Анотація до роботи:

Головко Ю.В. Звязок розподілу домішок в монокристалах кремнію з технологічними параметрами вирощування. Рукопис дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 «Матеріалознавство». Луцький національний технічний університет МОН України, м. Луцьк, 2009.

Розроблені математичні моделі розподілу домішок в монокристалах кремнію, що грунтуються на рівнянні балансу маси домішки, враховують залежність розподілу домішок від технологічних факторів процесу вирощування і не використовують такі фізичні параметри, які не можна виміряти в умовах промислового виробництва монокристалів.

За допомогою моделей оцінені за експериментальними даними величини ефективних коефіцієнтів розподілу легуючих (бор, фосфор) і фонових (вуглець і кисень) домішок; швидкостей надходження в розплав вуглецю й кисню з конструктивних елементів робочої камери та розчинення кварцу тигля в розплаві кремнію. Досліджені залежності цих величин, а також густини і розподілу мікродефектів від концентрації домішок і технологічних параметрів процесу вирощування монокристалів кремнію в промислових умовах.

1. Удосконалено спосіб вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральського:

шляхом введення в тепловий вузол установки вирощування комплекту додаткових теплоізолюючих екранів, завдяки чому економія споживаної в процесі вирощування монокристала електроенергії склала 43%; продуктивність процесу вирощування підвищилась на 34 %; маса придатної частини вирощуваного монокристала збільшилась на 25 %;

шляхом обдування монокристала висхідним потоком інертного газу (аргону) на ділянці, розташованій на відстані 0,4…0,6 діаметра вирощуваного монокристала від фронту кристалізації [9], завдяки чому швидкість витягування монокристала можна підвищувати в 1,68 разів порівняно зі стандартною технологією;

шляхом підтримання товщини розплаву під фронтом кристалізації, рівною 0,3…0,5 радіуса монокристала [8], завдяки чому підвищилась однорідність розподілу легуючої домішки за радіусом вирощуваного монокристала: величина радіального відносного відхилення питомого електричного опору по торцю монокристала знизилася на 30…35 %.

2. Розвинутий новітній методологічний підхід до оцінювання фізичних параметрів розподілу домішок в кремнії, що заснований на математичному моделюванні.

3. Вперше побудовано математичні моделі розподілу домішок фосфору й кисню в кремнії під час вирощування монокристалів кремнію; удосконалено математичні моделі розподілу домішок бору і вуглецю. Переваги моделей:

врахування залежності фізичних параметрів розподілу від комплексу технологічних параметрів процесу вирощування монокристалів;

використання при їхньому розв'язанні поряд з довідниковими даними тільки тих параметрів якості монокристалів кремнію, що обов'язково вимірюються при стандартному контролі в промислових умовах;

інтегрованість в визначених величинах фізичних параметрів розподілу домішок впливу всіх технологічних факторів процесу вирощування монокристалів, включно з такими з них, що не піддаються безпосередньому вимірюванню та ідентифікації в промислових умовах.

4. За експериментальними даними за допомогою розроблених математичних моделей здійснено оцінювання фізичних параметрів, що визначають розподіл домішок в монокристалах кремнію та є необхідними для оптимізації технологічного процесу їхнього вирощування: величини ефективних коефіцієнтів розподілу основних домішок, а також швидкостей збагачення розплаву вуглецем і киснем. Вперше визначено величину швидкостей збіднення під час кристалізації розплаву кремнію летучими компонентами (фосфором й монооксидом кремнію).

5. Вперше встановлені кількісні зміни величини фізичних параметрів розподілу домішок фосфору, вуглецю й кисню в кремнії за довжиною монокристалів кремнію діаметром 100 мм, вирощених за методом Чохральського в промислових умовах:

ефективний коефіцієнт розподілу бору в слабко легованих монокристалах кремнію трохи зростає тільки в кінцевій частині монокристала, а в сильно легованих – помітно зростає по всій його довжині;

ефективні коефіцієнти розподілу фосфору й кисню в кінцевій частині монокристала зменшуються на 30 %;

ефективний коефіцієнт розподілу вуглецю помітно зменшується по всій довжині монокристала;

швидкість випаровування з розплаву атомів фосфору й молекул монооксиду кремнію зменшуються при рості кінцевої частини монокристала.

6. Встановлений кількісний зв’язок параметрів розподілу домішок в кремнії з такими технологічними факторами процесу вирощування його монокристалів в промислових умовах, як швидкість кристалізації і переміщення тигля уверх відносно нагрівача на протязі процесу вирощування. Показано, що зменшення ефективного коефіцієнта розподілу домішок фосфору, вуглецю й кисню зі зменшенням швидкості вирощування монокристала є набагато більшим, ніж це випливає з кінетичної теорії кристалізації.

