автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Выращивание монокристаллов полупроводников методом бестигельной зонной плавки в условиях орбитального космического полета

На правах рукописи УДК 621.315:592.201

КАРТАВЫХ Андрей Валентинович

ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ В УСЛОВИЯХ ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЁТА

Специальность 05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Институте химических проблем микроэлектроники (ИХПМ) Федерального агентства по образованию Российской Федерации.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, Лауреат Ленинской и Государственных премий СССР Мильвидский Михаил Григорьевич

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук, доцент Гончаров Виктор Анатольевич;

доктор технических наук, Заслуженный деятель науки РФ Захаров Борис Георгиевич;

• доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии СССР Освенский Владимир Борисович

Ведущая организация:

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН

Зашита состоится 22 марта 2005 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.120.06 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) по адресу: 119571 Москва, пр. Вернадского 86, ауд. М-119.

Отзывы на автореферат просим присылать на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 119571 Москва, пр. Вернадского 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, М. Пироговская, 1. Автореферат разослан « ¿р-/ » 2005" г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.120.06

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Революция в физике и технике, начавшаяся на рубеже XX века и определяющая сегодня темпы научно-технического прогресса и общественного развития, во многом связана с освоением новых предельных состояний вещества (ядерные трансмутационные реакции, низкие и высокие температуры, низкие и высокие давления). В полной мере это относится к многочисленным направлениям материаловедения - созданию новых, не имеющих природных аналогов материалов с уникальными потребительскими свойствами. Специфическим предельным состоянием вещества, возникающим в условиях орбитального космического полёта, является невесомость (микрогравитация, ng) -механическое состояние среды, в которой сила тяжести отсутствует или её величина очень мала. На рубеже космической эры вправе было ожидать, что одновременная реализация состояния невесомости и экстремальных термодинамических состояний (например, таких, как фазовые переходы) приведёт к обнаружению новых физических эффектов и свойств веществ, недостижимых в «наземных» технологических процессах. Практическая реализация длительной ng на пилотируемых космических объектах СССР и США привела к созданию в начале 70-х гг. прошлого века нового научно-технического направления - космического материаловедения.

В космическом материаловедении существуют направления, в которых использование орбитальных условий наиболее перспективно. С этой точки зрения наибольший интерес представляют процессы получения тех веществ и материалов, к которым предъявляются исключительно высокие требования в отношении их структурного совершенства и однородности (высокотехнологичные, high-tech materials). Особое место среди них занимают монокристаллы (м.к.) полупроводников, получаемые методами длительной кристаллизации из расплавов. Качество подобных материалов в наземных условиях лимитируется, в частности, слабо контролируемым характером турбулентной термогравитационной конвекции в расплавах, температурных напряжений, влияния стенок ростового контейнера.

Космическое материаловедение полупроводников является одним из самых быстроразвивающихся мультидисциплинарных направлений прикладной и фундаментальной науки. За 30 лет оно прошло ряд стадий, связанных с изменением общей идеологии, сменой приоритетов исследований, глубоким изучением физических процессов, протекающих в кристаллизационных системах в условиях микрогравитации.

До начала систематических исследований предполагалось, что снижение на несколько порядков силы тяжести на борту космических аппаратов (КА) приведёт к полному отсутствию (или пренебрежимо малому уровню) гравитационной конвекции, ликвации и седиментации в расплавах, и в итоге - к значительному повышению однородности структуры и свойств синтезируемых веществ, получению материалов с уникальными свойствами. Предполагалось также, что основным режимом тепломассопереноса (ТМП) в расплавах будет легко контролируемый диффузионный режим, теоретически приводящий к однородному распределению легирующих примесей, электрофизических и оптоэлектронных свойств в объёме растущего монокристалла.

В реальности оказалось, однако, что на орбитальных станциях (ОС) и других КА режим полной (теоретической, абсолютной) невесомости реализуется не в полной мере. Бортовые Ц-g приводят к условиям, в которых конвекция в расплаве при росте кристаллов действительно становится малой, но, тем не менее, оказывает существенное влияние на свойства выращиваемых кристаллов. Важнейшим фундаментальным результатом явилось экспериментальное обнаружение (В. С. Земсков с соавторами, 1975-80 гг.) и независимое теоретическое обоснование (В. И. Полежаев с соавторами в СССР в 1974-80 гг., J. I. D. Alexander et al. в США в 198990 гг.) эффектов максимума температурного и концентрационного расслоения жидкости (расплава) в замкнутом объёме реактора под действием микрогравитационных сил. Влияние микроускорений и связанного с ними гидродинамического фактора на рост кристаллов и их свойства становится одной из приоритетных проблем космического материаловедения.

Необходимость минимизации воздействия неконтролируемых микрогравитационных факторов на орбитальные технологические процессы привела к созданию специализированных беспилотных космических аппаратов (free-flyers) серии Фотон, программа целевых запусков которых начата в СССР в 1985 г. и продолжается в России до настоящего времени. На борту этих спутников-автоматов впервые достигнут устойчивый уровень от земного значения что

обеспечило возможность воспроизводимого осуществления на орбите длительных процессов роста монокристаллов полупроводников методом бестигельной зонной плавки (БЗП). Бесконтейнерные кристаллизационные процессы в среде «высококачественной» \xg такого порядка величины происходят под действием негравитационных механизмов конвекции в расплаве. Преимущественно это капиллярная конвекция Марангони, вызываемая силами поверхностного натяжения и создающая принципиально новую кристаллизационную ситуацию, практически неизученную в земных условиях. Управление капиллярными видами конвекции чрезвычайно сложно, оно во многом определяется физико-химическими свойствами расплава и легирующих примесей, поверхностной активностью компонентов и её температурной зависимостью. Добавим, что получение монокристаллов полупроводников (за исключением Si) методом БЗП в земных условиях невозможно именно ввиду гравитационных ограничений фундаментального характера, которые полностью снимаются в состоянии невесомости. Именно на орбите были впервые получены бестигельным методом, а затем детально охарактеризованы монокристаллы Ge, InSb, GaSb, GaAs и твёрдых растворов на их основе. Таким образом, новые знания, получаемые при проведении космических экспериментов в этой области, имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Исследования БЗП в условиях микрогравитации интенсивно ведутся с использованием различных орбитальных носителей (fxg-платформ) в США, странах Евросоюза и Японии.

Научно-исследовательская группа ИХПМ/Гиредмет, реорганизованная в 1997 г. в Отдел космического материаловедения Института химических проблем

микроэлектроники, занимается проблемами получения монокристаллов полупроводников в условиях микрогравитации с 1972 г. Диссертанту довелось долгие годы работать в этом коллективе. Основной целью исследовательских работ Отдела является целенаправленное использование факторов космического полёта (прежде всего, микрогравитации как специфической технологической среды) для разработки технологий получения монокристаллов полупроводников с уникальной однородностью распределения электрофизических свойств и высоким структурным совершенством. В период 1985-98 гг. сотрудниками ИХПМ/Гиредмет совместно со специализированными организациями Главкосмоса/РКА были подготовлены и поставлены на борту КА Фотон-1,2,3,4,5,6,11 и ОС Мир 42 целевых эксперимента по выращиванию монокристаллов Ge и GaSb с различными видами, типами и уровнями легирования. Полученные образцы, а также уникальный банк данных по технологическим режимам кристаллизации, созданный в результате проведения орбитальных и контрольных наземных ростовых процессов, послужили надёжным, статистически достоверным экспериментальным базисом для материаловедческих исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы.

