微小重力場における化合物半導体単結晶育成時のマランゴニ対流現象機構の解明

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08650897
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 平田 彰 早稲田大学, 理工学部, 教授 (00063610)
• Keywords: マランゴニ対流 / 界面張力差駆動対流 / 微小重力環境 / 結晶成長 / 水平ブリッヂマン法 / 化合物半導体 / 偏析係数 / 数値解析

Research Abstract

本研究では,単結晶育成時における温度差と濃度差に起因するマランゴニ対流の相互干渉機構を厳密に解明し,それに基づいたマランゴニ対流の抑制・促進等の制御手法を確立し,単結晶の高品質化手法を確立することを目的として研究を行っている。
具体的には,半導体単結晶育成法の一種である水平ブリッヂマン法を模擬してInSb結晶成長実験を行い,初期融液成分濃度を変化させることにより融液自由界面上の濃度勾配を正・逆変化させ,温度差および濃度差マランゴニ対流が互いに同方向に作用する系(促進系)と,互いに逆方向に作用する系(抑制系)の融液自由界面上の速度分布を測定した。(1)結晶成長前(温度差マランゴニ対流のみ存在)と(2)結晶成長中(温度差および濃度差マランゴニ対流が共に存在)を比較した結果,促進系では(1),(2)ともにバルク融液側から結晶成長界面側に流れているが,結晶成長中の流れは,結晶成長前の流れよりも界面流速が加速されていることを確認した。また,抑制系では(1)ではバルク融液側から結晶成長界面側へ,(2)では結晶成長界面側からバルク融液側はと流れており,結晶成長中は結晶成長前とは逆方向に流れていることを確認した。また,実験を模擬した数値シミュレーションをHSMAC法を用いて実施した結果,実験結果と定性的な一致を示した。
これらの結果から,結晶成長時の融液側移動現象の解明には,自然対流,温度差マランゴニ対流に加えて,結晶成長時の偏析に伴う濃度差マランゴニ対流も考慮に入れる必要があることが示された。

Research Products

• [Publications] A.Hirata,S.Nishizawa,M.Sakurai: "Experimental Results of Oscillatory Marangoni Convection in a Liquid Bridge under Normal Gravity" J.Jpn.Soc.Microgravity Appl.14・2(掲載決定). (1997)
• [Publications] A.Hirata,M.Sakurai,N.Ohishi: "Effect of gravity on Marangoni Convection in a Liquid Bridge" J.Jpn.Soc.Microgravity Appl.14・2(掲載決定). (1997)
• [Publications] A.Hirata,M.Sakurai,N.Ohishi: "Transition Process from Laminar To Oscillatory Marangoni Convection in a Liquid Bridge under Normal and Micro Gravity" J.Jpn.Soc.Microgravity Appl.14・2(掲載決定). (1997)
• [Publications] Y.L.Yao,J.Z.Shu,J.C.Xie,W.R.Hu,A.Hirata,S.Nishizawa,M.Sakurai: "Transition of Oscillatory Floating Half Zone Convection from Earth's Gravity to Microgravity" Int.J.Heat and Mass Transfer. 39(in press). (1996)
• [Publications] K.Okitsu,Y.Hayakawa,A.Hirata,S.Fujiwara,Y.Okano,N.Imaishi,S.Yoda,T.Oida,T.Yamaguti,M.Kumagawa: "Gravitational Effects on Mixing and Growth Morphology of An In_<0.5>Ga_<0.5>Sb System" J.Crystal Research Tech. 31・8(in press). (1996)
• [Publications] A.Hirata,K.Arafune,T.Akiyama,N.Imaishi,S.Yasuhiro: "Numerical Simulation of Mixing of Semiconductor Melts" Bulletin of the Centre for Infomatics,Waseda Univ.21(in press). (1997)
• [Publications] W.R.Hu,A.Hirata,S.Nishizawa: "Diffusion Dominated Process for the Crystal Growth of a Binary alloy" J.Crystal Growth. 169. 380-392 (1996)
• [Publications] 平田彰,新船幸二,藤原省悟,熊川征司,早川泰弘,興津和彦,今石宣之,安廣祥一,岡野泰則,酒井奨,大坂敏明,依田真一,大井田俊彦: "濃度差マランゴニ対流に基づく多元系化合物半導体融液の均一分散・混合化" 日本マイクログラビティ応用学会誌. 13・3. 165-170 (1996)
• [Publications] 興津和彦,早川泰弘,山口十六夫,熊川征司,岡野泰則,平田彰,新船幸二,藤原省悟,今石宣之,依田真一,大井田俊彦: "IML-2でのIn-GaSb-Sb融液混合" 第13回宇宙利用シンポジウム. 118-121 (1996)
• [Publications] 和田哲也,早川泰弘,熊川征司,岡野泰則,平田彰,新船幸二,今石宣之,熊切康雄,X.Zhong,X.Xie,B.Yuan,F.Wu,H.Liu: "中国回収衛星利用によるIn GaSb混晶半導体の結晶成長" 第13回宇宙利用シンポジウム. 141-144 (1996)
• [Publications] 桜井誠人,大石直哉,平田彰: "液柱内振動マランゴニ対流に及ぼす液柱形状の影響" 第13回宇宙利用シンポジウム. 195-198 (1996)
• [Publications] A.Hirata,M.Sakurai,N.Ohishi: "Oscillatory Thermocapillary Convection Phenomena in Silicone Oil Liquid Bridge under Normal Gravity and Microgravity Conditions" Drop Tower Days 1996 in Bremen. 2. 37-39 (1996)
• [Publications] M.Sakurai,N.Ohishi,A.Hirata: "Effect of Liquid Bridge Form on Oscillatory Thermocapillary Convection under Normal Gravity and Microgravity Conditions -Drop Shaft Experiment-" Proc.47th Int.Astronautical Congress. IAF96 J.4.06. 1-7 (1996)
• [Publications] M.Sakurai,N.Ohishi,S.Tsuneda,A.Hirata: "Effect of Gravity Level on Velocity Distribution and Temperature Oscillatory Feature in a Liquid Bridge Induced by Thermocapillary Convection" Proc.Third China-Japan Workshop on Microgravity Sci.44-47
• [Publications] 日比谷盂俊,中村新,柿本浩一,今石宣之,西澤伸一,平田彰,松井捷明,横田孝夫,依田真一,中村富久,足立聡,鮫島浩人: "シリコンメルト液柱におけるマランゴニ対流の温度振動" 日本マイクログラビティ応用学会誌. 13・2. 105-109 (1996)
• [Publications] S.Nakamura,T.Hibiya,K.Kakimoto,N.Imaishi,S.Nishizawa,A.Hirata,K.Mukai,S.Yoda,T.Morita: "Measurement of Temperature Fluctuations in Marangoni Convection in a Half-zone Silicon Melt on Board the TR-IA-4 Rocket" J.Jpn.Soc.Microgravity Appl.14・1. 60-66 (1996)