Численное моделирование процесса выращивания кристаллов полупроводников по методу VGF в присутствии вращающегося магнитного поля

Т.П. Любимова, О.А. Хлыбов (Пермь)

Одним из методов выращивания кристаллов полупроводников, активно применяющихся в настоящее время, является метод Бриджмена и одна из его модификаций, Vertical Gradient Freeze (VGF). Особенностью данного метода является неподвижность всех элементов печи; перемещение фронта кристаллизации осуществляется формированием теплового режима посредством нагревателей с независимым управлением.

 Получению кристаллов с заданными свойствами могут препятствовать конвекция и искривление фронта кристаллизации. Для управления процессом роста кристалла активно применяются различные физические средства воздействия на течения в расплаве и распределение примесей, такие как вибрация, электрическое и магнитное поля.

Вращающееся магнитное поле (ВМП) является эффективным методом воздействия на течения электропроводящей жидкости, позволяющим существенно повлиять на структуру и интенсивность течения в расплаве, а, следовательно, и на распределение примеси в выращиваемом кристалле.

Настоящая работа посвящена численному исследованию процессов выращивания кристаллов GaAs и GaGe по методу VGF в присутствии ВМП.

Выполнен ряд численных экспериментов по исследованию распределения температуры и структуры течения в системах GaAs и GaGe в условиях, соответствующих методу VGF как в присутствии аксиально-симметричного ВМП, так и без него. Вычисления производились методом конечных разностей в приближении аксиальной симметрии задачи с учетом нестационарности процесса и искривления фронта кристаллизации. Использовался двухполевой метод; приведение неортогональной физической сетки к прямоугольной вычислительной осуществлялось с помощью преобразования координат. Исследование показало, что основной причиной искривления фронта кристаллизации в рассмотренных системах является различие теплопроводностей твердой и жидкой фаз, в результате чего фронт значительно искривляется даже при стационарных тепловых условиях на границе. В нестационарных тепловых условиях фронт искривляется еще больше. В этих условиях структура конвективного течения имела вид двух вихрей, расположенных вертикально один над другим. Меньший по размеру нижний вихрь способствует лучшему теплоотводу от фронта, что выражается в некотором уменьшении его прогиба. ВМП существенно деформирует течение, оттесняя верхний вихрь к верхней границе области, а нижний – к фронту, с одновременным увеличением их интенсивностей, что приводит к заметному уменьшению глубины прогиба фронта в процессе выращивания кристалла.