close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103521

код для вставкиСкачать
^^^^ee^H^iS^is^
/^
Ha правах рукописи
Марончук Игорь Игоревич
Разработка физико-химических основ и наземная отработка метода
выращивания кристаллов полупроводников бесконтактной направленной
кристаллизацией из расплава в условиях микрогравитации.
05.17.01 - Технология неорганических веществ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2005
Работа
выполнена
в
Институте
химических
проблем микроэлектроники
(ИХПМ)
Федерального агенства по образованию Российской Федерации.
Научный руководитель;
Доктор технических наук, профессор. Заслуженный деятель науки РФ, Лауреат Ленинской и
Государственных премий СССР Мвльвидсквй Мвхяил Григорьевич.
Научный консультант:
Кандидат технических наук. Лауреат Государственной премии СССР
Раков Валерий Васильевич
Официальные опоненты;
Доктор технических наук. Заслуженный деятель науки РФ Захаров Борис Георгиевич
Кандидат технических наук Раухман Марк Рафаилович.
Ведущая организация:
ФКА Ф Г У П Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П.Бармина.
Защита
состоится
« ^Т i> ^ ^ . f e a ^ ^ A ^
2005г.
в
'^S>
часов
на
заседании
диссертационного совета Д 217.043.01 при Государственном научно - исследовательском и
проектном институте редкометаллической промьппленности «ГИРЕДМЕТ» по адресу:
г.Москва, 119017, Б.Толмачевский пер., 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИРЕДМЕТа.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью,
просим направлять в адрес диссертационного совета: г.Москва, 119017, Б.Толмачевский
пер., 5.
Автореферат разослан « ■Z"^» V ^ ^ ^
2005г.
Ученый секретарь диссертационного совета /?^
кандидат химических наук
п
^>^^^^^?!^
Блинова Э.С.
/SEidi
A^^^^^S
Общая характеристика работы.
Актуальность.
Современная
твердотельная
электроника
предъявляет
исключительно
высокие
требования к качеству используемых полупроводниковых материалов, в первую очередь, к их
чистоте,
однородности
и
структурному
необходимыми свойствами
совершенству.
Получение
монокристаллов
невозможно без проведения фундаментальных
с
исследований
механизмов и явлений, имеющих место при кристаллизации и определяющих особенности
дефектообразования в выращиваемых слитках. Уникальные дополнительные возможности для
проведения такого рода исследований появляются в условиях микрогравитации.
Проблема
развития бесконгактных
методов
кристаллизации
в
космосе
возникла
одновременно с появлением космического материаловедения и одного из наиболее его
перспективных направлений - выращивания монокристаллов полупроводников из расплавов.
Перспективность
этого
направления
исследований
связана
с
высокой
гравитационной
чувствительностью расплавов полупроводников. Кроме того, возможность удержания
в
невесомости больших объемов расплава в условиях отсутствия контакта со стенками
контейнера (который оказывает существенное влияние на качество кристалла) существенно
снижает содержание неконтролируемых примесей в расплаве (и, соответственно, в кристалле),
повышает
возможность
дополнительной
очистки
исходного
образца
при
его
перекристаллизации и способствует повышению структурного совершенства выращиваемого
слитка.
Одним
из
монокристаллов
наиболее
простых
полупроводников
и
в
широко
распространенных
космических
условиях
методов
является
получения
направленная
кристаллизация (или метод Бриджмена) в контейнере. В значительной мере это обусловлено
простотой наземной отработки экспериментов и их реализации в космических условиях. Однако
наличие (хотя и частичного) контакта расплава
и кристалла с внутренней боковой стенкой
контейнера приводит к ряду нежелательных последствий, главными из которых являются:
неконтролируемое загрязнение расплава, существенное возрастание вероятности паразитного
зародышеобразования, появление в слитке дополнительных механических напряжений. Всё это
вызывает
снижение
канесгва
выращиваемых
монркрист^лов, . вплоть
до
перехода
к
поликристаллическому росту.
Кроме того, при наличии^- определенного уровня остаточных
микроускорений и,
особенно, колебаний их величины, степень контакта расплава с боковой стенкой контейнера в
процессе кристаллизации может существенно "!■""""•" "ч, °'Ч1 ярляетУЯ серьезным источником
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ'
БИБЛИОТЕКА
J
СПе
09
2
неоднородности распределения примесей (а, соответственно, и свойств) по длине и в
поперечном сечении выращиваемого монокристалла. Всёэтх5делает проблему контролируемого
исключения контакта расплава со стенками кокггейнера весьма актуальной.
В настоящее время в космосе успешно используется единственный бесконтейнерный
метод выращивания монокристаллов иэ расплава - бестигельная зонная плавка. Применительно
к условиям микрогравитации также предпринимаются попытки создания метода направленной
кристаллизации с частичным коигактом между расплавом и контейнером. Один из подходов в
этом направлении связан с использованием полупроводников, имеющих большие углы роста
(InSb,GaSb), в результате чего кристалл в начальной своей части имеет меньший диаметр и
действительно растет без контакта с контейнером. Другой подход основан на создании
искусственной шероховатости стенок ампулы, уменьшающей общую
площадь контакта
расплава с контейнером. Однако оба эти подхода не решают в полной мере проблему
реализации бесконтактной направленной кристаллизации, которая должна сочетать в себе
преимущества метода направленной кристаллизации в контейнере и метода бестигельной
зонной плавки.
Для реализации бесконтактного процесса направленной кристаллизации в условиях
микрогравитации необходим, преясде всего, научно обоснованный выбор конструкционных
материалов с благоприятными значениями углов смачивания их расплавами исследуемых
веществ, при этом для изготовления различных элементов рабочих ампул используют как
смачиваемые, так и не смачиваемые расплавом материалы. Несмотря на достаточно большое
количество
работ,
монокристаллов
посвященных
полупроводников,
изучению
данные
явления
смачивания
различных
авторов
при
выращивании
носят
достаточно
противоречивый характер, а для некоторых полупроводниковых материалов отсутствуют
вообще. Существующие противоречия обусловлены высокой чувствительностью изучаемых
явлений к условиям проведения экспериментов, особенно к составу газовой атмосферы. Все это
диктует необходимость целенаправленных дополнительных исследований в этом направлении.
Целями
настоящей
работы
являются:
разработка
физико-химических
и
технологических основ метода бесконтактной направленной кристаллизации ( Б Н К ) расплавов
полупроводниковых
материалов в условиях
микрогравитации; создание
математической
модели, описывающей условия устойчивости «свободного» расплава; наземная отработка
экспериментов по бесконтактной направленной кристаллизации германия и антимонида галлия
на
«космических»
ростовых
установках,
а
также
разработка
метода
выращивания
текстурированных кристаллов твердых растворов на основе теллурида висмута увеличенного
диаметра
в
процессе
направленной
кристаллизации
для
последующего
использования
установленных при этом закономерностей в соответствующих экспериментах в условиях
м и1фогравитации.
Научная новизна работы.
