Как обеспечить постоянную концентрацию примеси по высоте слитка
Аннотация
На основе исследования сегрегации при выращивании германия и кремния из тонкого слоя расплава с использованием техники погруженного нагревателя показана возможность получения однородных по высоте кристаллов. Численно при моделировании кристаллизации легированного сурьмой германии диаметром 200 мм найдено, что, начиная с толщины слоя расплава в 40 мм, точное решение с учетом конвекции совпадает в центральной части расчетной области с задачей теплообмена в одномерной постановке. Условия, при которых можно в массопереносе пренебречь конвекцией, более жесткие: слой расплава должен быть менее 20 мм. В этом случае можно использовать соотношение Тиллера для расчета продольного распределения примеси в условиях преимущественно диффузионного характера переноса. Анализ попыток описания экспериментальных данных по росту кристаллов с помощью упрощенных формул показал, что они дают приемлемые результаты лишь при условии, если учитывается реальная скорость роста или изменение толщины слоя расплава в процессе кристаллизации, как в формуле Марченко с соавторами. Сказанное позволяет аналитически описать продольное распределение примеси в слитке, в частности для B и P в кремнии, и рекомендовать величину дополнительного легирования зоны расплава под нагревателем, чтобы обеспечить постоянную ее концентрацию по высоте кристалла. Однородный материал при затвердевании остаточного слоя в самом конце слитка может быть получен за счет вариации скорости роста при изменении во времени темпа его охлаждения.
Об авторах
М. А. Гоник
Центр материаловедения «Фотон»
Россия
Россия
ул. Ческа Липа, д. 10, п/о 5, Александров, Владимирская обл., 601600
Гоник Михаил Александрович — канд. техн. наук, директор
F. Baltaretu
Технический строительный университет
Румыния
Румыния
Бульвар Озеро Тей, № 122–124, сектор 2, Бухарест, 510009
Florin Baltaretu — PhD, Professor, Head of the Department of Thermal Engineering
Список литературы
1. Di Sabatino M., Øvrelid E. J., Olsen E. Distribution of Al, B and P in multi-crystalline Si ingots // Proc. 21th European Photovoltaic Solar Energy Conf. (Dresden, Germany). München: WIP Renewable Energies, 2006. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid = 067D423612B5831D8B67C70A457F3B45?doi = 10.1.1.611.5731&rep = rep1&type = pdf
2. Ostrogorsky A. G. Single-crystal growth by the submerged heater method // Meas. Sci. Technol. 1990. V. 1, N 5. P. 463—464. DOI: 10.1088/0957-0233/1/5/017
3. Golyshev V. D., Gonik M. A. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determination thermal conditions // Crystal Properties and Preparation. 1991. V. 36-38. P. 623—630.
4. Гоник М. А. Направленная кристаллизация мультикристаллического кремния в условиях ослабленной конвекции расплава и газообмена // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 2. С. 95—102. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-2-95-102
5. Филонов К. Н., Курлов В. Н., Классен Н. В., Кудренко Е. А., Штейнман Э. А. Новый способ получения наноструктурированных карбидокремниевых покрытий // Изв. РАН, сер. физ. 2009. Т. 10. С. 1457—1459.
6. Бураго Н. Г., Голышев В. Д., Гоник М. А., Полежаев В. И., Цветовский В. Б. Характер вынужденной и естественной конвекции и его влияние на распределение примеси в кристалле при росте методом ОТФ 1а // Труды III Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура и применение». Александров, 1997. Т. 1. С. 239—259.
7. Dutta P. S., Ostrogorsky A. G. Nearly diffusion controlled segregation of tellurium in GaSb // J. Crystal Growth. 1998. V. 191, Iss. 4. P. 904—908. DOI: 10.1016/S0022-0248(98)00440-0
8. Dutta P. S., Ostrogorsky A. G. Segregation of Ga in Ge and InSb in GaSb // J. Crystal Growth. 2000. V. 217, Iss. 4. P. 360—365. DOI: 10.1016/S0022-0248(00)00483-8
9. Tiller W. A., Jackson K. A., Rutter J. W., Chalmers B. The redistribution of solute atoms during the solidification of metals // Acta Metallurgica. 1953. V. 1, Iss. 4. P. 428—437. DOI: 10.1016/0001-6160(53)90126-6
10. Ostrogorsky A. G., Mosel F., Schmidt M. T. Diffusion-controlled distribution of solute in Sn-1% Bi specimens solidified by the submerged heater method // J. Crystal Growth. 1991. V. 110, Iss. 4. P. 950—954. DOI: 10.1016/0022-0248(91)90655-O
11. Ostrogorsky A. G., Müller G. Normal and zone solidification using the submerged heater method // J. Crystal Growth. 1994. V. 137, Iss. 1–2. P. 64—71. DOI: 10.1016/0022-0248(94)91248-3
12. Golyshev V. D., Gonik M. A., Tsvetovsky V. B., Frjazinov I. V., Marchenko M. P. // Proc. 3rd International Conference on Single Crystal Growth, Strengthen Problems, Heat and Mass Transfer. Obninsk (Russia), 2000. P. 125—134.
