РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Ge В СЛИТКЕ СПЛАВА Si0,9Ge0,1 ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КРИСТАЛЛА ИЗ ТОНКОГО СЛОЯ РАСПЛАВА

We studied experimentally and theoretically the possibility to obtain a uniform single crystal of SiGe alloy enriched at the Si side. The content of the second component in a crystal 15 mm in diameter and 40 mm in length grown by the modified floating zone technique from the charge of 79.8 at.% Si and 20 at.% Ge composition with 0.2% B admixture has been investigated using selected area X−ray analysis in different points and in line scanning mode along and across the crystal axis. The longitudinal changes in the germanium concentration of proved to be well described by the analytical equation previously derived for conditions of Sb (Ga) doped Ge growth from a thin melt layer in the presence of a heater submerged into the melt. For a more accurate description of the experimental data we made allowance for the change in the melt layer thickness between the growing crystal and the bottom of the submerged heater. The lateral distribution of the second component, not exceeding 5% over a diameter of the crystal, can be significantly improved by reducing the curvature of the phase interface during the growth. Экспериментально и теоретически изучена возможность получения однородного по длине и сечению монокристаллического сплава SiGe, обогащенного со стороны кремния. Содержание второй компоненты в кристалле диаметром 15 мм и длиной 40 мм, выращенном модифицированным методом плавающей зоны из шихты составом 79,8 % (ат.) Si и 20 % (ат.) Ge и с добавками 0,2 % (ат.) бора, исследовано с помощью метода рентгеновского микроанализа как в отдельных точках образца, так и в режиме линейного сканирования вдоль оси кристалла и поперек. Установлено, что продольное изменение концентрации германия хорошо описывается аналитически уравнением, выведенным ранее для условий роста из тонкого слоя расплава монокристалла Ge, легированного примесью Sb или Ga, в присутствии погруженного в расплав нагревателя. Для более точного описания экспериментальных данных был проведен учет изменения толщины слоя расплава между растущим кристаллом и дном погруженного нагревателя по мере кристаллизации. Показано, что поперечное распределение второй компоненты, которое не превышало 5 % по диаметру, может быть существенно улучшено за счет уменьшения кривизны фазовой границы в процессе роста.

К ВОЗМОЖНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ КРИСТАЛЛОВ Si—Ge МЕТОДОМ ОСЕВОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ВБЛИЗИ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

A technique for crucibleless growth of single−crystal silicon and its alloys with germanium is developed. For this purpose, the setup of floating zone method was used, which was equipped with additional so−called AHP heater. The heater forms around itself a melt zone that is suspended between the growing crystal, the feeding rod and correspondingly the bottom and the top surfaces of the AHP heater by forces of surface tension. To protect the graphite casing of the heater against the aggressive action of molten silicon, the casing surface was coated with SiC having a special nano−crystalline structure. The system of automation control of the AHP crystallization mode is described. It allows controlling the thermal field near the growing crystal with an accuracy of about 0.05−0.1 K. Numerical computations of heat and mass transfer during the solidification of SixGe1−x alloy with a 2% Si content, as well as shaping of the free Si−Ge melt surface during the crystal pulling were performed. Uniform bulk crystals were obtained. The range of the highest melt layer at which the shaping process remains stable was found to be 10−20 mm. The grown As−doped Si single crystals showed to have strong twining directly caused by presence of the SiC inclusions revealed in the crystal bulk. The possibility to achieve a convex and nearly flat shape of the interface by means of the AHP heater was proved. The layered mechanism of Si crystallization was found to be present during crystal growth on a seed in the [111] direction, with the faceted area under certain conditions occupying almost the entire crystal cross section.Разработан метод бестигельного выращивания монокристаллов кремния и его соединений с германием — метод осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (ОТФ). Для его реализации использована установка получения кристаллов методом плавающей зоны, в которой дополнительно используется так называемый ОТФ−нагреватель. Нагреватель формирует вокруг себя зону расплава, который удерживается силами поверхностного натяжения между растущим кристаллом, питающим стержнем и нижней и верхней поверхностями ОТФ−нагревателя соответственно. Для защиты графитового корпуса нагревателя от агрессивного действия расплавленного кремния его поверхность покрыта слоем SiC, имеющим специальную нанокристаллическую структуру. Описана система автоматического управления процессом ОТФ−кристаллизации, обеспечивающая поддержание температурного поля вблизи растущего кристалла с точностью 0,05—0,1 К. Проведено численное моделирование тепломассопереноса при росте соединения SixGe1−x, содержащего 2 % Si , а также моделирование формообразования свободной поверхности расплава Si—Ge при вытягивании кристалла. Показана возможность по-лучения однородных по сечению и длине объемных монокристаллов, найден диапазон максимально достижимой высоты слоя расплава, составляющий 10—20 мм, при котором еще сохраняется устойчивость процесса капиллярного формообразования. Выращены легированные сурьмой монокристаллы кремния, характеризующиеся сильным двойникованием, которое непосредственно связано с обнаруженными включениями частиц SiC в кристаллическом кремнии. Подтверждена возможность формирования с помощью ОТФ−нагревателя выпуклой и близкой к плоской формы фронта кристаллизации. Установлено, что при выращивании на затравку в на-правлении [111] реализуется послойный механизм роста кремния, причем область гранного роста при определенных условиях занимает почти все сечение кристалла