1
Предложен принципиально новый метод выращивания кристаллов из расплава в
условиях микрогравитации - метод бескоигактной направленной кристаллизации в отсутствии
контакта растущего кристалла и расплава со стенками ампулы, и разработана принципиальная
схема его реализации Предложена оригинальная конструкция рабочей ампулы и обоснован
выбор материалов для изготовления основных её элементов. Предложено использовать для
изготовления торцевой пластины-держателя расплава материала, родственного по природе по
отношению к кристаллизуемому полупроводниковому материалу, обладающего более высокой
температурой плавления и хорошо смачиваемого расплавом: кремния - для Б Н К германия, и
арсенида галлия - для Б Н К антимонида галлия. Предгюженные решения защищены двумя
патентами Российской Федерации.
2.
С целью обоснования возможности реализации процесса Б Н К на борту космических
аппаратов ( К А )
с помощью математического моделирования проанализированы
условия
стабильного поддержания в <гаодвешенном» состоянии «столбика» расплава, располагаемого
между затравкой и смачиваемой расплавом торцевой поверхностью (пластиной), как для случая
полной невесомости, так и для случая наличия микрогравитационных ускорений (до lO'^go),
направленных вдоль и перпендикулярно оси выращиваемого кристалла.
3,
Впервые
изучены
закономерности
смачивания
расплавом
германия
монокристаллических пластин кремния и расплавом антимонида галлия - монокристаллических
пластин арсенида галлия как в вакууме, так и в чистом инертном газе Величины краевых углов
смачивания для расплава германия на кремнии в вакууме и аргоне составляют соответственно
32" и 34°, а для расплава антимонида галлия на арсениде галлия в вакууме - 35°. Данные
значения углов смачивания обеспечивают возможность реализации Б Н К Ge и GaSb в космосе
4
Разработаны оригинальный макет установки и методика выращивания из расплавов
текстурированных слитков термоэлектрического материала ( Т Э М ) на основе В^гТез диаметром
30 и более мм, предусматривающая кристаллизацию снизу, что существенно уменьшает
гравитационную
конвекцию
в расплаве, приближая условия выращивания
к
условиям
экспериментов на борту К А . Изучено влияния условий роста на текстуру, однородность,
фазовый состав и термоэлектрические свойства слитков Т Э М и установлено оптимальное
соотношение усредненных осевых температурных градиентов на границе расплав-кристалл и
4
скорости роста (gradT/ Vp > 155 Кчас/см'), обеспечивающее получение близкого к плоскому
гладкого фронта кристаллизации и благоприетной кристаллографической текстуры (ПО),
определяющей высокие термоэлектрические свойства материала. Полученные результаты
заложены
в
основу
предполагаемой
в
дальнейшем
наземной
отработки
космических
экспериментов по направленной кристаллизации Т Э М на основе В!2Тез
Практическая значимость работы.
1.
Применительно к «космическим» ростовым установкам «Галлар» (разработка Н И И
"НЦ") и "Полизон" (разработка К Б О М ) разработаны и изготовлены имитаторы рабочих ампул
для наземной отработки экспериментов, элементы конструкции
ампул для проведения
космических экспериментов в контактном и бесконтактном вариантах. Разработаны методики
подготовки основных и вспомогательных материалов к экспериментам, а также методики
сборки рабочих ампул
2
Применительно
к
установке
«Полизон»
разработана
методика
одновременного
мониторинга распределения температур в расплаве и выращиваемом кристалле, а также на
поверхности кварцевой ампулы и в различных элементах теплового блока в процессе
кристаллизации GaSb методом Бриджмена. Показано, что распределение температур на
поверхности ампулы хорошо коррелирует с распределением температур в системе расплав кристалл, а потому может быть использовано для оптимизации тепловых полей установок типа
«Полизон»
3.
Проведена
наземная
отработка
космических
экспериментов
по
направленной
кристаллизации слитков антимонида галлия диаметром 17 мм и германия диаметром 26 мм на
установках «Полизон» и «Галлар» соответственно. Отработаны режимы, обеспечивающие:
затравление
в
заданном
месте
исходной
заготовки,
стабильность
гладкого
фронта
кристаллизации, а также начальный монокристаллический рост. Показано, что для успешной
реализации
процесса
кристаллизации
на
установке
«Галлар»
усредненные
осевые
температурные градиенты в области фронта кристаллизации и скорость роста должны
составлять - 1 3 - 1 5 К/см и ~ 0,47 - 0,5 см/час соответственно, а на установке «Полизон» ~10-20
К/см при скоростях кристаллизации < 0,5 см/час. Проведено исследование структурных
особенностей и электрофизических свойств полученных при наземной отработке образцов
антимонида галлия и германия.
4
Разработана
программа
проведения
полетных
экспериментов
по
бесконтактной
направленной кристаллизации, а также в различных условиях контакта расплава с внутренними
5
стенками
ампулы,
и
отработаны
температурно-временные
режимы
(циклограммы)
их
проведения. Изготовлены и переданы для реализации экспериментов в космосе ( Н И И «НЦ» и
КБОМ)
по два
комплекта
штатных
и
запасных
ампул для проведения
космических
экспериментов на установке «Полизон» на ICA серии «Фотон М » и «Галлар» на ОС «Мир»
Разработан и передан полный комплект сопроводительной технической документации.
5.
Отработана
методика
механической
обработки
(резка,
калибровка,
шлифовка)
полученных методом В Н К слитков Т Э М на основе теллурида висмута, обеспечивающая
изготовление исходных заготовок для космических экспериментов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.
Результаты
математического
моделирования
условий
стабильного
поддержания
в
«подвешенном» состоянии столбика расплава, располагаемого между затравкой и смачиваемой
расплавом торцевой поверхностью, свидетельствуют о возможности существования «жидкого
моста» длиной до 3-х диаметров исходной заготовки и его стабильности при реально
существующих уровнях величин остаточных микроускорений на борту К А . Необходимым
условием устойчивости формы «подвешенного» расплава является минимальное значение
величины угла смачивания расплавом торцевой пластины по сравнению с таковым для стенки
ампулы - контейнера, при этом их различие должно превышать 90°.
2. Использование в процессе Б Н К в качестве материала торцевых смачиваемых пластин,
родственных по природе по отношению к кристаллизуемому веществу полупроводников,
обладающих более высокой температурой плавления и хорошо смачиваемых расплавом, а также
не оказывающих существенного влияния на электрические свойства исследуемого объекта:
кремний при Б Н К германия и арсенид галлия при Б Н К антимонида галлия
3. Методология наземной отработки экспериментов
по Б Н К
Ge и GaSb
в
условиях
микрогравитации, включающая в себя: методики подготовки основных и вспомогательных
материалов, а также введения легирующей примеси; сборки рабочих ампул; оптимизации
тепловых
полей ростовых
установок; температурно-временные
режимы
(циклограммы)
осуществления космических экспериментов; программы проведения полетных экспериментов и
соответствующую техническую документацию
4
Выявленная
в
прсУцессе эксперимиггов
по наземной отработке
четкая
корреляция
распределения температур на поверхности ампулы в процессе направленной кристаллизации с
распределением
температур
в 'системе
расплав-кристалл,
что
может
бьпъ
успешно
использовано для оптимизации тепловых полей в ростовом оборудовании и для эффективного
управления кристаллизационным процессом на орбите.
