Влияние магнитных полей на течения и тепломассоперенос при выращивании кристаллов из расплава

• Автор: Файзрахманова, Ирина Сергеевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 198 с. : ил.

Глава I
1.1. Введение
1.2. Общая характеристика работы
Глава II Численное исследование влияния магнитных полей на
процесс выращивания кристаллов методом Бриджмена
2.1. Влияние переменного осевого магнитного поля на процесс выращивания кристаллов методом Бриджмена
2.2. Влияние бегущего магнитного поля на процесс выращивания кристаллов методом Бриджмена
Глава III Влияние магнитных полей на течения и
тепломассоперенос в плавающей зоне
3.1. Влияние бегущего магнитного поля на стационарные осесимметричные течения и тепломассоперенос в расплаве при выращивании кристаллов методом плавающей зоны
3.2. Влияние постоянного осевого магнитного поля на термоконцентрационно- капиллярную конвекцию при выращивании кристаллов методом плавающей зоны
3.3. Устойчивость осесимметричных конвективных течений в жидкой зоне и влияние на нее магнитного поля
Заключение
Список литературы
Глава I
1.1 Введение

Методы выращивания кристаллов
Задача тепломассопереиоса в расплаве при выращивании кристаллов в последние десятилетия стала очень актуальной в связи с развитием новых технологий, которые были бы невозможны в отсутствие полупроводниковых монокристаллов. Поскольку для нужд новых технологий нужны кристаллы наилучшего качества, то встал вопрос о том, чтобы улучшать структуру кристалла, влияя на процесс кристаллизации.
Получение монокристаллов полупроводников и целого ряда других материалов, используемых в электронной технике, осуществляют в основном методами, которые разделяются на три группы: кристаллизация из расплава, из твердой или из газовой фазы [1-8]. Данная работа целиком ф посвящена выращиванию кристаллов из расплава.
Кристаллизация применяется не только для непосредственного выращивания кристаллов из расплава, по и для глубокой очистки кристалла от примеси путем кристаллизации. Все методы кристаллизационной очистки основаны на различной растворимости примесных компонент в растворе или расплаве и равновесной с ним твердой фазе вещества. Для глубокой очистки кристаллизация из расплава применяется чаще, чем, например, кристаллизация из раствора, так как в этом случае не происходит дополнительного загрязнения химическими реагентами [8].
Методы выращивания монокристаллов элементарных и сложных веществ из расплава имеют ряд преимуществ. Среди них можно отметить: высокую скорость роста, достаточно хорошую воспроизводимость свойств и возможность получения больших монокристаллов. Однако эта ^ группа методов неприменима для материалов плавящихся инкопгруэнтно, то есть с разложением, или для веществ с фазовым переходом в твердом состоянии. Кроме того, для некоторых веществ, например для оксидов [9], требуется использование достаточно высоких температур, что также ограничивает применение жидкофазных методов.
Скорость роста кристалла во всех случаях определяется двумя факторами: скоростью образования зародышей кристаллизации и скоростью отвода тепла от фронта кристаллизации. Фронтом кристаллизации называется поверхность раздела между жидкой и твердой фазами, на которой происходит фазовый переход. Разумеется, температура на фронте кристаллизации равна температуре плавления для конкретного выращиваемого материала.
Па формирование монокристалла из расплава существенное влияние оказывает и форма фронта кристаллизации, так как рост кристалла всегда происходит в направлении, перпендикулярном фронту кристаллизации. В зависимости от соотношения теплопроводностей жидкой и твердой фаз и материала ампулы, условий нагрева и отвода тепла от расплава и

растущего монокристалла, теплоты фазового перехода, наличия конвективных течений фронт кристаллизации может быть вогнутым как в кристалл, так и в расплав. В обоих случаях возможно формирование неоднородностей примеси, однако плоский или хотя бы выпуклый фронт более предпочтителен, так как в этом случае увеличивается вероятность исчезновения в процессе роста побочных центров кристаллизации. Выращивание монокристаллов может осуществляться как с начальным присутствием монокристаллической «затравки», так и без нее. В последнем случае используют капилляр, который способствует развитию кристаллического зародыша в одном
направлении.
Рис. 1.1.1. Схемы основных методов выращивания кристаллов из расплава. Направленная кристаллизация: а) вертикальный контейнер с линейным профилем температуры вблизи внешней стенки ампулы; б) вертикальный контейнер с тангенциальным профилем температуры вблизи внешней стенки ампулы; в) горизонтальный контейнер кусочно-линейным профилем температуры вблизи внешней стенки ампулы. Вытягивание из расплава: г) метод Чохральского. Выращивание на «пьедестале» д) метод плавающей зоны е) метод Вернейля
Методы выращивания кристаллов из расплава также можно условно разделить на три группы: направленная кристаллизация в контейнере, вытягивание кристалла из расплава и рост крис талла
Т1Ш(^) = Тт + АТ^-2^0),
тшМ = тт +
ДГЛ(2(г-2іп|(0))
(2.1.16)
(2.1.17)
.Ц 2 йіЬ
где гіп| (?) - линейно зависящая от времени осевая координата фронта кристаллизации на стенке
ампулы яіп| (?) = яім0 + К 0?, Д71 - разность температур крышки и дна ампулы АТ = ТІ1-ТС, гш
начальная осевая координата плоского фронта;
- на внутренней стенке ампулы полагается, что вещество и материал ампулы находятся в идеальном тепловом контакте, но потоки тепла через вертикальную границу вещества с ампулой непрерывны:
г = Я :
АГ,

дТ с
' дг
= к„
= К,.

> 1 г

’ .1 а ’
(2.1.18)
(2.1.19)
- на фронте кристаллизации температуры жидкой и твердой фаз совпадают и равны температуре плавления вещества, кроме того на фронте кристаллизации ставится условие баланса потоков тепла, которое с учетом (2.1.10) записывается:

-к.

Тг = т,
(2.1.20)
(2.1.21)
где а', и ху - коэффициенты теплопроводности кристалла и расплава, АН - удельная теплота плавления,
- фиксированная температура на верхнем торце ампулы:
7>=Г*;
(2.1.22)
- фиксированная температура на дне ампулы:
: = 0:
Т. = Т.
(2.1.23)
- на оси симметрии: