Постоянное совершенствование технологии выращивания полупроводниковых монокристаллов, в том числе монокристаллов кремния большого диаметра, требует проведения целого ряда дорогостоящих экспериментальных исследований по отработке режимов вытягивания, которые в настоящее время проводятся непосредственно при выращивании кристаллов. Значительная часть этих исследований может быть выполнена путем проведения физического и численного моделирования процессов выращивания монокристаллов.
Настоящая работа посвящена физическому моделированию процесса выращивания полупроводниковых монокристаллов методом Чохральского. Отличительной особенностью работы является максимальная приближенность физического моделирования к реальному процессу выращивания. Это достигнуто за счет моделирования на расплаве InGaSn при числе Прандтля, близком числу Прандтля расплава кремния. Показано, что теплофизические свойства расплава InGaSn позволяют проводить исследования при основных критериях процесса (числах Рейнольдса, Грасгофа, Гартмана), равных реальным значениям этих критериев в процессе выращивания монокристаллов. Моделирование проводится на тигле диаметром 500 мм при реализации реальных граничных условий для тепловых потоков на стенке и дне тигля и учете радиационного отвода тепла со свободной поверхности расплава. При этом отношение тепловых потоков, отводимых со свободной поверхности расплава QS и через кристалл QC, может меняться в широких пределах: QS/QC = 0 - 20.
Экспериментальный стенд оборудован магнитной системой, позволяющей проводить эксперименты в однородном аксиальном и аксиально-радиальном (CUSP) магнитных полях и в переменном однофазном магнитном поле.
Для измерений используется многоканальная система сбора и обработки данных, включающая в себя 32 датчика температуры (или скорости), расположенных соответственно либо в меридиональной, либо в азимутальной плоскостях. Система обеспечивает возможность получения мгновенных распределений температуры во всем объеме расплава с частотой f < 5 Гц, что позволяет изучать как стационарные, так и нестационарные процессы.
Основное внимание в работе уделено исследованию особенностей теплопереноса. Проведены исследования устойчивости течения расплава для термогравитационной конвекции, в том числе, неустойчивости области "холодного расплава" на фронте кристаллизации. Показано, что вращение тигля во всех режимах оказывает стабилизирующее влияние. Исследованы флуктуации температурного поля во всем объеме расплава в квазистационарных режимах для термогравитационной и смешанной конвекции (при отсутствии и наличии вращений кристалла и тигля). Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов о структуре и режимах течения расплава для реальных процессов выращивания монокристаллов кремния большого диаметра.