6
5
Оригинальный
макет
установки
и
методика
выращивания
методом
вертикальной
направленной кристаллизации текстурированных слитков Т Э М на основе В!2Тез. Полученные
при этом результаты заложены в основу предполагаемой в дальнейшем наземной отработки
соответствующих космических экспериментов.
Апробация диссертации.
Основные результаты работы доложены на: X X X T V научных чтениях, посвященных
разработке творческого наследия К.Э.Циолковского, г.Калуга, 14-16 сентября 1999г; 13th
International
Conference
on
Crystal
Growth
(TCCG-13),
2001, June,
Kyoto,
Japan;
IV
международной конференции «Рост кристаллов и тепломассоперенос» (ICSC-2001), г.Обнинск,
24-28 сентября 2001 г; X X X V I I научных чтениях, посвященных разработке научного наследия и
развитию идей К.Э.Циолковского, г.Калута, 17-19 сентября 2002г.; II Российской конференции
«Космическое материаловедение» (КМ-2003), г.Калуга, 3-6 июня 2003г.; V международной
конференции «Рост кристаллов и тепломассоперенос» (ICSC-2003), г.Обнинск, 22-26 сентября
2003г.; X X X I X научных чтениях памяти К.Э.Циолковского, г.Калуга, 14-16 сентября 2004г.; I X
Межгосударственный Семинар «Термоэлектрики и их применения» Ф Т И им А . Ф Иоффе Р А Н ,
г.Санкт-Петербург, Россия 16-17 ноября 2004г.
Публикации и личный вклад автора.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 сборниках тезисов и
трудов конференций и в печатных статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Получены 2 Патента Р Ф на изобретения. Основные экспериментальные результаты, включая
изготовление и поставку штатных ампул для соответствующих космических экспериментов,
получены лично диссертантом в И Х П М в период с 1997 по 2005гг.
Математическое моделирование устойчивости расплава выполнено диссертантом в
сотрудничестве
с
Дж.И.Д.Александером,
Л.А.Слобожанином
(Университет
Алабама
в
Хансвил.пе, С Ш А ) и В.В .Раковым ( И Х П М ) ; расчет тепловых полей в расплаве, кристалле и
элементах
конструкции
установки
«Полизон»
-
в
сотрудничестве
с
В.П.Гинкиным,
В.И.Фоломеевым ( Г Н Ц Р Ф Ф Э И ) и А.В Картавых ( И Х П М ) . Личное участие автора в этих
расчетах состояло в постановке задач, экспериментальном определении граничных условий,
интерпретации результатов расчетов с точки зрения их физической адекватности и соответствия
экспериментальным данным.
7
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, общих выводов,
приложения. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков,
7 таблиц и список литературы из 152 наименований.
Содержание работы.
Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, определению цели
работы. Представлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов
рабогы. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Дается краткая информация о
структуре диссертации.
Глава I. Литературный обзор. В первой главе представлен литературный обзор, в
котором рассмотрено современное состояние работ в области космического материаловедения в
части
изучения
гравитации
и
особенностей
роли
кристаллизационных
факторов
космического
процессов
полета
при
в
условиях
получении
пониженной
монокристаллов
полупроводников. Рассмотрены основные особенности и результаты получения различных
полупроводниковых
микрогравитации
материалов
На
методом
основании
направленной
1фитическо10
кристаллизации
рассмотрения
в
условиях
литературных
данных
сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Глава
направленной
П.
Разработка
физико-химических
основ
метода
бесконтактной
кристаллизации расплавов полупроводников. Данная глава посвящена
разработке физико-химических основ принципиально нового метода выращивания кристаллов
из расплава в условиях микрогравитации - бесконтактной направленной кристаллизации. Метод
сочетает в себе преимущества способов Бриджмена и бестигельной зонной плавки. Условием
успешной
реализации
метода
в
цилиндрической
ампуле
является
получение
такой
конфигурации расплава, при которой он не контактировал бы с внутренними стенками ампулы.
Это достигается тем, что расплав с одной стороны касается растущего кристалла, а с доугой способной к перемеп1ению торцевой смачиваемой им пластины (рис.1).
Чтобы оценить реальность осущесгвления процесса БНК, методом математического
моделирования исследовали равновесные формы и стабильность возможных конфигураций
свободной поверхности расплава, кбторые характерны дня данного метода. Исследовалась модель
изотермической жидкости со свободной поверхностью, касающейся на 1фомках торцевой пластины
8
с одной стороны и краев кристалла-затравки - с другой (рис.2). Выполнены расчеты для постоянно
действующих осевых ускорений (до lO'^go).
При анализе использованы
расплавов, а также
параметры Бонда, типичные для
значения радиуса
ампулы-контейнера
и
полупроводниковых
уровня
микрогравитации,
характерных для проводимых космических экспериментов.
Г в
в)
"«
в
Рис. 1 Принципиальная схема метода бесконтактной направленной кристаллизации. 1 ампула - контейнер; 2-подвижный полый поршень; 3-крышка; 4-пружина; 5-ограничитель хода; 6исходный монокристалл; 7-держатель; 8-расплав; 9-затравка; 10-торцевая пластина,
а) продольный разрез ампулы перед плавкой; б) продольный разрез ампулы после
расплавления исходного монокристалла; в) продольный разрез ампулы в процессе кристаллизации.
Граничные условия стабильности «подвешенного» расплава описываются следующими
соотношениями:
@,<Ч',<0-9(Р
(1).
в2-а+9СР кЧ'гкв-ЯоР
(2),
где 0, &I и &2- углы смачивания расплавом гладкой твердой поверхности цилин/фических
стенок ампулы, кристалла и торцевого держателя соответственно, а iP/ и !fS - величины
двугранных углов, образованные расплавом между его свободной поверхностью и плоскостями,
проходящими через кромки. Необходимо отметить, что после расплавления материала *Р, +yt =
9(f, где /( - величины двуфанных углов образованные газом между свободной поверхностью
расплава и поверхностью
цилиндрических стенок ампулы (или боковой
поверхностью
растущего кристалла), а - угол образованный цилиндрической стенкой ампулы и образующей к
поверхности торцевой пластины.
01
Рис. 2. Схема осссимйетричного (окидкого моста» со смачиваемыми торцами в начальный
момент процесса.
10
Из этих соотношений следует, что свободная поверхность расплава в контакте с обеими
кромками цилиндрической ампулы-контейнера может быть стабильна только при условии (@-
0,)>9(Рк(@-в2)>
18(f -а.
Кроме углов смачивания, форма и стабильность свободной поверхности расплавленной
зоны в конфигурации, показанной на рис. 2, определяются эффективной толщиной системы Л,
относительным её объемом К и числом Бонда В. Эти величины определяются выражениями:
A^y(2r(i).
V = v/(^rB% B = pgroW
(3).