Необходимым условием для корректного описания и моделирования орбитальных кристаллизационных процессов, влияния реального фона на формирование композиционной (кристаллохимической, примесной)

неоднородности «космических» монокристаллов является детальное знание амплитудно-частотных и векторных характеристик микроускорений, существующих на борту орбитального носителя. В 2001-2003 гг. была создана и опубликована полная баллистическая модель орбитального движения КА Фотон-11,12, подтверждающая идентичность микрогравитационной обстановки на борту спутников этой серии (В. В. Сазонов, М. В. Волков, В. И. Абрашкин и др.).

Наконец, третьим необходимым слагаемым для достижения целей, поставленных в работе, было тесное сотрудничество автора с ведущими Российскими коллективами специалистов в области вычислительной математики, численного и физического моделирования процессов кристаллизации и ТМП в конденсированных средах.

Целью диссертационной работы является развитие научно-прикладного направления космического материаловедения, связанного с экспериментально-теоретическим исследованием и оптимизацией процессов бестигельной зонной кристаллизации, роста и легирования монокристаллов элементарных полупроводников и соединений А3В5 из расплавов в условиях орбитального космического полёта. При этом решались следующие задачи:

- Анализ динамики орбитального полёта КА серии Фотон, ОС Мир и определение ключевых особенностей микрогравитационной обстановки на их борту, оказывающих существенное влияние на гидродинамику расплава и ростовой процесс;

- Разработка и применение неразрушающих методов исследования электрофизической и примесной неоднородности монокристаллов высокочистого Ge, Ge(Sb), Ge(Ga) и GaSb(Te) с высоким пространственным разрешением;

- Разработка и применение математико-статистических методов сравнительного (перекрёстного) анализа численных измерительных массивов, позволяющих извлекать максимальную информацию о тонкой структуре неоднородности в кристаллах, её периодичности и источниках (причинах) её возникновения;

- Выяснение полной физической картины роста монокристаллов из расплавов методом БЗП в условиях микрогравитации, преобладающих механизмов формирования примесной неоднородности и их связи с техногенными и фундаментальными факторами орбитального полёта;

- Создание сопряжённых математических моделей кристаллизации/ тепломассопереноса в расплаве в условиях преобладания негравитационных видов конвекции, позволяющих непротиворечиво описать экспериментальные данные;

- Выбор, экспериментальное наземное и орбитальное опробование методов управления распределением примесей и структурных дефектов в выращиваемых монокристаллах в условиях микрогравитации;

- Оценка преимуществ микрогравитации как технологической среды, возможности

и перспектив использования полученных экспериментальных и теоретических результатов для развития «наземных» технологий выращивания монокристаллов полупроводников.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

1. Впервые в космическом материаловедении применён принцип совместного анализа фурье-спектров неоднородности монокристаллов и параметров нестационарных внешних физических воздействий на расплав в процессе роста.

2. Экспериментально оценены толерантные границы уровня микрогравитационного фона для процессов роста высокооднородных легированных монокристаллов полупроводников методом БЗП на борту орбитальной станции Мир.

3. Исследованы эффекты влияния регулярных и «случайных» микроускорений на формообразование и неоднородность монокристаллов, выращенных методом БЗП на борту КА серии Фотон, в зависимости от вариаций величины и направления вектора Выявлены основные структурные типы периодической примесной микро-неоднородности в монокристаллах Ое(Оа) и Оа8Ъ(Те), охарактеризованы их величина, пространственный период (частота повторяемости), условия возникновения и техногенные источники.

4. Изучен фундаментальный эффект дифференциации гидродинамических режимов в центральных и приповерхностных областях расплавленной зоны в условиях преобладающей капиллярной конвекции, приводящий к формированию специфической осесимметричной макроскопической неоднородности распределения примесей Оа и 8Ъ в поперечном сечении «космических» монокристаллов Ое.

5. Обнаружен и численно охарактеризован эффект аномального распределения поверхностно-активной примеси Оа по длине "космических" монокристаллов Ое, обусловленный взаимодействием термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони в расплаве. Создана математическая модель, описывающая гидродинамику расплава и механизм такого взаимодействия.

6. Предсказан эффект значительного увеличения интегральной вязкости расплава в пределах переходного (пограничного) слоя у фронта кристаллизации в «космических» процессах БЗП. Выдвинута и обоснована гипотеза равновесной структуризации (кластерообразования) в расплавах в условиях невесомости при температурах, близких к температуре фазового перехода. Создана и протестирована гидродинамическая модель тепломассопереноса, впервые учитывающая образование кластерных ассоциатов вблизи межфазной границы.

7. Введено понятие и предложен принцип расчёта «коэффициента микрогравитационной чувствительности» (Кз) для легированных кристаллизационных систем. Показано, что величина неоднородности распределения свойств в объёме растущего кристалла при прочих равных условиях, включая равную интенсивность воздействий переменных внешних сил на расплав, существенным образом зависит от природы легирующей примеси. Произведён расчёт К8 для основных легирующих примесей в ве и 81.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработана неразрушающая методика сканирующего измерения удельного сопротивления и концентрации носителей заряда в монокристаллах 81, ве и п-ва8Ь, обладающая высокой разрешающей способностью и уникальной воспроизводимостью.

2. Разработаны методики, компьютерные алгоритмы и программы фурье-преобразования и дисперсионного анализа дискретных численных массивов данных измерений (регистрограмм неоднородности). В итоге, в реальном кристалле могут быть выявлены, разделены и оценены по величине относительного вклада составляющие с различным периодом (частотой) осцилляций удельного сопротивления (концентрации примеси) вдоль любого направления сканирования.

3. Определены основные техногенные и фундаментальные факторы и механизмы их воздействия на ростовой процесс и однородность легирования монокристалла

в условиях реальной микрогравитации на борту космического аппарата. Установлены условия и экспериментально доказана возможность получения на орбите легированных монокристаллов с неоднородностью распределения электрофизических свойств й 1.5%, недостижимой на Земле при использовании металлургических методов легирования. Полученные образцы «космических» легированных монокристаллов п- и р-типов используются в качестве эталонов удельного сопротивления и микро-однородности при верификации, калибровке и отладке прецизионного измерительного оборудования.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность получения методом орбитальной бестигельной зонной плавки монокристаллов Ое и Оя8Ъ с плотностью дислокаций

5. Разработана математическая модель кристаллизации в условиях взаимодействующих термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони. Модель применяется для численного исследования наземных кристаллизационных процессов, имеющих свободную поверхность расплава, например, горизонтальной направленной и зонной кристаллизации в открытом контейнере-лодочке.

6. Созданная гидродинамическая модель ТМП с учётом кластерообразования в пограничных слоях расплавов универсальна и применима для численных исследований процессов, протекающих с различной интенсивностью конвекции, в том числе наземной зонной плавки и направленной кристаллизации.

7. Обоснована перспективность контролируемого внешнего воздействия на процессы ТМП в расплаве с учётом нестабильной микрогравитационной обстановки на борту космического аппарата. В наземных условиях доказана эффективность слабого ротационного полевого МГД-воздействия для улучшения электрофизической однородности растущего монокристалла, особенно при получении высокочистого (а реально — компенсированного остаточными примесями) материала с высоким удельным сопротивлением.

8. Экспериментально продемонстрирована перспективность герметизации

свободной поверхности расплава нерастворимой оксидной плёнкой для подавления капиллярных видов конвекции в наземных условиях и на орбите при БЗП ва8Ь(Те).