13. Pfann W. G. Principles of zone-melting // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 1952. V. 4, Iss. 7. P. 747—753. DOI: 10.1007/BF03398137
14. Voller V. R., Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems // Int. J. Heat Mass Transfer. 1987. V. 30, Iss. 8. P. 1709—1719. DOI: 10.1016/0017-9310(87)90317-6
15. Smirnova O. V., Kalaev V. V., Makarov Yu. N., Abrosimov N. V., Riemann H., Kurlov V. N. Three-dimensional unsteady modeling analysis of silicon transport in melt during Cz growth of Ge1-xSix bulk crystals // J. Crystal Growth. 2007. V. 303, Iss. 1. P. 141—145. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.11.150
16. Golyshev V. D., Gonik M. A., Tsvetovsky V. B. Study of thermal conductivity close to the melting point // High Temperatures-High Pressures. 2003/2004. V. 35–36, N 2. P. 139—148. URL: http://www.eyoungindustry.com/uploadfile/file/20151006/20151006102711_90180.pdf
17. Sato Y., Nishizuka T., Tachikawa T., Hoshi M., T. Yamamura, Y. Waseda. Viscosity and density of molten germanium // High Temperatures-High Pressures. 2000. V. 32. P. 253—260. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.430.3376&rep=rep1&type=pdf
18. Ratnieks G., Muižnieks A., Mühlbauer A. Modelling of phase boundaries for large industrial FZ silicon crystal growth with the needle-eye technique // J. Crystal Growth. 2003. V. 255, Iss. 3–4. P. 227—240. DOI: 10.1016/S0022-0248(03)01253-3
19. Takagi Y., Okano Y., Minakuchi H., Dost S. Combined effect of crucible rotation and magnetic field on hydrothermal wave // J. Crystal Growth. 2014. V. 385. P. 72—76. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.04.062
20. Raffy C., Duffar T. Internal Report, CEA-Grenoble (France), SES No. 15/95, 1995.
21. Mueller D. Convection and Inhomogeneities in Crystal Growth from the Melt / In: Crystals: Growth, Properties and Applications. Berlin; Heidelberg: Springer, 1988. V. 12. P. 1—136. DOI: 10.1007/978-3-642-73208-9_1
22. Гоник М. А., Ткачева Т. В. Выращивание монокристаллов CsI<Tl> при контролируемых условиях // Неорганические материалы. 2007. Т. 43, № 11. С. 1401—1408.
23. Ostrogorsky A. G., Marin C., Churilov A., Volz M. P., Bonner W. A., Duffar T. Reproducible Te-doped InSb experiments in Microgravity Science Glovebox at the International Space Station // J. Crystal Growth. 2008. V. 310, Iss. 2. P. 364—971. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2007.10.079
24. Nakamura S., Hibiya T., Yamamoto F. Thermal conductivity of GaSb and InSb in solid and liquid states // J. Appl. Phys. 1990. V. 68, Iss. 10. P. 5125—5127. DOI: 10.1063/1.347051
25. Churilov A., Ostrogorsky A. G., Volz M. P. Solidification using a baffle in sealed ampoules: Ground-based experiments //
26. J. Crystal Growth. 2006. V. 295, Iss. 1. P. 20—30. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2006.07.024
Рецензия
При поддержке: Авторы выражают благодарность SIMAP за представленную возможность использования программного кода ANSYS Fluent в лаборатории.
Для цитирования:
Гоник М.А., Baltaretu F. Как обеспечить постоянную концентрацию примеси по высоте слитка. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2018;21(2):69-82. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-2-69-82
For citation:
Gonik M.A., Baltaretu F. How to provide the constant impurity distribution along the ingot. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2018;21(2):69-82. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-2-69-82
Просмотров: 218
Послать статью по эл. почте 