Здесь Го - радиус контейнера; h - расстояние между поддерживающими твердыми
торцами; g - значение постоянного ускорения, направленного вдоль оси контейнера; v - объем
расплава, ограниченный плоскостями, проходящими через торцы; р и <г - плотность и
поверхностное натяжение расплава соответственно.
Форма реально выращиваемых кристаллов свидетельствует о том, что радиус растущего
кристалла Гс. и радиус ампулы - контейнера го, различаются. Обозначим отношение их величин
через; К = rjro.
На рис. 3 в А, V координатах показаны математически рассчитанные фаницы общей
области стабильности для жидкой зоны кристаллизационной системы, показанной на рис.2.
Решены следующие задачи- определена форма свободной поверхности расплава в методе
Б Н К , определены условия устойчивости на отрыв расплава от затравки, определено влияние на
форму
свободной поверхности расплава величины и направления вектора
остаточных
микроускорений. Показано, что «жидкий мост», подвергаемый воздействию постоянных
боковых ускорений, более стабилен, чем при воздействии осевых ускорений.
Выполненный теоретический анализ показал возможность существования «жидкого
моста» между кристаллом-затравкой и торцевой пластиной-держателем длиной до 3-х диаметров
слитка.
Результаты численного
моделирования
показывают
возможность
осуществления
в
реальных условиях нового метода, который обладает простотой и надежностью метода
направленной кристаллизации и в то же время исключает контакт расплава и растущего
кристалла с контейнером.
Установлено, что конфигурация области стабильности существенно зависит от углов
смачивания расплавом цилиндрической стенки контейнера и, особенно, торцевой пластины.
Литературные данные по углам смачивания расплавами германия и антимонида галлия
различных известных контейнерных материалов (кварц, фафит, графитовые покрытия на
кварце) достаточно противоречивы, что обусловлено, с вашей точки зрения, существенным
11
влиянием на эти результаты состава газовой атмосферы. Нами изучено смачивание расплавами
исследуемых материалов кварца и графита в вакууме и атмосфере очищенных азота и водорода.
Показано, что во всех случаях углы смачивания существенно превышают 90". Наибольшие
значения углов смачивания получены при использовании графита, для которого эта величина
составляет 136°.
1.0
о^
О-в
0.4
ОЛ
0.S
1.0
1Л
л
г.о
2.6
Э.О
Рис. 3 Положение области стабильности расплава для кристаллизационной системы, показанной
на рис. 2, при различных значениях чисел Бонда и К. S =0 (сплошные линии), В = 0,05 (пунктир
с точкой) и S = -0,05. (пунктирные). Числа на кривых показывают значения К.
В
качестве материала для изготовления торцевых пластин-держателей расплава при
выращивании монокристаллов германия и антимонида галлия нами предложено использовать
родственные
по своей природе полупроводники, имеющие
существенно
более
высокие
температуры плавления ho сравнению с кристаллизуемым веществом, хорошо смачиваемые
расплавом и оказывающие слабое влияние на электрические свойства исследуемого объекта. При
кристаллизации германия в качестве материала торцевой пластины был выбран S i , а при
кристаллизации антимонида галлия - GaAs.
12
Для проверки правильности выбора материала смачиваемых торцевых пластин было
изучено смачивание пластин кремния расплавом германия и пластин арсенида галлия расплавом
антимонида
галлия.
Исследования
проводили
методом
лежащей
капли
в
установке
горизонтального типа с фоторегистрацией профиля растекающейся капли как в вакууме, так и в
атмосфере аргона. Измч)енные значения углов смачивания пластин креглиия расплавом германия в
вакууме и инертном газе составили 32° и 34° соответственно, а пластин арсенида галлия
расплавом антимонида галлия в вакууме - 35°. Полученные значения близки к значениям углов
смачивания твердых германия и антимонида галлия собственными расплавами и свидетельствуют о
возможности использования данных материалов для реализации метода Б Н К германия и антимонида
галлия в условиях микрогравшвции.
Глава Ш . Наземная отработка космических экспериментов.
Основными стадиями наземной отработки «космических» экспериментов являются:
1 Разработка методик изготовления образцов исследуемых материалов с необходимыми
свойствами и геометрией, не разрушающихся при заданных величинах вибрационных, ударных
и других воздействий.
2. Разработка конструкции рабочей ампулы, изготовление необходимых её элементов и
отработка методики ее сборки. Испытания устойчивости ампулы и элементов ее конструкции по
отношению к различным механическим воздействиям.
3.
Отработка
тепловых
условий
процесса
направленной
кристаллизации
(НК)
исследуемых материалов на «космическом» экспериментальном оборудовании или его аналоге.
4. В заключение на ампулах, полностью идентичных штатным, проводятся настроечные
кристаллизационные
процессы,
окончательно
отрабатываются
температурно-временные
режимы (циклограммы) осуществления космического эксперимента и проводится поставка
«штатных» и запасных ампул для его проведения.
Конструкции экспериментальных ампул дня космических экспериментов по Б Н К и
«контактной» Н К отличаются. Так как в земных условиях смоделировать полностью процесс
Б Н К не удается, то для наземной отработки выбирают такой вариаиг Н К , когда конвективные
потоки в расплаве в значительной мере ослаблены и условия тепломассопереноса ( Т П М ) в
расплаве достаточно близки к «космическим» Такого рода условия удается реализовать в
методе В Н К
в ампуле при нижнем расположении затравки и осуществлении процесса
кристаллизации снизу вверх.
13
Раздел 3.1 посвящен наземной отработке процесса направленной кристаллизащ1и
германия
на
установке
«Галлар»
и
подготовке
соответствующих
космических
эксперименгов(КЭ) на борту пилотируемой станции.
Было предусмотрено проведение К Э по выращиванию монокристаллов германия в
условиях как наличия контакта расплава со стенками контейнера, так и отсутствия такого
контакта на большей части поверхности образца. Это позволяет более объективно оценить
вклад капиллярных видов конвекции в общий тепломассоперенос в расплаве и формирование
свойств кристалла, а также влияние контакта расплава и кристалла с контейнером на рост,
структуру и электрофизические параметры выращиваемого слитка.
При наземной отработке ростовые эксперименты проводились на оборудовании,
аналогичном
полетному.
Описаны
конструктивные
и
технологические
особенности
используемой космической ростовой установки "Г аллар".
Основная цель наземной отработки процесса Н К заключается в выборе тепловых
режимов, обеспечивающих воспроизводимое затравление в фиксированной точке частично
расплавленной заготовки, начальный монокристаллический рост из легированного расплава
германия в условиях стабильности гладкого фронта кристаллизации. Здесь и в дальнейшем мы
будем называть такие режимы оптимальными. Проведен полный цикл наземной отработки.
С
целью отработки оптимальных условий выращивания разработан и изготовлен
имитатор рабочей ампулы, с использованием которого оптимизирован температурный профиль
электропечи. Изучены закономерности изменения температурного профиля по длине ампулы в
зависимости от режимов нагрева каждой секции многосекционного нагревателя, определено
необходимое положение фронта затравления и необходимая величина осевого фадиента
температуры в области фронта кристаллизации (13-15 "С/см). Полученные при этом результаты
представлены на рис. 4.