Практические результаты диссертационной работы используются в ОАО Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва, УП «Белмикросистемы» НПО «Интеграл» (г. Минск, Республика Беларусь), ГНЦ РФ «Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского», ГНЦ РФ «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ОАО «Корпорация КЕПП» и ООО «Центр теплофизических исследований ТЕРМ О», что подтверждено приложенными актами.

На защиту выносятся следующие результаты и научные положения:

1. Анализ технологических возможностей КА серии Фотон и специализированной аппаратуры зонной плавки Зона-4 с учётом реальной микрогравитационной обстановки при проведении процессов БЗП в космосе.

2. Разработанная сканирующая методика измерения сопротивления растекания, её возможности и показатели точности при исследовании монокристаллов ве и п-ва8Ь. Разработанные алгоритмы численного фурье- и дисперсионного анализа конечных нестационарных последовательностей и результаты их применения к исследованию неоднородности легированных монокристаллов полупроводников.

3. Результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования примесной неоднородности в «космических» кристаллах, в том числе:

- оценка толерантного уровня общего ^-фона для БЗП, выполненная на борту орбитальной станции Мир;

- эффекты влияния периодических и импульсных техногенных микроускорений на рост и электрофизическую неоднородность м.к. ве на борту КА серии Фотон;

- основные спектральные типы (квази-)периодических техногенных микроускорений, источники и причины их возникновения на борту спутников типаФотон;

- механизм влияния доминирующей конвекции Марангони на радиальную неоднородность распределения примесей в монокристаллах Ge и GaSb;

- обнаруженные зависимости коэффициента распределения и толщины прифронтовых погранслоёв от концентрации примеси в расплаве, обусловленные взаимодействием термо- и концентрационной компонент конвекции Марангони и приводящие к фундаментальным аномальным отклонениям от пфанновского профиля легирования в монокристаллах Ge(Ga);

4. Разработанная математическая модель взаимодействия термо- и концентрационно-капиллярной конвекции (ТКК и ККК) в расплавленной зоне при БЗП в условиях невесомости и полученные с её помощью расчётные результаты и прогнозы.

5. Разработанная кластерная модель структуры расплавов в погранслое и её гидродинамическое описание при моделировании процессов кристаллизации полупроводников в космосе.

6. Методы управления распределением примесей и структурных дефектов в монокристаллах при росте в полях неконтролируемых микроускорений, и полученные при их применении результаты. В том числе:

- разработанный метод оценки микрогравитационной чувствительности легированных ростовых систем, учёта физико-химических свойств и выбора примесей для получения кристаллов с наивысшей однородностью легирования;

- результаты применения слабых ротационных магнитных полей при росте кристаллов методом зонной плавки;

- эффекты улучшения примесной и структурной однородности монокристаллов GaSb(Te), выращенных при нанесении инертных плёнок на поверхность расплава.

Личный вклад автора. Основные исследования выполнены лично диссертантом в

ИХПМ в период 1992-2004 гг. В работе автор использовал уникальный

экспериментальный задел в виде 27 образцов реальных монокристаллов и банка

данных по технологическим режимам орбитальной кристаллизации, полученных с участием зав. Отделом космического материаловедения ИХПМ, Лауреата Государственной премии СССР В.В. Ракова и с.н.с. |Э.С. Копелиович) в 1985-98 гг. на борту КА Фотон-1,2,3,4,5,6,11 и орбитального комплекса Мир при выполнении ряда Государственных и Федеральных целевых научных программ СССР и Российской Федерации.

Физическое и математическое моделирование процессов тепломассопереноса в расплавленной зоне выполнено диссертантом в сотрудничестве с А.И. Простомолотовым и Н.А. Верезуб (ИПМех РАН); В.П. Гинкиным и В.К. Артемьевым (ГНЦ РФ ФЭИ) в рамках ряда совместных научных проектов. Степень личного участия автора состояла в постановке задач; определении геометрии области расчёта; формулировке и последующей коррекции исходной расчётной модели, расчетных приближений, допущений, ограничений, граничных условий; контроле и интерпретации промежуточных результатов счёта по критериям соответствия экспериментальным данным; интерпретации результатов численных исследований применительно к реальным ростовым процессам и космическим экспериментам с позиций материаловедения полупроводников.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором в ходе выполнения следующих научно-технических и исследовательских проектов, и при финансовой поддержке следующих грантов:

• Кристаллизация расплавов полупроводников в космосе. Грант РКА-NASA в рамках совместной программы KHTC/STAC «Наука-NASA», контракт NAS15-10110, код проекта ТМ-6. (Диссертант - ответственный исполнитель проекта);

• Микронеоднородность и формообразование при кристаллизации полупроводников из расплавов в космосе. Грант Министерства науки и технологий РФ № 101-14(00)-П/105-КМ. (Руководитель проекта);

• Совместного проекта ИХПМ и Honeywell Inc., США Advanced Materials Growth in Microgravity: Carbon Nanotubes, Semiconductors andAdvancedNanocomposites.

Грант NASA: NAS PS32-G (NRA-98-HEDS-05). (Исполнитель); • Эффекты структурного упорядочения расплавов в области фазового перехода при росте легированных монокристаллов полупроводников в условиях микрогравитации. Грант РФФИ 03-02-16282. (Руководитель проекта). Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих международных и национальных конференциях и симпозиумах: 2nd and 3rd Annual STAC Symposiums (Королёв, Россия, 1996 и Huntsville, USA, 1997); Joint Xth European and VIth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity (Санкт-Петербург, 1997); IV и IX Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-97 и ПЭМ-2004)" (Геленджик, 1997 и 2004); 3rd International Conference on Single crystal growth, Strength problems & Heat Mass Transfer (Обнинск, 1999); I и II Российских конференциях по космическому материаловедению (Калуга, 1999 и 2003); International Conference "Scientific and Technological Experiments on Russian Foton/Bion Recoverable Satellites: Results, Problems and Outlooks" (Самара, 2000); NASA Microgravity Materials Science Conference (Huntsville, USA, 2000); 1st International Symposium on Microgravity Research & Application in Physical Sciences & Biotechnology (Sorrento, Italy, 2000); International Conference on Solid State Crystals - Materials Science and Applications (Zakopane, Poland, 2000); IX и XI Национальных конференциях по росту кристаллов «НКРК 2000 и 2004» (Москва, 2000 и 2004); 13th and 14th International Conferences on Crystal Growth "ICCG-13" and "ICCG-14" (Kyoto, Japan, 2001 and Grenoble, France, 2004); 4th and 5th International Conferences on Single Crystal Growth & Heat Mass Transfer "ICSC-2001 & 2003" (Обнинск, 2001 и 2003), International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer "CHT-04" (Midnatsol-cruise, Norway, 2004).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и приложений. Объём диссертации 366 страниц, включая 144 рисунка, 17 таблиц и библиографию из 220 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, изложены цели диссертационной работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту. Даётся информация о структуре диссертации. Приведён список опубликованных работ автора по теме диссертации.

В первой главе кратко охарактеризованы основные этапы становления и развития космического материаловедения полупроводников как самостоятельного мультидисциплинарного научно-технического направления, лежащего на стыке технологии, физики полупроводников и гидромеханики конденсированных сред. Дан общий анализ современного состояния исследований. Особо отмечена программа полётных миссий спутников Фотон как важнейший этап развития космического материаловедения и науки о микрогравитации в целом.