7. Вперше встановлений зв’язок між рівнем концентрації бору в монокристалах кремнію та зміною величини ефективного коефіцієнта його розподілу за довжиною монокристала.

8. Вперше встановлена тенденція залежності величини густини і розподілу мікродефектів в монокристалах кремнію з кристалографічною орієнтацію <100> та <111>, діаметром 100 мм з концентрацією домішки бору.

9. Результати виконаних оцінок і встановлені залежності ефективних коефіцієнтів розподілу основних домішок в кремнії від їхньої концентрації та від зміни технологічних параметрів на протязі процесу вирощування монокристала дозволяють збільшити довжину придатної частини монокристалів кремнію, тобто вихід придатного продукту.

Публікації автора:

1. Швец Е.Я. Моделирование распределения примеси бора в процессе выращивания монокристаллов кремния / Е.Я. Швец, О.П. Головко, В.С. Баев, Ю.В. Головко // Металургія. Збірник наукових праць ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. – Вип. 16. – С. 59 – 63.

2. Швец Е.Я. Влияние степени легирования монокристаллов кремния на эффективный коэффициент распределения примеси / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // Теория и практика металлургии, 2008. - № 1 (62). – С. 66-69.

3. Швец Е.Я. Исследование распределения углерода между расплавом, твёрдой и газовой фазами в процессе выращивания монокристаллов кремния / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // Металургія. Збірник наукових праць ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2008. – Вип. 17. – С. 104-108.

4. Головко Ю.В. Модернизация тепловой системы для выращивания монокристаллов кремния / Ю.В. Головко, А.С. Голев, А.Б. Комаров, Е.Я. Швец, С.Г. Егоров, Р.Н. Воляр // Теория и практика металлургии, 2008. - №2 (63). – С.20-23.

5. Швец Е.Я. Зависимость коэффициента распределения примеси при кристаллизации кремния от степени легирования / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч. 1, 2008. – № 1-2. - С. 14 – 16.

6. Швец Е.Я. Влияние технологических факторов на содержание оптически активных атомов углерода в монокристаллах кремния / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // Металургія. Збірник наукових праць ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2008. – Вип. 18. – С. 136 -141.

7. Швец Е.Я. Исследование массообмена кислорода в процессе выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // Теория и практика металлургии, 2008. - № 4-5 (65). – С. 3-7.

8. Пат. 34160 Україна, МПК (2006) С30В. Спосіб вирощування монокристалів кремнію з розплаву / Воляр Р.М., Головко Ю.В., Єгоров С.Г., Пожуєв І.В., Швець Є.Я.; заявник і патентовласник Запорізька держ. інж. акад. – № u 2008 04036; заявл. 31.03.2008; опубл. 25.07.2008, Бюл.№ 14.

9. Пат. 35367 Украина, МПК С 30 В 15/00. Спосіб вирощування монокристалів кремнію з розплаву / Пожуєв В.І., Воляр Р.М., Головко Ю.В., Єгоров С.Г., Швець Є.Я.; заявник й патентовласник Запорізька держ. інж. акад. – № u 2008 05593; заявл. 29.04.2008; опубл. 10.09.2008.

10. Швец Е.Я. Анализ состояния технологий кремния для солнечных батарей / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // «Наука и образование – 2008»: IV международна научна практична конференція, 3-15 януари 2008 г. София: матеріали. – София, 2008. - Том 13 – Технологи - С. 9 – 12.

11. Головко Ю.В. Определение параметров массообмена кислорода в процессе выращивания монокристаллов кремния / Ю.В. Головко // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008: 4-ая междунар. молодёжн. научно-техн. конф., 21-25 апреля 2008 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2008 – С.184.

12. Швец Е.Я. Розподіл домішки фосфору при кристалізації кремнію / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко // «Постигането на висшето образование - 2008»: IV международна научна практична конференция, 17 – 25 ноември 2008 г. София: тези допов. – София. Болгария, 2008. -Том 11 – Технологии. – С. 3 – 6.

13. Швец Е.Я. Скорость поступлення атомов углерода в расплав при выращивании монокристаллов кремния для солнечных батарей / Е.Я. Швец, Ю.В. Головко, И.Е. Комар // Wykstalcenie i nauka bez granic – 2008: IV miedzynarodowа naukowi-praktycznа konferencji, 2008: materyaly. - Przemysl, 2008. -Volume 18.- Techniczne nauki. –– P. 3 - 8.