Разработана оригинальная конструкция рабочей ампулы, позволяющая осуществлять К Э
как в режиме Б Н К , так и в условиях контролируемого частичного контакта расплава с её
внутренними стенками.
Разработаны
поверхности
.методики калибровки, химической
исходных
монокристаллических
обработки
заготовок, а также
и контроля
качества
подготовки элементов
консгрукций рабочей ампулы и её сборки. Отработан оптимальный режим выращивания
монокристаллов германия методом Б Н К в условиях космического эксперимента: осевой
температурный градиент в области'фронта кристаллизации и скорость роста должны составлять
- 13 - 15 °С/см и ~ 0,47 - 0,5 см/час соответственно. В этом режиме выращены земные
монокристаллы-аналоги и исследованы их структурные особенности и электрофизические
14
свойства. Монокристаллы были легированы галлием до концентрации носителей заряда
~1-^2*10". Плотность дислокаций в них возрастала по длине от ~ 2,5*10' см'^ до ~ 5,8*10' см"^.
Измеренная
методом
сопротивления
растекания
микронеоднородность
распределения
удельного сопротивления не превышала ± 3 -5%. На рис.5 показаны собранная пггатная ампула
для проведения К Э на установке «Галлар» и отдельные элементы ее конструкции.
1000
Гго1
950
Т1Я2/Т3
900
850
-920/892/700
-920/900/700
-920/880/700
-920/860/700
920/840ЯОО
TDK
800
750
700
650
600
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
Расстояние от торца печи, см
Рис.4 Влияние температуры секций нагревателя (Т1/Т2/Т3) на распределение температур по оси
имитатора и положение предполагаемого фронта затравления - кристаллизации ( Ф К ) .
Отработана и согласована с Н И И " Н Ц " методика выполнения К Э , изготовлены и переданы
в
НИИ
«НЦ»
2 штатные
ампулы с
образцами германия, а также
полный
комплект
сопроводительной документации. Разработана детальная программа исследований образцов после
проведения К Э . Ампулы успешно прошли в полном объеме приемно-сдаточные испытания,
включая динамические. В связи с пре1фащением функционирования станции «Мир» проведение
соответствующих К Э предполагается осуществить в дальнейшем на М К С .
Раздел 3.2
посвящен
наземной отработке космических
экспериментов
по
БНК
антимонида галлия на установке «Полизон».
Проработана
непосредственно
для
установки
«Полизон»
конструкция
ампулы,
обеспечивающая как контролируемый контакт расплава с внутренней поверхностью ампулы,
так и проведение процесса в режиме БНК. Сконструированы и изготовлены имитаторы штатных
ампул
для
отработки тепловых
условий
выращивания
кристаллов.
Применительно
к
15
особенностям
установки
"Полизон"
отработаны
методики
подготовки
основных
и
вспомогательных материалов к экспериментам, а также методика сборки ампул. Разработана
методика калибровки кристаллов антимонида галлия с последующей химической обработкой и
контролем качества поверхности используемых заготовок. Отработана ме-годика введения
легирующей примеси в расплав для получения кристаллов с заданными электрическими
свойствами.
Рис. 5. Элемеигы конструкции и собранная штатная ампула для проведения К Э на
установке «Галлар» (1- держатель, 2 - монокристалл германия с выточкой, 3 - поршень, 4 пружина, 5 - ограничитель хода, 6 - собранная штатная ампула).
Для оптимизации тепловых условий у фронта кристаллизации разработана методика
одновременного мониторинга распределения температур по оси рабочей ампулы в расплаве и
кристалле, а также на ей поверхности и в различных элементах теплового блока установки
«Полизон». Для мониторинга использовалось одновременно 47 термопар. Для измерения
осевого распределения температур в ампуле в нее по оси был вмонтирован кварцевый капилляр
с внутренним диаметров '1,2 мм и с толщиной стенки ~ 0,1 мм, в котором помещалась
подвижная термопара Температурный профиль измеряли как в режиме выдержки расплава
перед кристаллизацией, так и на различных стадиях осуществления процесса.
16
Сравнительный анализ осевого распределения температур в системе расплав-кристалл, с
температурами на поверхности ампулы и регулирующих термопарах, расположенных в
жаропрочной трубе многосекционного нагревателя установки «Полизон», позволил установить
их взаимосвязь. Выявлена хорошая корреляция между распределениями температур по оси
расплава и кристалла и на поверхности кварцевой ампулы, что позволяет оптимизировать
тепловые условия процесса по показаниям измерительных термопар, распологаемых на
поверхности ампул.
Результаты экспериментальных
определений распределения температур
позволили
сформулировать граничные условия для разработки методики расчета тепловых полей в рабочей
зоне установки «Полизон». Расчеты выполнены в Г Н Ц Р Ф Ф Э И под руководством Гинкина
В П
В
Результаты проведенных расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
дальнейшем
предполагается
использовать
разработанную
расчетную
методику
для
корректировки тепловых условий ростовых эксперимеигов, выполняемых на борту К А .
В
полном объеме проведена наземная отработка экспериментов по выращиванию
методом направленной кристаллизации кристаллов антимонида галлия диаметром 17 мм.
Подобраны режимы, обеспечивающие затравление в заданном участке частично расплавленной
заготовки и последующий начальный монокристаллический рост в условиях сохранения
стабильности гладкого фронта кристаллизации: величины осевых температурных градиентов в
области фронта кристаллизации -10-20 ''С*см'' при скоростях кристаллизации < 0,5 см/час (в
зависимости от уровня легирования).
Выращены легированные теллуром кристаллы антимонида галлия с концентрацией
носителей заряда до 5*10'*см''. Плотность дислокаций в полученных кристаллах составляла (2 3)*10'' см'^. Микронеоднородность распределения удельного
сопротивления, измеренная
методом сопротивления растекания, находилась на уровне ± 4 % .
Подготовлен и передан в К Б О М с соответствующей документацией, включающей
циклограмму проведения процесса, комплект штатных и зиповских ампул для экспериментов на
установке «Полизон» на борту К А «Фотон М-2». Предварительные испытания показали, что
герметичность и целостность ампул не нарушились после температурных, радиационных,
ударных и вибрационных воздействий, стандартных для условий хранения, транспортировки,
запуска, орбитального полета и посадки К А данного типа.
17
Глава
IV.
Разработка
метода
вертикальной
направленной
кристаллизации
термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута.
Глава
посвящена
разработке метода
вертикальной
направленной
кристаллизации
термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута и исследованию возможности
использования
полученных
результатов
в
качестве
базы
для
наземной
отработки
соответствующих экспериментов по направленной кристаллизации этих термоэлектрических
материалов в условиях микрогравитации,
В настоящее время, наряду с получением монокристаллов с улучшенными параметрами,
большое
внимание
в
космическом
материаловедении
уделяется
широкому
классу
поликристаллических текстурированных материалов. Структура последних характеризуется
наличием
вытянутых
вдоль оси роста крупных зерен, имеющих близкую к заданной
преимущественную кристаллографическую ориентацию. К таким модельным материалам,
имеющим
широкое
термоэлектрических
пракгическое
применение
в
современной
технике
преобразователей энергии, относятся твердые растворы
в
качестве
на основе
халькогенидов висмута и сурьмы (для простоты их называют материалами на основе В12Тез).