Вторая глава посвящена анализу литературных данных о важнейших особенностях процессов кристаллизации из расплавов на борту КА. В разделе 2.1 вводятся термины микрогравитации и микроускорений, рассматриваются общие для всех КА черты бортового микрогравитационного фона. Показано, что в реальных условиях космического полета существует многофакторная система неконтролируемых воздействий на ТМП в расплаве, которая сегодня не поддаётся строгому математическому моделированию и прогнозу. В разделе 2.2 даётся классификация и общий анализ основных конвективных процессов в условиях микрогравитации, приводящих к существованию слабых (медленных) слоистых ламинарных конвективных потоков. При рассмотрении остаточной гравитационной конвекции особое внимание уделено эффектам максимумов концентрационного и теплового расслоения расплава при числах Рэлея Кас~10-5-50 и соответственно. Подробно анализируется важнейшая для БЗП негравитационная конвекция Марангони с её термальной и концентрационной компонентами. Рассмотрены работы профессора В. С. Юферева по конвекции, вызванной силами Кориолиса. Дан анализ публикаций по виброконвекции и

отмечено существование пороговой частоты отсечки, выше которой вибрация заметно не влияет на ТМП. В разделе 2.3 рассматривается связь конвективных процессов в расплаве с формированием неоднородности распределения примеси в монокристаллах, выращенных методом БЗП. Преимущественно это зарубежные данные, полученные при проведении экспериментов с Si(P, Sb, Ga) в оптических эллипсоидных печах типа ELLI на борту зондовых ракет TEXUS и TR-IA. Высокий осевой градиент температуры (~150 К/см и более), высокая скорость перемещения расплавленной зоны (4 мм/мин) малый диаметр образца (8 мм) и короткое состояние (около 6 мин.) - эти параметры принципиально отличаются от условий проведения экспериментов на отечественной установке Зона-4 и борту КА Фотон. Они приводят к абсолютному доминированию термокапиллярной конвекции (ТКК) в объёме расплавленной зоны (число Марангони Мат = 1700-5-15000). При превышении критического порога в соответствии с эмпирической

зависимостью по различным данным)

ТКК переходит в нестационарный (time-depended) режим с пульсациями скорости омывающих фронт кристаллизации потоков и формированием выраженной примесной слоистой неоднородности в растущих кристаллах, причём ширина полос и частота их следования достаточно чётко коррелируют с величиной Мат. Раздел 2.4 посвящён способам подавления неконтролируемых видов конвекции и улучшения однородности монокристаллов, растущих в условиях Один из них -

использование виброзащитных платформ (ВП). Общий недостаток всех существующих ВП - низкая эффективность виброизоляции в низкочастотной (< 5 Гц) области колебаний ng. Более эффективным инструментом являются магнитогидродинамические (МГД-) воздействия на расплав. Применение статических аксиальных магнитных полей подробно изучено в Германии (K.W. Benz, P. Dold et al.) с использованием печи ELLI на примере подавления ТКК, доминирующей в расплаве Si в земных условиях при Однако,

использование статических полей не оправдывает аппаратурных сложностей применения и больших энергозатрат, что особенно проблемно при слабой бортовой

энергетике КА. Более того, отмечены побочные явления: 1) формирование N образного радиального профиля распределения примеси в кристалле при наложении полей с индукцией В=0.1+1 Т; 2) спонтанное и непредсказуемое возникновение нестационарной термоэлектромагнитной конвекции (ТЕМС) в расплаве, приводящей к специфической слоистой микросегрегации примесей в кристалле в сильных полях, В=1*5 Т. От этих недостатков свободны результаты применения переменных ротационных магнитных полей (РМП). В зависимости от значения магнитного критерия Тейлора (Та) установлены 3 гидродинамических режима в зоне расплава при Мат«3000: режим преобладающей термокапиллярной конвекции при Та£104, переходный (Та=104-з-105) и режим превалирующей МГД-конвекции Лорентца-Тейпора (Та£ 105). В последнем случае нестационарные потоки ТКК в значительной степени подавлены. Оптимальный режим ТМП со слабыми высокочастотными колебаниями температуры в диапазоне К был достигнут

при В=33 мТ и частоте вращения поля 50 Гц. Эксперименты по кристаллизации CdTe и СёТео^еол на борту КА Фотон-7,8 с применением РМП, выполненные специалистами КБОМ (И. В. Бармин, А. В. Егоров, А. С. Сенченков и др.) на оборудовании Зона-4, в целом подтверждают справедливость выводов немецких коллег. При этом увеличение частоты поля до 400 Гц позволило снизить величину индукции до 2 мТ с сохранением положительного гомогенизирующего эффекта и экономией бортового энергопотребления. Таким образом, применение РМП является мощным и универсальным приёмом оптимизации процессов тепломассопереноса в расплавленной зоне, особенно в конфигурации зонной плавки (ЗП) и в условиях микрогравитации.

В третьей главе рассмотрены орбитальные носители и ростовое оборудование для космических экспериментов. Приводятся технические и эксплуатационные характеристики КА типа Фотон. На орбите на борту спутника в основном действуют хаотично меняющиеся микроускорения но существуют и

(квази-)периодические инфранизкочастотные составляющие с амплитудой

и периодами мин. (полупериод орбитального обращения) и мин.

(прецессия Эйлера относительно собственного центра масс). Показано, что jig-обстановка на Фотонах наилучшая среди следующих КА: Space Shuttle, Мир, МКС и близка к таковой на борту КА EURECA. Ростовая установка космического базирования Зона-4 разработана в ТЦ Сплав Конструкторского бюро общего машиностроения (КБОМ). Это резистивная электровакуумная печь, позволяющая проводить в автоматическом режиме зонную плавку материалов с Тпя = 400+1200 0С (Ge, GaSb, InSb и др.) со скоростями 0.15+15 мм/ч, оборудованная индуктором ротационного магнитного поля. Максимальные размеры обрабатываемого полупроводникового цилиндрического образца составляют DxL = 25 мм х110 мм.

В четвёртой главе разрабатываются методики исследования примесной однородности выращенных кристаллов. Раздел 4.1 посвящён методу измерения сопротивления растекания Метод реализован на базе автоматического

измерительного комплекса ASR-J00C (Solid State Measurements, США), стандартов ASTM F525, F672, F674 и имеет следующие показатели: максимальная линейная разрешающая способность - 5 мкм при дискретном сканировании; возможность исследования Si и Ge любого типа проводимости без ограничений по удельному сопротивлению возможность исследования GaSb только электронного типа проводимости, в диапазоне р=(2+6)х10"3 Ом-см (т.е., П=3х10|7+1х1018 см"3). Для Si и Ge, помимо р определяется концентрация свободных носителей заряда (п, р). Минимальная неоднородность или р, регистрируемая вдоль линии

сканирования, равна 0.7 % по среднеквадратичному отклонению (standard deviation, StD). В разделе 4.2 разработана методика фурье-анализа регистрограмм неоднородности. Неприменимость строгого функционального фурье-разложения обусловлена тем, что типичный измерительный массив является финитной (конечной) дискретной последовательностью малого объёма (не более 1000 единичных измерений). Реализован и протестирован на модельных функциях вариант численного гармонического фурье-анализа с использованием автокорреляционной функции и спектрального окна Бартлета, оформленный в виде программного пакета в среде BASIC-VECTRA:

Здесь \а —1-т/т - спектральное окно с длиной усечения m; т - частотный сдвиг; 0<т<т; C0j=(27t/m)j; j=0,1,2.. .т/2;

N-т (=i

(2)

- автокорреляционная функция, вычисляемая по выборке объёмом N из экспериментального измерительного массива X(t) после удаления из него неслучайного (закономерного) тренда. В результате неоднородность распределения параметра Х(1) (X = р, п или р) описывается спектром значений относительных вкладов присутствующих гармоник С^2, а^,..., О-^ для последовательности их частот 0>1, Ш2,..., СО^ (или периодов Ти Т2,..., 1)), причём показано, что пороговым критерием значимости спектрального пика о/ является 70%-ное его превышение над уровнем фона. В разделе 4.3 разработан дисперсионный анализ регистрограмм неоднородности, представляющий особый интерес в случае, когда из всех воздействий на систему «расплав-кристалл» доминируют два независимых, постоянно действующих фактора, имеющих различную природу. Тогда совокупность единичных отсчетов будет образована смешением двух подмножеств с разными статистическими параметрами, и при анализе плотности вероятности будет выглядеть как «двухвершинная» кривая - суперпозиция двух распределений Гаусса:

При разделении двух пиков, заданных аналитически, возможно определение для каждого из них средней величины р, его дисперсии СТ и 81Б, характеризующих влияние каждого из двух независимых факторов по отдельности.

