкдких
зон при импульсной лазерной зогаюя перекристаллизации
градиентом температуры;
*& экспериментальном изучеюш особенностей процесса миграции
линейных зон в нестационарных, тепловых условиях-
Впервьв проведен сравнительный анализ влияния межфазноя кинетики на массоперенос при ЗПГТ в нестационарных тепловых условиях для случаев нормального роста С растворения;.
б .
роста (растворения) на винтовых дислокациях и двумерных
зародышах- Впервые показано. что ослабление влияния
мвифазной кинетики. . происходящее в случае нарушения
стационарности тепловых условия ЗПГТ при дислокационном и
зародшевом механизмах кристаллизации и растворения С независимо
от соотношения степени затрудненности этих процессов).
обусловлено сверхлинейнон зависимостью скорости роста
(растворения) от пересыщения (недосыщения) при указанных
механизмах-
Впервые показано, что при периодических изменениях
температуры для случая зародышевого механизма менфаэной
кинетики степень ослабления влияния менфаэной кинетики
возрастает (вплоть до полного снятия) по мере увеличения
амплитуды и средней (за период) скорости изменений
температуры-
Впервые показано, что в случае зародышевого механизма кежфазных процессов наличке колебания температуры с амплитудой порядка величины перепада температуры на толщине. плоской зоны н более приводят. к квадратичности и дане линейности зависимости скорости прослойки от ее толщины. что. согласно модели Тидлера. шшет быть неверно интерпретировано как свидетельство. соответственно, дислокационного и нормального механизма межфазных процессов-
Впервые проведен анализ' нестационарных тепловых условий процесса ЗПГТ с учетом частичной прозрачности кристалла собственному и падавшему излучениям- Впервые показано, что импульсная лазерная ЗПГТ позволяет в широких пределах обеспечить управление скоростью процесса миграции, профилем и степенью легирования. при относительно низких температурах кристалла и малых (~1 мкм) размерах жидких включения
Впервые проведено экспериментальное исследование влияния нестационарных тепловых условия на скорость миграции, форму поперечного сечения цилиндрических зон. морфологию перекристаллизованной ими области
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВШОСИМыЕ НА ЗАЩИТУ-
і- Скорости движения среднего сечения и иежфазных границ жидких включения, мигрирующих под действием градиента температуры, возрастают на несколько порядков при наличии относительно небольших ( <1 К) изменений температуры, что
обусловлено халой величиной движущая силы процзсса миграции и различием в скоростях протекания диффузионных и тепловых процессов-
-
Ослабление влияния межфазноя кинетики при нарушении стационарности тепловых условия процесса ЗПГТ в случае ; дислокационного к зародышевого механизмов роста tрастворения) обусловлено сверхлинеяность» зависимости скорости движения кеифаэных границ от действухщих пересыщзнип-
-
Зависимость скорости миграции плоских прослоек раствора-расплава от кх толщины при наличии небольших С<і Ю колебания температуры существенно отличается от аналогичная зависимости в стационарных тепловых условиях- Квадратичкость начального участка этой зависимости, которая обычно считается признаком дислокационного механизма роста Qрастворения), на самом деле монет быть обусловлена нестационарностьо тепловых условий процесса ЗПГТ при зародышевом механизме-
4- Нестационарный тепловой режим, создаваемый с помоцьп
калокцзрцкокного резистивного нагревателя и особенно импульс
ного яаззра позволяет достичь высокой управляемости процессом
ЗПГТ. обеспечить движение вэдких включения малых, размеров при
относительно низких температурах-
-
Тзляозыэ условия процесса ЗПГТ. т.е. его температура, гра-дизігт температуры в кадкой фазе и амплитуда колебания температуры в нзя могут значительно меняться по мере перемепения жидкого вшнения по кристаллу, если вещество кристалла частично прозрачно для его собственного и падаха^го на него излучений-
-
Наличие малых колебания температуры приводит к существенному изменений формы дискретных зон и морфологии перекристалли-зованной ими области- Этот эффект обусловлен разной степень» ослабления влияния кекфазной кинетики на сингулярных и несингулярных участках межфаэных границ-
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТУ Проведенный в диссертационной работе анализ массоперекоса позволяет глубже понять физику процессов, происходящих при ЗПГТ-
Результаты проведенного исследования показывают.,
что шстацконарнш тепловье условия дают возможность снизить
температуру процессов легирования методом ЗПГТ.в широких
пределах управлять скоростью миграции вдхих включения малы*
(порядка микрона; размеров, а такие профилей к степенью
легирования- . .
Разработан комплекс программ, позволяхщх моделировать тепловій условия процесса ЗПГТ с учетом возможная частичной прозрачности кристалла для его собственного и падающего на него излучений-
Палучеш&к в настоящая работе результаты представляют практический интерес для Ростовского НИЙ радиосвязи. Краснодарского НПО "Сатурк" идр- предприятия, а также научный интерес для Новочеркасского политехнического института-
ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ- Результаты диссертационной работы получены при минимальном наборе упрощающих предположения, для случая стационарных тепловых условия совпадают с классической теорией процесса ЗПГТ. предложенной Тиллером/2/. а также не противоречат опубликованным экспериментальным данным
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты диссертационной работы докладывались к обсуждались на научных конференциях РГУв 1985-1994 гг-. на научных семинарах кафедры физики полупроводников физического факультета РГУ. наги э Всесоюзных конференциях "Моделирование роста кристаллов" (Рита), на Международном (весеннем. 1994 г} симпозиуме
. Ма'-erials Research Society (СаН-фрШЩИСКО, США)
ПУБЛИКАЦИИ И ЛЙЧНЬЯ ВКЛАД АВТОРА- По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работы, в ' которых изложены основные положения диссертации Материалы диссертационной работы использованы в 3 отчетах по ПНР-Автором диссертации лично выполнено следующее;
Разработана математическая модель процесса миграции плоской зоны в нестационарных тепловых условиях
На основе этой модели проведен анализ кинетики ЗПГТ при скачкообразном- линейном, пилообразном и синусоидальном изменениях температуры Сформулированы критерии стационарности тепловых условий.
Разработана математическая модель нестационарных тепловых условия, учитывающая взаимное облучение нагревателя, кристалла и экранов, их отражательную способность и степень черноты. п тая;и частичную прозрачность кристалла-
На основе этол колоте проведен анализ параметров нестационарного теплового режима, создаваемого рззистивньм (проволочным) нагревателем и импульсным ИК лазером-
Разработана установка и методика для экспериментального ИССЛПДОВЯШ1Я процесса ЗПГТзггестационар'ШХ тепловых условиям:, созгпваекж ігроволочньк нагреватзязк- 'Проведаны эксперименты
ПО ИЗУЧРНИЙ ККНОТИКК движтм НИДКИХ ЗІОІГЧСНИЯ
цилиндрической формн з кестащгонярных тепловик условнях-
ООЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ К ЕЕ СТРУКТУРА- Натериалы работы иэлотатпюаООстра^щгх ншжмопкснстс: текста- Диссертация . состой из пеядзнкл. 3 глаз, общих зиаодэз. списка литературы v~102 наїкпнспаїаіГі. гшшшийїпіл- Диссертация нллтетрнрована 54 рисункг-зі и і таблицей-