Т Э М на основе BiiTej с решеткой типа тетродимита обладают выраженной анизотропией
физических свойств (электро-и теплопроводности), что определяет и сильную анизотропию
термоэлектрической эффективности (Z) такого материала (особенно для материала п - типа
проводимости).
Это,
в
свою
очередь,
предъявляет
жесткие
требования
к
текстуре
поликристаллического материала. Известно, что закономерности структурообразования в
текстурированных поликристаллах, выращенных из расплава, зависят от тепловых условий у
границы раздела фаз в расплаве и кристалле, характеризуемых величиной усредненного по двум
фазам температурного градиента, скорости роста, а также характера перемешивания расплава.
При выращивании кристаллов многокомпонентных твердых растворов, как и в случае
сильнолегированных
полупроводников, важную роль с точки зрения структурирования,
влияющего на свойства Т Э М , играет нарушение стабильности гладкого фронта кристаллизации,
в большинстве случаев связанное с концентрационным переохлаждением.
Основным методом получения Т Э М на основе BijTej является вертикальная зонная
плавка (ВЗП). В силу специфики процесса B3I1 интенсивность фавитационной конвекции в
расплаве достаточно велчка. В космических же условиях все виды гравитационной конвекции
ослаблены. Поэтому для наземной отработки космических экспериментов следует выбрать
метод выращивания, где интенсивйость конвективного перемешивания в расплаве существенно
ниже, чем при В З П . Как показывает предыдущий опыт наземных отработок космических
18
экспериментов, таким методом является вертикальная направленная кристаллизация ( В Н К ) в
варианте кристаллизации снизу.
Теоретический
температурных
анализ
градиентов
у
оптимальных
фаницы
соотношений
раздела фаз и
(прежде
всего,
скоростей
роста)
усредненных
для
условий
микрогравитации крайне затруднен из-за отсутствия ряда необходимых теплофизических и
физико-химических данных для твердых растворов на основе BiiTea и их расплавов. Поэтому в
настоящей работе проводились экспериментальные
исследования
условий
выращивания
текстурированного Т Э М методом В Р Ж , которые в дальнейшем предполагается использовать в
качестве базы для наземной отработки космических экспериментов.
С этой целью нами была разработана, изготовлена и налажена специальная макетная
установка В Н К в варианте кристаллизации снизу. Для обеспечения гибкого управления
температурными полями в расплаве и кристалле тепловой узел макета изготовлен в виде 4-х
раздельно питаемых и управляемых электрических нагревателей, формирующих каждый свою
тепловую зону. Температура в каждой зоне регулируется и поддерживается высокоточным
аналоговым регулятором.
Установка
имеет
квазигерметичный
реактор
многоразового
использования,
обеспечивающий возможность проведения процесса в вакууме или контролируемой атмосфере
инертного газа. В
реактор помещается графитовый контейнер, имеющий два варианта
исполнения. Один вариант - имитационный, предназначенный для подбора температурных
полей установки, второй - технологический, для проведения экспериментов по выращиванию
исследуемых материалов. Контейнер позволяет получать слитки исследуемых материалов
длиной до 180 мм и диаметром до 33 мм. Процесс кристаллизации происходит за счет
перемещения реактора с контейнером вдоль неподвижного теплового поля с заданной
скоростью и с общей длиной прохода до 40 см. Предусмотрена возможность ускоренной
зафузки и выфузки реактора.
Разработана методика подготовки основных и вспомогательных материалов к процессу и
методика настройки тепловых полей установки для выращивания кристаллов теллурида
висмута. Перед проведением ростовых экспериментов был проведен подбор тепловых условий
выращивания. Для этих целей использовали имитационный графитовый
контейнер.
В
результате проведения серии настроечных экспериментов были определены фаничные условия
(прежде всего, температуры различных секций нафевательного блока и положения водяного
холодильника относительно нижнего торца теплового блока), позволяющие получать осевые
температурные профили, характеризующиеся усредненными фадиентами в области фронта
19
кристаллизации в диапазоне от 25 до 90 "С/см. Скорости перемещения реактора варьировали в
диапазоне от 0,3 до 2,0 см/час.
Выбор указанного интервала температурных градиентов на фронте кристаллизации,
которые существенно ниже градиентов в методе В З П , обусловлен спецификой условий
выращивания слитков в космических условиях и офаничениями по энергопотреблению на
борту К А . Следует отметить, что понижение температурных градиентов, по сравнению с
методом В З П , приводит к снижению уровня термоупругих напряжений в выращенных слитках,
что благоприятно сказывается на их механических свойствах.
На выращенных кристаллах с помощью рентгенодифракционных методов (измерение
параметра кристаллической решетки и размытия (уширения) дифракционных максимумов)
исследовали фазовый состав, макро- и микронеоднородность состава твердого раствора. Кроме
того, металлографически при наблюдении в поляризованном свете и темном поле исследовали
микроструктуру
Рентгеновские
образцов
на
исследования
поперечных
проводились
сечениях
в
МИСиС
крупнокристаллических
на
кафедре
слитков.
материаловедения
полупроводников под руководством проф. Бублика В.Т.
Были определены условия роста, при которых обеспечивается благоприятная с точки
зрения термоэлектрических свойств текстура слитка. Это достигается при градиенте температур
на фронте кристаллизации gradT «80-90 °С/см, скорости роста Vp »
0,5-0,58 см/час
(соответственно, отношение gradT/Vp « 155 -f 160 "С^час/см'). В этих условиях мы имеем
гладкую и близкую к плоской форму поверхности фронта кристаллизации. При этом
исключается
возможность
дендритной
кристаллизации
и
обеспечивается
получение
крупнокристаллической столбчатой структуры с достаточно четко выраженной благоприятной
текстурой (110), при которой ось С (нормаль к плоскостям спайности (0001)) перпендикулярна
оси слитка. Рассеяние текстуры не превышает 5-ти угловых градусов и мало меняется по
сечению слитка. Рентгеновские методы
дополнительных
кристаллических
фаз.
не обнаружили в таких
Поликристаллические
слитках
присутствия
текстурированные
слитки,
выращенные методом В Ь Ж , обладали хорошими механическими свойствами, растрескивание в
них практически отсутствует. Они легко подвергаются механической калибровке, резке,
изготовлению на них проточек и т.д., что крайне необходимо для изготовления образцов для
космических экспериментов
по БНК.
Заданная текстура позволяет
использовать такие
кристшшы в качестве затравок при последующих экспериментах по Б Н К в космосе.
Исследованы термоэлектрические свойства выращенных на разработанной установке
В Н К кристаллов. По стандартной методике измеряли электропроводность о и термоэдс а.