Пятая глава посвящена развитию концепции подготовки и проведения космических ростовых экспериментов. В разделе 5.1 поэтапно описана общая схема организации орбитального эксперимента, обеспечивающая максимальную его

информативность. В разделе 5.2 представлены основные критерии выбора кристаллизационной системы и исследуемых материалов. Обосновывается выбор Ge и GaSb. Приведены важнейшие физико-химические свойства их расплавов вблизи Тщ|. В разделе 5.3 метод БЗП характеризуется как более перспективный для применения в состоянии микрогравитации в сравнении с методом Бриджмена по следующим позициям: 1) универсальность для широкого круга материалов; 2) отсутствие контакта расплава с контейнером; 3) максимальная тепловая эффективность; 3) технологическая гибкость; 4) возможность исследования фундаментальных негравитационных видов конвекции; 5) меньшая чувствительность к термогравитационному расслоению; 6) простота аппаратурного оформления; 7) неизменность геометрии жидкой зоны и связанные с этим преимущества для математического моделирования. Раздел 5.4 посвящён наземной экспериментальной отработке космических экспериментов по БЗП Ge и GaSb. Выбран горизонтальный вариант зонной плавки в контейнере, обеспечивающий в наземных условиях существование свободной поверхности расплава. Проведена первичная наземная отработка, а затем физическое моделирование процесса в прозрачной среде позволившее экспериментально исследовать

макронеоднородность и флуктуационные микронеоднородности температурного поля, теплоперенос и конвективные потоки в расплавленной зоне. После коррекции режимов кристаллизации по данным физической модели, составлена полная циклограмма зонной плавки и выполнена итоговая серия ростовых процессов, позволившая получить наземные (reference) кристаллы-аналоги. При их исследовании впервые предложен и реализован принцип построения обобщённой диаграммы неоднородности, позволяющий однозначно выявить эффекты дифференциации ростовых условий в приповерхностной области и основном объёме кристалла. Удалось достигнуть в приповерхностных областях расплава Ge (вплоть до глубины ~4 мм) режима доминирования капиллярной конвекции (КК), приводящего к специфической структуре неоднородности в сопряжённой области растущего кристалла. Судя по структуре фурье-спектра, структура потоков в этих

областях в первом приближении аналогична таковой для «космических» условий.

Шестая глава является центральной в работе и посвящена экспериментальным исследованиям процессов формирования примесной неоднородности в «космических» кристаллах. В разделе 6.1 исследуется влияние техногенных ^ на рост и электрофизическую неоднородность монокристаллов Ое. При проведении экспериментов по методике частичного кольцевого (приповерхностного) оплавления исходной монокристаллической заготовки на борту ОС Мир определён допустимый уровень -фона для воспроизводимого получения кристаллов с однородными свойствами. Показано, что минимальный реально достижимый уровень 6-г2.5-10"5)£о на борту модуля Кристалл недостаточен для исключения нестационарной вынужденной конвекции в расплаве. Толерантный уровень оценен как что хорошо согласуется с данными В. С. Земскова,

полученными на КА Салют-6-Союз и А. N. Danilewsky на КА EURECA. Сформулировано необходимое условие формирования осевой композиционной периодичности в растущем м.к. - цикличность годографа проекции вектора ^ в любой плоскости, перпендикулярной фронту кристаллизации. Это впервые подтверждено обнаружением в двух кристаллах, выращенных на КА Фотон-3 и -5 распределения р, описываемого циклоидой, соответствующей 9-минутному периоду колебаний в результате установившейся прецессии Эйлера. В экспериментах на Фотонах показано, что: импульсные микроускорения порядка (6-г-8)х10"2§о приводят

к разрыву расплавленной зоны при БЗП; длительно действующие (^-Ю'3^ - к искажению формы растущего кристалла; ^~(10*4-;-10"5)§о влияют на однородность распределения легирующей примеси и электрофизических свойств в его объёме (см. таблицу). В разделе 6.2 рассмотрено влияние конвекции Марангони на радиальную и осевую примесную неоднородность монокристаллов Ое(Оа) и Ое(8Ъ). Показано, что: благодаря КК происходит более интенсивное перемешивание в приповерхностной области расплава по сравнению с его основным объёмом, и это способствует формированию выпуклого в расплав фронта кристаллизации; значения кзф и стационарная концентрация 8Ъ в этих областях кристалла различаются

Таблица. Классификация и генезис структурных типов примесной периодичности, выявленной в продольных сечениях орбитальных монокристаллов Ge(Ga) и GaSb(Te)

методом гармонического фурье-анализа.

№ п/п Период микро-неоднородяости, мкм Конвертировании! частота с учётом средней скорости кристаллизации, Гц Техногенный источник (причина формировании) неоднородности Примечания

1 ж 4000 (З.в+З.тио-1 (удвоенная частота обращения спутника вокруг Земли) Прохождение КА Фотон через экстремумы (перигей и апогей) эллиптической орбиты Фотон-3, InSb(Te), по данным B.C. Земскова с соавт.

2 825 770 1.72x10'3 1.83х10'3 Маятниковые эволюции КА Фотом относительно собственной оси Фотон-5 Фотон-3, Ge(Ga), настоящая работа

3 «1000 350 (330) 250 170(140) » 1.25х10"3 (3.6*3.8)х10-3 5.0х10"3 (7.4+8.9)х10'3 Собственный электромеханический привод движения ампулы с образцом в ростовой аппаратуре Зона-4 В орбитальных и «земных» кристаллах Ge(Ga), GaSb(Te), настоящая работа

4 890 1.4x10'3 Привод параллельно работающей в КА аппаратуры Сплав Ge(Ga), в настоящей работе

5 40 »0.03 Источник не идентифицирован Ge(Ga), только в орбитальных кристаллах, в настоящей работе

на 5-6 %, а сам кэф«в 2 раза выше, чем в аналогичных процессах на Земле; толщина погранслоя 5 согласно теории Пфанна-Бартона-Слихтера равна 0.57 и 0.54 см в центре и на периферии межфазной границы, соответственно; процесс установления стационарного режима кристаллизации в космосе длителен и составляет ~45 мин. после начала движения зоны. В разделе 6.3 экспериментально и теоретически изучен механизм взаимодействия терме- и концентрационной компонент КК и связанный с этим феномен аномального легирования. Исследовано распределение галлия в 9 монокристаллах Ое, выращенных в одинаковых внешних тепловых условиях на борту 5 спутников Фотон из расплавов, легированных в диапазоне С* от 1x10" ДО 1x10го ат/см3. Впервые выявлена отрицательная логарифмическая концентрационная зависимость кэфв пределах 0.16-И).089 (рис. 1), что соответствует изменению 5 ОТ -0.5 ДО —0.1 СМ. Зависимости 5,кЭф=:В[Сж) не имеют земных аналогов

к

о

0.08

0.16

0.14

0.12

0.10

а

' 1 '

J-1-1-1_I_I_1—1—1

ю18

2 3 4 5

1019

2 3 4 5 1020 Сж, ат/см3

Рис.1. Экспериментальные зависимости значений эффективного коэффициента распределения йа от его концентрации в расплаве йе: А - для «земных» контрольных монокристаллов; ° - для монокристаллов, выращенных методом БЗП в космосе со скоростью 7 мм/ч; • - для «космических» кристаллов, выращенных со скоростью 5 мм/ч.