Crystal Growth of Germanium-Silicon Alloys on the ISS.

No abstract availabl

Simulation of non-axisymmetric floating zone crystal growth under microgravity

The possibility of growing crystals of non-circular cross-section by using the floating zone technique is considered, basing the analysis on the isothermal liquid bridge model, and restricting the study to a linear asymptotic analysis. An almost square initial seed is considered in more detail, although the analysis is general and can be applied to other initial shapes, not only of the seed but also of the supply rod, that can be of any cross-section. The influence of non-circular seed and/or feed cross-section shape, and of a possible axial acceleration typical of microgravity platforms (sounding rockets and space labs), on both the liquid interface shape and the solid grown shape, are analysed, including the stability limits by breaking of the molten bridge

Ge distribution in Si0.9Ge0.1 alloy ingot grown from thin melt layer

We have studied experimentally and theoretically the possibility to obtain a uniform single crystal of SiGe alloy enriched at the Si side. The content of the second component in a crystal 15 mm in diameter and 40 mm in length grown by the modified floating zone technique from the charge of 79.8 at.% Si and 20 at.% Ge composition with 0.2% B admixture has been investigated using selected area X-ray analysis in different points and in line scanning mode along and across the crystal axis. The longitudinal changes in the germanium concentration proved to be well described by the analytical equation previously derived for conditions of Sb (Ga) doped Ge growth from a thin melt layer in the presence of a heater submerged into the melt. For a more accurate description of the experimental data we have made allowance for the change in the melt layer thickness between the growing crystal and the bottom of the submerged heater. The lateral distribution of the second component not exceeding 5% over the crystal diameter can be significantly improved by reducing the curvature of the phase interface during the growth

Particle engulfment dynamics under oscillating crystal growth conditions

To better understand the physical mechanisms behind particle engulfment dynamics under fluctuating solidification velocities, transient simulations are performed for a SiC particle in a silicon solidification system with oscillating growth rates using a rigorous finite-element model developed previously. Simulations reveal complicated behaviors that require a re-examination of the classical notion of a steady-state, critical growth velocity, v c, for particle engulfment. Under sinusoidal growth variations at a frequency representative of turbulent fluctuations in a large-scale melt, stable pushing states featuring nonlinear particle-growth front oscillations can arise, even when the maximum growth velocity slightly exceeds v c. However, higher-amplitude growth oscillations at the same frequency are shown to result in particle engulfment. Significantly, engulfment under such dynamic conditions can occur at average solidification rates far below the steady-state critical velocity, a behavior consistent with many experimental observations