20
Кристаллы, выращенные в условиях gradTWp» 88-120 К*час/см^, имели элеетропрюводность а в
диапазоне 800-1070 Ом''см"', а = 145-160 мкВ*1С', термоэлектрическую эффективность Z =
1,54*10'' -1,55*10"' К"'. Кристаллы, выращенные в условиях gradT/Vp» 150-160 К*час/см^,
обеспечивающих
стабильность
гладкого
фpo^ггa
кристаллизации
и
благоприятную
кристаллографическую структуру, имели электропроводность а = 950-980 Ом''см'', а = 210-215
мкВ*К'', Z = 3,06*10'' - 3,14*10'' К''. Такие свойства соответствуют качеству материала,
получаемого ведущими отечественньши и зарубежными фирмами.
Для измерений термоэлектрических свойств выращиваемых кристаллов использовали
также метод Хармана. Для этого с непосредственным участием автора была разработана
измерительная
установка
и
созданы
соответствующие
программы
для
обработки
экспериментальных результатов. Измерения по методу Хармана на образцах 4x4x10 м м '
позволяют получить представление о характере изменения свойств в объеме выращенного
слитка. Наблюдалось немонотонное изменение о и ст по длине измеряемого образца. В то же
время основная характеристика материала Z оставалась практически постоянной по всей его
длине в пределах точности измерения данным методом (2 % ) . Радиальное изменение а и с т бьшо
невелико, а изменение Z также находилось в пределах точности измерения.
Из некоторых образцов п - и р - типа проводимости полученных методом В Н К , в ООО
«АДВ Инжиниринг» были изготовлены однокаскадные термоэлектрические охлаждающие
модули, на которых были измерены основные рабочие характеристики: максимальная разность
температур ДТш„ и максимальная холодопроизводительность AQmx. Модули имели ДТт« = 7273 К и AQnux = 53-75 В т (в зависимости от типоразмера модуля), что соответствует уровню
современных достижений.
Несмотря на то что разработанная методика В Н К позволяет получать кристаллы на
основе твердых растворов
структурными
и
халькогенидов
электрофизическими
висмута
и сурьмы с
характеристиками,
достаточно
существует
высокими
потенциальная
возможность дальнейшего улучшения качества Т Э М при выращивании в космических условиях
методом БНК Основанием для этого является то, что кристаллизация в методе Б Ы К происходит
в отсутствие контакта расплава и выращиваемого слитка со стенками ампулы. Наличие же
контакта
со
стенками
может
приводить
к
изменению
тепловых
условий
у
фронта
кристаллизации и, как следствие, к искривлению границы раздела фаз, нарушению текстуры в
периферийных областях слитка, ухудшению радиальной однородности распределения свойств
21
Кроме того, кристаллизация в контакте со стенками контейнера неизбежно приводит к
ухудшению механических свойств кристалла.
В результате выполненных исследований разработана методика В Н К теллурида висмута
и определены условия получения материала с заданной текстурой, которые могут являться
исходными при наземной отработке К Э . Свойства такого материала позволяют использовать
выращенные образцы в качестве затравок при последующих экспериментах по Б Н К в космосе.
Выводы по работе.
1
Предложен
микрогравитации
новый
- метод
метод
выращивания
бесконтактной
кристаллов
направленной
из
расплава
кристаллизации
и
в
условиях
разработана
принципиальная схема его реализации. Предложена оригинальная конструкция рабочей ампулы
и обоснован выбор материалов для изготовления основных её элементов. Предложено
использовать
для
изготовления
торцевой
пластины-держателя
расплава
материала,
родственного по природе по отношению к кристаллизуемому полупроводниковому материалу,
обладающего более высокой температурой плавления и хорошо смачиваемого расплавом:
кремния - для Б Н К германия, и арсенида галлия - для Б Н К антимонида галлия. Предложенные
решения защищены двумя патентами Российской Федерации.
2.
С целью обоснования возможности реализации процесса Б Н К на борту космических
аппаратов ( К А )
с помощью математического моделирования проанализированы условия
стабильного поддержания в «подвешенном» состоянии «столбика» расплава, располагаемого
между затравкой и смачиваемой расплавом торцевой поверхностью (пластиной), как для случая
полной невесомости, так и для случая наличия микрогравитационных ускорений (до lO'^go),
направленных вдоль и перпендикулярно оси выращиваемого кристалла.
3.
Изучены закономерности смачивания расплавом германия монокристаллических пластин
кремния и расплавом антимонида галлия монокристаллических пластин арсенида галлия.
Величины краевых углов смачивания при осуществлении процессов в вакууме и в атмосфере
чистого инертного газа (аргона) составляют: для расплава германия на кремнии 32° и 34°
соответственно, а для расплава антимонида галлия на арсениде галлия в вакууме - 35°.
4
Применительно к «космическим» установкам «Галлар» (разработка Н И И "НЦ") и
"Полизон" (разработка 'КБОМ) разработаны и изготовлены имитаторы рабочих ампул для
наземной отработки экспериментов, элементы конструкции ампул для проведения космических
экспериментов в контакт1Юм и бесконтактном вариантах. Разработаны методики подготовки
основных и вспомогательных материалов к экспериментам, а также методики сборки рабочих
ампул. Отработана
методика
введения легирующей примеси для получения заданных
22
электрических свойств перекристаллизованных слитков. Разработаны и согласованы с Н И И
«НЦ» и К Б О М комплекты сопроводительной документации.
5.
Применительно
к
установке
«Полизон»
разработана
методика
одновременного
мониторинга распределения температур в расплаве и выращиваемом кристалле, а также на
поверхности кварцевой ампулы и в различных элементах теплового блока в процессе
кристаллизации GaSb методом Бриджмена. Показано, что распределение температур на
поверхности ампулы хорошо коррелирует с распределением температур в системе расплав кристалл, а потому может быть использовано для оптимизации тепловых полей установок типа
«Полизон».
6.
Проведена
наземная
отработка
космических
экспериментов
по
направленной
кристаллизации слитков антимонида галлия диаметром 17 мм и германия диаметром 26 мм на
установках «Полизон» и «Галлар» соответственно. Отработаны режимы, обеспечивающие:
затравление
в
заданном
месте
исходной
заготовки,
стабильность
гладкого
фронта
кристаллизации, а также начальный монокристаллический рост. Показанно, что для успешной
реализации
процесса
1фисталлизации
на
установке
«Галлар»
усредненные
осевые
температурные градиенты в области фронта кристаллизации и скорость роста должны
составлять ~ 13 -15 К/см и ~ 0,47 - 0,5 см/час соответственно, а на установке «Полюон» г 10-20
К/см при скоростях кристаллизации < 0,5 см/час. Проведено исследование структурных
особенностей и электрофизических свойств полученных при наземной отработке образцов
антимонида галлия и германия.
7
Разработана
программа
проведения
полетных
экспериментов
по
бесконтактной
направленной кристаллизации, а также в различных условиях контакта расплава с внутренними
стенками
ампулы,
и
отработаны температурно-временные
режимы
(циклограммы)
их
проведения Изготовлены и переданы для реализации экспериментов в космосе (НИИ «НЦ» и
КБОМ)
по два
комплекта
штатных
и запасных
ампул
для проведения
космических
экспериментов на установке «Полизон» на К А серии «Фотон М » и «Галлар» на ОС «Мир» с
полным комплектом сопроводительной технической документации.