и приводят к аномальному отклонению от «земного» (пфанновского) профиля легирования по длине кристаллов. Механизм наблюдающихся эффектов выявлен в результате численных исследований в рамках математической модели, созданной на основе уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска в условиях невесомости. Реализован пространственно-временной алгоритм расчёта (см. пример на рис.2), показавший, что: 1) при движении расплавленной зоны вблизи её центра формируется гидродинамическая граница с нулевой скоростью потоков, устойчивая в условиях слабой термокапиллярной конвекции и параллельная фронтам

кристаллизации/плавления; 2) массоперенос через эту границу на начальной стадии БЗП затруднён; 3) перепад концентрации поверхностно-активной примеси, возрастающий по мере движения зоны на этой границе, инициирует развитие концентрационной (воШа!) конвекции Марангони (Мас~15000 при Сд~1018 ат/см3), увеличение интенсивности которой в зависимости от нарастающего легирования зоны приводит к непрерывному снижению величины кэф; 4) результирующее распределение полей концентрации в расплавленной зоне и кристалле, а также величина эффективного параметра 5 определяются степенью «размытия»

Рис.2. Результаты численного моделирования взаимодействия термо- и концентрационно-капиллярной конвекции для процесса БЗП Ge в невесомости, данные в rz-геометрии. Распределение примеси Ga в зоне расплава в разные моменты времени от начала кристаллизации: спустя 50 (а), 70 (б), 100 (в) и 150 (г) секунд. Фронт кристаллизации находится в сечении z = 0, фронт плавления - в сечении z = 1. Исходная концентрация Ga в расплаве при t = 0 принята равной Со= Ю18 ат/см3.

остаточной концентрационной "ступеньки" при взаимодействии вихрей ТКК и ККК; 5) для полного количественного совпадения опытных и расчётных зависимостей необходимо предположить, что вязкость расплава в предкристаллизационном слое, ограниченном изотермами существенно возрастает.

В седьмой главе формулируется гипотеза равновесной структуризации (кластерирования) расплавов вблизи температуры фазового перехода в условиях невесомости, объясняющая сильную температурную зависимость вязкости в узком прифронтовом слое. В разделе 7.1 дан анализ современных представлений о процессах структурной самоорганизации расплавов вблизи температуры плавления, в том числе в области вблизи фазовой границы при выращивании монокристаллов полупроводников. Приведены литературные данные, подтверждающие существование упорядоченных многоатомных ростовых единиц (кластеров) в расплавах в условиях, близких к равновесной кристаллизации. Обоснована перспективность исследований процессов кластерообразования в расплавах в условиях В разделе 7.2 предложена математическая модель конвективного тепломассопереноса, включающая уравнения гидродинамики, переноса примеси и конвективного течения в переходной области. Свойства материалов и температура в модели представлены как однозначные функции энтальпии. Структурное состояние расплава вблизи фронта кристаллизации впервые связывается с наличием кластерных образований, вызывающих сопротивление течению. Сопротивление описывается введением коэффициента двухфазности среды, зависящего от значения энтальпии в выделенном микрообъеме. Демонстрируются результаты тестирования модели на примере описания реальных орбитальных и наземных процессов выращивания монокристаллов ва8Ь(1п).

В восьмой главе разрабатываются методы управления распределением примесей и структурных дефектов в монокристаллах, выращиваемых в условиях В разделе 8.1 предложен подход к оценке микрогравитационной чувствительности кристаллизующихся систем, состоящий в дифференциальном анализе уравнения

Бартона-Прима-Слихтера при граничных условиях, типичных для роста кристаллов на борту КА. Введено понятие коэффициента микрогравитационной

чувствительности пропорционального изменению концентрации той

или иной легирующей примеси в растущем кристалле при равных

гидродинамических воздействиях, приводящих к «размытию» пограничного в расплаве:

Здесь кзф И к©- эффективный и равновесный коэффициенты распределения примеси, соответственно; D* - коээфициент её диффузии в расплаве; и - скорость движения кристаллизационного фронта; 5 - толщина концентрационного погранслоя. Показано, что осевая микрооднородность легирования м.к. повышается для Ge в ряду

Si(As)-»Si(B) да Si(P)-> Si(Sb)-> Si(Ga)-> Si(In). Таким образом, возможен выбор оптимальной лигатуры для выращивания монокристаллов с наиболее однородным (в микромасштабе) распределением примеси, концентрации носителей заряда и их подвижности. Раздел 8.2 посвящён изучению эффектов применения ротационных магнитных полей при росте кристаллов методом ЗП. Рассмотрены принципы контролируемого легирования растущего кристалла при МГД-перемешивании расплава. Обоснованы параметры применяемых РМП в связи с критериальным анализом и устойчивостью результирующих гидродинамических режимов. Приведены результаты наземных и орбитальных экспериментов на КА Фотон-5 по выращиванию монокристаллов высокочистого Ge и Ge(Ga) диаметром 15 мм и длиной 60 мм. Показана перспективность применения слабых (0.15-î-0.2 мТ) высокочастотных (400 Гц) магнитных полей (Та—103), при этом отмечено уменьшение на 10% значения кэф Ga в германии. На примере высокочистого Ge впервые выявлены эффекты смещения донорно-акцепторного баланса остаточных

примесей, смены типа проводимости и улучшения электрофизической однородности StD(p) в компенсированном полупроводнике при выращивании с МГД-воздействием. В разделе 8.3 рассмотрен метод выращивания монокристаллов при нанесении инертных плёнок на поверхность расплава, а также выращивание в объёме опорной жидкости. Оптимизирован режим термического окисления исходных заготовок GaSb для создания на их поверхности прочной оксидной плёнки, определены её структура и фазовый состав. Приведены результаты исследования монокристаллов GaSb(Te), выращенных из покрытого плёнкой расплава в наземных условиях и на борту КА Фотон-2. Анализ регистрограмм R, и их фурье-спектров свидетельствует о значительном изменении структуры гидродинамических потоков и улучшении микро-однородности распределения свойств в кристаллах за счёт подавления конвекции Марангони. Исследовано структурное совершенство м.к. Показано, что в кристаллах GaSb(Te) плотность дислокаций (Nd) снижается на порядок по сравнению с исходной заготовкой и не превышает а в области спонтанно формирующейся зауженной «шейки»

(shoulder) достигает 1х102 см"2. Устойчивый эффект снижения Nq с «5x103 до отмечен также в монокристаллах Ge(Ga), и обусловлен уменьшением механических напряжений при бестигельном росте, а также отсутствием гидростатического давления столба расплава на фронт кристаллизации. Ещё более заметный эффект снижения Nd отмечен в GaSb(Te), выращенном на борту КА Space Shuttle (С. R. Lopez, J. R. Mileham et al.) методом БЗП с жидкостной герметизацией расплава эвтектикой NaCl-KCl, и связан, видимо, с более мягким режимом посткристаллизационного охлаждения за счёт дополнительной тепловой «буферной» ёмкости слоя инкапсулянта.

В последней, девятой главе диссертации обсуждается использование результатов космических экспериментов для развития теории и практики выращивания монокристаллов в рамках "наземных" технологий. Среди них: создание новых методов выращивания м.к. в условиях контролируемых слабых ламинарных потоков (submerged heater method, A. Ostrogorsky в США и метод ОТФ

В.Д. Голышева в России); создание вертикального «бесконтактного» (detached) варианта метода Бриджмена (Т. Duffar во Франции и др.); обнаружение высокой поверхностной активности примесей кислорода и бора и учёт конвекции Марангони в тигле при выращивании монокристаллов Si с диаметром более 400 мм методом Чохральского (Т. Hibiya et al. в Японии); получение на орбите эталонных образцов с уникальной однородностью свойств и опытных партий электронных приборов на их основе (М. Fiederle et al. в Германии и NuoFu Chen et al. в Китае); усовершенствование методик моделирования кристаллизационных процессов, в том числе с МГД-воздействиями на расплав; прецизионное определение «истинных» физико-химических характеристик примесей (коэффициентов распределения, жидкофазной диффузии и поверхностной активности) и расплавов (вязкости, плотности, поверхностного натяжения), а также их температурных зависимостей при ослаблении гравитационной конвекции в 105-106 раз на орбите (методы левитирующей капли, диффузии в капиллярах и др.); исследование процессов структурной самоорганизации в расплавах и т.д.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе. В кратком изложении они практически совпадают с формулировками, уже приведёнными в настоящем автореферате.

В целом показано, что выход в космос однозначно не гарантирует получение материалов с уникальными характеристиками, особенно на орбитальных ростовых установках упрощенной конструкции. Микрогравитация является лишь одним из варьируемых технологических параметров, имеющим свои положительные и отрицательные стороны. Поле микроускорений может быть использовано как инструмент целевого воздействия на расплав и растущий кристалл, также как другие внешние физические поля - магнитные, тепловые, в том числе и в их совместной комбинации. Однако оптимизация этого воздействия в каждом конкретном случае требует углублённых физико-химических исследований и технологических разработок.

В работе установлены условия проведения процессов БЗП, наиболее близкие к

оптимальным с учётом характеристик ростовой аппаратуры Зона-4 и спутника Фотон — низкие скорости кристаллизации (4.54-5.2 мм/ч), малые осевые температурные градиенты в расплавленной зоне низкий уровень

легирования расплава уровень микроускорений с хаотично

изменяющимся результирующим вектором. При этом возможно получение эталонных монокристаллов Ge с минимальной примесной микро-неоднородностью недостижимой на Земле методами металлургического легирования. Новые знания, полученные в ходе такого рода исследований, являются основным «полезным выходом» космического материаловедения, и в ряде случаев успешно применяются для совершенствования «наземных» технологий выращивания монокристаллов.

Приложения содержат копии актов о практическом применении в ряде организаций результатов, полученных при выполнении диссертационной работы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 статьях в реферируемых журналах, 2 патентах Российской Федерации, и докладывалось в 18 выступлениях на Национальных и международных конференциях и симпозиумах. Ниже в хронологическом порядке приводятся ссылки на эти публикации.

1. Юрова Е.С., Картавых А.В., Коварский В.Я. Погрешность регистрации распределения параметров полупроводниковых материалов II Заводская лаборатория. 1990. Т.56. №3. С.37-39.

2. Milvidskii M.G., Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Rakov V.V., Yurova E.S., Prostomolotov A.I., Verezub N.A. Perspectives of FZ-crystatlization in microgravity: Technological experiments and Hydrodynamic modelling //Proc. Joint Xth European and Vlth Russian Symp. on Physical Sci. in Microgravity. St.Petersburg, Russia, 1997. Vol.11. P.86-94.

3. Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Формообразование и электрофизическая неоднородность монокристаллов Ge, выращенных методом БЗП в космосе // Труды IV Всеросс. Научн.-Техн. Конф. с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной

электроники и микроэлектроники". Геленджик, Россия, 1997. С.59-62.

4. Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В., Юрова Б.С. Формирование примесной неоднородности при выращивании монокристаллов германия в условиях микрогравитации // Кристаллография. 1997.Т.42.№4.С.755-761.

5. Мильвидский М.Г., Верезуб Н.А., Картавых А.В., Копелиович Э.С., Простомолотов А. И., Раков В. В. Выращивание монокристаллов полупроводников в космосе: результаты, проблемы, перспективы // Кристаллография. 1997. Т.42. №5. С.913-923.

6. Milvidskii M.G., Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Prostomolotov A.I., Rakov V.V., Verezub N.A. Crystallization of semiconductor melts in space // Proc. of Third Annual STAC Symposium. Huntsville, USA. November 10-14, 1997.

7. Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Анализ осевых профилей распределения примеси в монокристаллах Ge<Sb>, выращенных методом бестигельной зонной плавки в космосе // Кристаллография. 1998. Т.43.№6.С.1136-1141.

8. Mil'vidskii M.G., Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Rakov V.V., Verezub N.A. and Prostomolotov A.I. Semiconductors on the Way to Space Technologies// Journal of Journals (UNESCO). 1998. V.2. Nol. P.6-13.

9. Мильвидский М.Г., Картавых А.В., Копелиович Э.С., Раков В.В. Монокристаллы "космической пробы "//Наука в России. 1999. № 1. С.4-10.

10.Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Mil'vidskii M.G., Rakov V.V. Anomalous effects of dopant distribution in Ge single crystals grown by FZ-technique aboard spacecrafts //J. Cryst. Growth. 1999. V.205. No4. P.497-502.

11.Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Mil'vidskii M.G., Rakov V.V. Specific Effects of Ge Single Crystals Doping During their Floating Zone Processing Aboard the Spacecrafts^//Microgravity science & technology. 1999. V.XII. No 1. P. 16-22.

12.Artemiev V.K., Ginkin V.P., Gusev N.V., Lyukhanova T.M., Folomeev V.I., Kartavykh A.V., Mil'vidskii M.G., Rakov V.V. Numerical simulation of anomalous doping effect in Ge single crystals grown by FZ-technique aboard the spacecrafts //

Proc. of 3 rd Int. Conf. on Single cryst. growth, Strength problems & Heat Mass Transfer. Obninsk, Russia, 1999. V.I. P.26-36.

13.Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Mil'vidskii M.G., Rakov V.V. The terrestrial performance of space experiments on non-crucible zone melting of germanium with the impact ofrotating magneticfields//ibid., P.210-217.

14.Kartavykh A.V. The microgravity sensitivity of doped semiconductor melts during their crystallization in the space//ibid., P.218-224.

15.Мильвидский М.Г., Картавых А.В., Раков В.В. Кристаллизационные процессы в условиях микрогравитации: современное состояние, проблемы и перспективы // Тез. докл. I Российской конф. по космическому материаловедению. Калуга, 1999. С. 10

16.Картавых А.В., Копелиович Э.С., Марончук И.И., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Ампула для выращивания кристаллов в условиях микрогравитации II Патент РФ № 2143016. Кл. С 30 В 30/08, 13/14. 1999. Бюл. № 35.

17.Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Аномальные эффекты распределения легирующей примеси в монокристаллах Ge, выращенных методом бестигельной зонной плавки в условиях космического полета^//Кристаллография. 2000. Т.45. № 1. С.167-174.

18.Mil'vidskii M.G., Kartavykh A.V., Rakov V.V. Crystallization of Semiconductors in Microgravity: 15-Years GIREDMET/ICPM Experience aboard FOTON//Abstr. of Int. Conf. "Scientific and Technological Experiments on Russian Foton/Bion Recoverable Satellites: Results, Problems and Outlooks". Samara, Russia. June 25-30, 2000. P.93-94. Доступно также на http://volgaspace.ru/lib tezl e 5.html.

19.Kartavykh A.V., Rakov V.V., Mil'vidskii M.G. On-ground refinement and space growth of Ge single crystals by FZ-technique with the action of low-induction rotatingmagneticfieldsIZibid., P.98-99 и http://volgaspace.ru/lib tezl e 9.html.

20.Картавых А.В., Копелиович Э.С., Марончук И.И., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Способ получения кристаллов//Патент РФ № 2153030. Кл. С 30 В 30/08, 13/00, 11/00. 2000. Бюл. №20.

21.Mil'vidskii M., Kartavykh A., Rakov V. Crystallization of Semiconductors in

Microgravity - Current State, Problems and Prospects (The Results of 25- Years Experience in Space) //Proc. of 1st Int. Symp. on Microgravity Res. & Appl. in Physical Sciences & Biotechnology. Sorrento, Italy. Sept. 10-15, 2000. ESA publ. SP-454.Vol.I.P.395-401.

22.Kartavykh A., Mil'vidskii M., Rakov V., Ufimtsev V. On-Ground Refinement and Space Growth of Ge Single Crystals by FZ-Technique with the Action of Low-Induction RotatingMagnetic Fields//ibid, P.451-455.

23.Artemyev V.K., Ginkin V.P., Folomeev V.I., Kartavykh A.V., Milvidskii M.G., Rakov V.V. Numerical Simulation of Anomalous Doping Effect in Ge Single Crystals Grown by FZ-Technique Aboard the Space Crafts ^//Abstr. of Int. Conf. on Solid State Crystals - Materials Science and Applications. Zakopane, Poland. Oct. 9-13, 2000. p.81.

24.Артемьев В.К., Гинкин В.П., Фоломеев В.И., Картавых А.В., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Расчетно-экспериментальные исследования влияния конвекции Марангони нараспределение примеси в монокристаллах Ge, выращенных в космосе. //Тез. докл. IX Национальной конф. по росту кристаллов (НКРК 2000). Москва, ИК РАН, 16-20 окт., 2000. С.507.

25.Картавых А.В. Микрогравитационная чувствительность легированных расплавов полупроводников при их кристаллизации в космосе // Кристаллография. 2000. Т.45. №6. С.1108-1113.

26.Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Наземная отработка космическихэкспериментов по бестигельной зонной плавке Ge с воздействием вращающих магнитных полей// Кристаллография. 2001. Т.46. №1.С.134-139.

27.Картавых А.В., Копелиович Э.С., Мильвидский М.Г., Раков В.В. Технологический тестрежимов орбитального полета станции "Мир "для выращивания монокристаллов полупроводников // Приборы и техника эксперимента. 2001. № 1. С. 120-123.

28.Artemyev V.K., Folomeev V.I., Ginkin V.P., Kartavykh A.V., Mil'vidskii M.G., Rakov V.V. The mechanism of Marangoni convection influence on dopant

distribution in Ge space-grown single crystals IIJ. Cryst. Growth. 2001. V.223. No 12. P.29-37.

29.Ginkin V.P., Folomeev V.I., Lyukhanova T.M., Rakov V.V., Maronchuk 1.1., Kartavykh A.V., Egorov A.V. Methodical research of thermal fields during crystallization in the "Polyzone" facility by Bridgman method//Proc. of 4th Int. Conf. on Single Cryst. Growth & Heat Mass Transfer (ICSC-2001). Obninsk, Russia, 2001. V.4.P.1003-1008.

30.Мильвидский М.Г., Картавых А.В., Раков В.В. Выращивание монокристаллов из расплавов в условиях космического полета // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2001. №9. С. 17-35.

31.Ginkin V.P., Folomeev V.I., Lyukhanova T.M., Rakov V.V., Maronchuk 1.1., Kartavykh A.V., Egorov A.V. Method research and developing a method to control directed semiconductor crystallization in space//J. Cryst. Growth. 2002. V.236. No4. P.551-556.

32.Kartavykh A.V., Kopeliovich E.S., Rakov V.V. Microgravity dependent test of MIR station onboard activity modes for semiconductor single crystal growth // Microgravity & Space Station Utilization Journal. 2003. V.3. Nol. P.29-33.

33.Гинкин В.П., Забудько М.А., Картавых А.В., Мильвидский М.Г., Науменко О.В. Кластерная модель структуры расплавов в погранслое и ее гидродинамическое описание при моделировании процессов кристаллизации полупроводников в космосе//Тез. докл. II Российской конф. по космическому материаловедению. Калуга, 2003. С.35.

34.Ginkin V.P., Zabud'ko MA., Naumenko O.M., Kartavykh A.V., Mil'vidsky M.G. Numerical modelling ofheat-mass transfer process from the point ofview of cluster model of a melt constitution// Proc. of 5th Int. Conf. on Single Cryst. Growth & Heat Mass Transfer (ICSC-2003). Obninsk, Russia, 2003. V.I. P.31-42.

35.Ginkin V., Naumenko O., Zabudko M., Kartavykh A., Milvidsky M. Mathematical model ofheat-mass transfer during crystal growth process including cluster model of a melt constitution//Proc. of Int. Symp. on Advances in Computational Heat Transfer (CHT-04). Midnatsol Cruise, Norway. April 19-24,2004. P.226-237.

36.Картавых А.В., Мильвидский М.Г., Гинкин В.П., Забудько М.А., Науменко О.В. Кластерная модель структуры расплавов в погранслое и её гидродинамическое описание примоделировании процессов кристаллизации полупроводников в космосе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004. №6. С.91-98.

37.КартавыхА.В., Юрьева И.М. Характеризация полупроводниковых подложек и приборных структур методом сопротивления растекания // Труды IX Международной Научн.-Техн. Конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-2004)". Геленджик, 2004. T. 1. C. 66-69.

38.Ginkin V., Kartavykh A., Zabudko M. A melt clusterization within the interfacial boundary layer and its hydrodynamics modelling at the microgravity semiconductor single crystalgrowth//J. Cryst. Growth. 2004. V.270. No 3-4. P.329-339.

39.Картавых А.В. Низкотемпературный монокристаллический рост и легирование InP:S из раствора-расплава в условиях микрогравитации // Кристаллография. 2005. Т.50. №3 - в печати.

В вышеприведённый список не вошли электронные и Web-публикации автора, т.е. статьи и труды зарубежных конференций, изданные только на CD и/или содержащиеся на соответствующих Интернет-сайтах (wvyw.stacresearch.org. www.ssl.msfc.nasa.gov/colloquia/mmsm/matscience.htm.www.estec.esa.nl/conferences/ ООаО6/abstracts/123 .html и др.), ввиду ограниченного времени существования этих сайтов.

Высокое качество публикаций подтверждено присуждением диссертанту в составе авторского коллектива Главной премии Международной академической Издательской Компании «Наука/Интерпериодика» (МАИК «Наука») за цикл статей по космическому материаловедению полупроводников в журнале «Кристаллография» - см. www.maik.ru/win/support/grand97.htm и газету РАН "Поиск" № 11(461), 1998 г.

Принято к исполнению 17/01/2005 Исполнено 19/01/2005

Заказ № 554 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 (095)318-40-68 www.autoreferat.ru

05.2J-