Центр теплофизических исследований «Термо», Центр материаловедения «Фотон»:

М. А. Гоник

Institute of Geosciences of Albert−Ludwigs−Universität, Freiburg, Germany:

A. Cröll

Разработан метод бестигельного выращивания монокристаллов кремния и его соединений с германием — метод осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (ОТФ). Для его реализации использована установка получения кристаллов методом плавающей зоны, в которой дополнительно используется так называемый ОТФ−нагреватель. Нагреватель формирует вокруг себя зону расплава, который удерживается силами поверхностного натяжения между растущим кристаллом, питающим стержнем и нижней и верхней поверхностями ОТФ−нагревателя соответственно. Для защиты графитового корпуса нагревателя от агрессивного действия расплавленного кремния его поверхность покрыта слоем SiC, имеющим специальную нанокристаллическую структуру. Описана система автоматического управления процессом ОТФ−кристаллизации, обеспечивающая поддержание температурного поля вблизи растущего кристалла с точностью 0,05—0,1 К. Проведено численное моделирование тепломассопереноса при росте соединения Si_xGe_1−x, содержащего 2 % Si, а также моделирование формообразования свободной поверхности расплава Si—Ge при вытягивании кристалла. Показана возможность получения однородных по сечению и длине объемных монокристаллов, найден диапазон максимально достижимой высоты слоя расплава, составляющий 10—20 мм, при котором еще сохраняется устойчивость процесса капиллярного формообразования. Выращены легированные сурьмой монокристаллы кремния, характеризующиеся сильным двойникованием, которое непосредственно связано с обнаруженными включениями частиц SiC в кристаллическом кремнии. Подтверждена возможность формирования с помощью ОТФ−нагревателя выпуклой и близкой к плоской формы фронта кристаллизации. Установлено, что при выращивании на затравку в направлении [111] реализуется послойный механизм роста кремния, причем область гранного роста при определенных условиях занимает почти все сечение кристалла.

Авторы выражают благодарность доктору Й. Фридриху (Институт Фраунгофера, г. Эрланген) и доктору физ.−мат. наук В. С. Юфереву (ФТИ РАН им. Иоффе) за возможность использования в расчетах программного кода CrysMAS и Capillar 6 соответственно.

1. Paul, D. J. Silicon−germanium strained layer materials in microelectronics // D. J. Paul / Adv. Mater. − 1999. − V. 11, N 3. − P. 191—204.
2. Nakajima, K. Growth of Ge−rich Si_xGe_1−x single crystal with uniform composition (x = 0.02) on a compositionally graded crystal for use as GaAs solar cells // K. Nakajima, S. Kodama, S. Miyashita, G. Sazaki, S. Hiyamizu / J. Crystal Growth. − 1999. − V. 205 − P. 270.
3. Abrosimov, N. V. Czochralski growth of Si− and Ge−rich SiGe single crystals / N. V. Abrosimov, S. N. Rossolenko, W. Thieme, A. Gerhardt, W. Schröder // J. Crystal Growth − 1997. − V. 174. − P. 182—186.
4. Dold, P. Growth and characterization of Ge_1−xSi_x (x < 10 at %) single crystals // P. Dold, A. Barz, S. Recha, K. Pressel, M. Franz, K. W. Benz / J. Crystal Growth. − 1998. − V. 192. − P. 125—135.
5. Ostrogorsky, A. G. Numerical simulation of single crystal growth by submerged heater method / A. G. Ostrogorsky // J. Crystal Growth. − 1990. − V. 104, Iss. 2. − P. 233—238.
6. Golyshev, V. D. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determination thermal conditions / V. D. Golyshev, M. A. Gonik // Cryst. Prop. and Preparation − 1991. − V. 36−38. − P. 623—630.
7. Marin, C. Growth of Ga−doped Ge_0.98Si_0.02 by vertical Bridgman with a baffle / C. Marin, A. G. Ostrogorsky // J. Crystal Growth − 2000. − V. 211, Iss. 1−4. − P. 378—383.
8. Croell, A. Detached Bridgman Growth of Germanium−Silicon crystals under microgravity / A. Croell, A. Mitric, A. Senchenkov / Abstracts in ICASP−2. − Seggau (Austria), 2008.
9. Golyshev, V. D. Problems of Bi₄Ge₃O₁₂ and Li₂B₄O₇ single crystal growth by crucibleless variant of AHP method / V. D. Golyshev, M. A. Gonik, V. B. Tsvetovsky // J. Cryst. Growth. − 1999. − V. 198/199. − P. 501—506.
10. Filonov, K. N. Osobennosti svoistv nanostrukturirovannyh karbidokremnievyh plenok i pokrytii, poluchennyh novym sposobom / K. N. Filonov, V. N. Kurlov, N. V. Klassen, E. A. Kudrenko, E. A. Shteinman // Izv. RAN. ser. fiz. − 2009. − T. 73, N 10. − P. 1457— 1459.
11. Gonik, M. M. Avtomaticheskaya sistema upravleniya ustanovkoi rosta kristallov na baze tehnologii National Instruments / M. M. Gonik, M. A. Gonik, V. B. Cvetovskii, V. V. Lobachev // Tr. konf. «Obrazovatel’nye, nauchnye i inzhenernye prilozheniya v srede Lab-View i tehnologii National Instruments». − M., 2005. − P. 287—290.
12. Gonik, M. M. Design of control system for growing crystals with desired properties / M .M. Gonik, V. I. Boevkin, A. V. Lomokhova, M. A. Gonik // 3^rd International Conference on Physics and Control (PhysCon 2007). − Potsdam, (Germany), 2007. − http://lib.physcon.ru/?item=1176
13. Gonik, M. A. Kontrol’ za formoi meniska rasplava pri upravlenii rostom kristallov bestigel’nym OTF metodom / M. A. Gonik, M. M. Gonik, T. V. Nizkaya // XVIII Peterburgskie chteniya po probleme prochnosti i rosta kristallov (metodom Stepanova). − S.−Pb., 2008. − P. 83—86.
14. Gonik, M. A. Development of a model for on−line control of crystal growth by the AHP method / M. A. Gonik, A. V. Lomokhova, M. M. Gonik, A. T. Kuliev, A. D. Smirnov // J. Cryst. Growth. − 2007. − V. 303, Iss. 1. − P. 180—186.
15. Gonik, M. A. Upravlenie formoi fronta kristallizacii po modeli / M. A. Gonik, M. M. Gonik, D. Tsiulyanu // Tez. dokl. XIV Nacional’noi konferencii po rostu kristallov. − M., 2010. − P. 98.
16. Yuferev, V. S. Kapillyarnoe formoobrazovanie kristallov, vytyagivaemyh iz rasplava bestigel’nym OTF metodom / V. S. Yuferev / Kristallografiya. − 2008. − T. 53. − P. 1214—1220.
17. von Ammon, W. Application of magnetic fields in industrial growth of silicon single crystals / W. von Ammon, Yu. Gelfgat, L. Gorbunov, A. Mühlbauer, A. Muiznieks, Y. Makarov, J. Virbulis, G. Müller // The 15th Riga and 6th PAMIR Conf. on Fundamental and Applied MHD. − Riga, 2005. − P. 41—54.