8.
Разработаны оригинальный макет установки и методика выращивания из расплавов
текстурированных слитков термоэлектрического материала на основе BijTes диаметром 30 и
более
мм,
предусматривающая
гравитационную
конвекцию
кристаллизацию
снизу,
что
существенно
в расплаве, приближая условия выращивания
уменьшает
к
условиям
экспериментов па борту К А .
9
Установка позволяет в широком диапазоне варьировать условия кристаллизации за счет
изменения усредненного осевого температурного градиента на фр01гге кристаллизации в
23
диапазоне gradT 25 ч- 90 К/см, скорости перемещения реактора в диапазоне Vp = 0,3 -ь 2,0 см/час,
возможности осевого перемещения водяного холодильника относительно нижнего торца
теплового блока.
10
Изучено
влияние условий роста
термоэлектрические
свойства
слитков
на текстуру,
ТЭМ
однородность, фазовый состав
на основе В12Тез. Выявлено
и
оптимальное
соотношение усредненных осевых температурных градиентов на границе расплав-кристалл и
скорости роста (gradT/ Vp > 155 К*час/см^), обеспечивающее получение близкого к плоскому
гладкого фронта кристаллизации и благоприятной кристаллографической текстуры (110),
определяющей высокие термоэлектрические свойства материала. Полученные результаты
заложены
в
основу
предполагаемой
в
дальнейшем
наземной
отработки
космических
экспериментов по направленной кристаллизации Т Э М на основе В!2Тез.
Приложения содержат копии актов о практическом применении в ряде организаций
результатов, полученных при проведении диссертационной работы, и копии документов о
поставке ампул для проведения космических экспериментов на К А «Фотон-2М».
Основные
результаты
диссертационной
работы
представлены
в
следующих
публикациях.
1.
И.И.
Марончук,
СР.
Сороколет,
Н.В.
Пилипенко, Микромеханические
свойства
бездислокационного GaAs (111) легированного Si., Вестник Х Г Т У . 1998. №1(3). с.7-8.
2
И.И.
Марончук,
А.В.
Картавых,
В.В.Раков,
М.Г
Мильвидский,
Кристаллизация
полупроводников в космосе - проблемы и перспктивы., X X X I V научные чтения, посвященные
разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского., тезисы докладов, Калуга, 1416 сентября 1999г. с.150-151.
3.
А.В. Картавых, Э.С Копелиович, И.И. Марончук, М.Г. Мильвидский М.Г., В.В. Раков.
Ампула для выращивания кристаллов в условиях микрогравитации. // Патент Р Ф № 2143016. К л .
С 30 В 30/08, 13/14 от 20.12.99 г,
4.
А.В. Картавых, Э.С Копелиович, И.И. Марончук, М.Г. Мильвидский М.Г., В.В. Раков.
Способ получения кристаллов // Патент Р Ф X» 2153030. Кл. С 30 В 30/08, 13/00, 11/00 от
20.07.2000 г.
5
И.И Марончук, А.В. Картавых, В.В.Раков, Кристаллизация полупроводников в условиях
микрогравитации Вестник Х Г Т У 3 (9) 2000 с.63-68.
6
VPGinlcin, T.M.Lyulihanova, V.I.Folomeev, I.l.Maronchylc, A.V.Kartavykh, V.V.Rakov,
A V.Egorov Methodical research of thermal fields during crystallization in the "Polyzone" facility by
24
bridgman method // Proc. of 4"* Int. Conf. on Single cryst. growth, Strength problems & Heat Mass
Transfer. Obninsk, Russia, 2001. V.4. P.1003-1009.
7.
LLMaronchyk, V.B.Osvensky, V.V.Rakov, V.T.Bublik, T.V.Sagalova Growth of crystals of
thermoelectric material baset on halkogeniges B i and Sb by method of vertical directed crystallization //
Proc. of 4"* Int. Conf on Single cryst. growth, Strength problems & Heat Mass Transfer. Obninsk,
Russia, 2001. V.2.P.506-511.
8.
V.P.Ginkin, V.I.Foloraeev, T.M.Lyukhanova, V.V.Rakov, I.I.Maronchuk, A.V.Kartavykh,
A.V.Egorov., Method research and developing a method to control directed semiconductor
crystallization in space., J.Cryst-Growth. 2002. V.236. No4.P.551-556.
9.
И.И.Марончук,
В.В.Раков,
Усовер1пенствованная
методика
наземной
отработки
космического эксперимента., X X X V I I научные чтения, посвященные разработке научного
наследия и развитию идей К.Э.Циолковского., тезисы докладов, Калуга, 17-19 сентября 2002г.
с. 152.
10.
И.И.
М^ончук,
М.Г.
Мильвидский,
В.В.
Раков. Выращивание
монокристаллов
антимонида галлия в условиях микрогравитвции методом бесконтактной
направленной
кристаллизации., I I Российская конференция по космическому материаловедению., тезисы
докладов, Калуга, 3-6 июня 2003г.
П.
I.I. Maronchuk, M.G. Mil'vidskii, V.V. Rakov, L.A. Slobozhanin., New method of crystal
growth in microgravity., Proc. of 5"* Int. Conf on Single cryst. growth. Strength problems & Heat Mass
Transfer. Obninsk, Russia, 2(ЮЗ. V.2. P.727-734.
12.
И.И. Габ, И.И. Марончук, В.В. Раков. Смачивание расплавом германия кристаллов
кремния и кристаллов арсенида галлия расплавом антимонида галлия.. Вестник ХГТУ.2(20) 2004
с.4-7
13.
И.И.
Марончук,
М.Г.
Мильвидский, В.В.
антимонида галлия в условиях
Раков.
Выращивание
монокристаллов
микрогравитвции методом бесконтактной
направленной
кристаллизации. Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004.
Хвб. с.28-34.
14.
И.И.Марончук, В.В.Раков, А.С.Сенченков., Бесконтастная направленная кристаллизация.,
X X X I X научные чтения памяти К.Э.Циолковского., тезисы докладов, Калуга, 14 - 16 сентября
2004г. с.198-199.
15.
В.Н.Абрютин,
И.А.Драбкин,
И.И.Марончук,
В.Б.Освенский.,
Измерение
термоэлектрических свойств образцов методом Хармана, ТХ Межгосударственный Семинар
«Термоэлекгрики и их применения», сборник трудов, Ф Т И им. А.Ф. Иоффе Р А Н , СанктПетербург, Россия 16-17 ноября 2004г. 29с.
Принято к исполнению 09/11/2005
Исполнено 10/11/2005
0 0 0 «11-й Ф О Р М А Т » И Н Н 7726330900
Москва, В^шавское ш , 36
(095) 975-78-56
„
(095) 747-64-70
www.autoreferatru
Заказ № 1204
Тираж. 120 экз.
*2Ъ7ЪЬ
РНБ Русский фонд
2006-4
24972
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 149 Кб
Теги
bd000103521
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа