Асноўны працэс стSiCРост крышталяў дзеліцца на сублімацыю і раскладанне сыравіны пры высокай тэмпературы, транспарціроўку рэчываў газавай фазы пад дзеяннем градыенту тэмпературы і рэкрышталізацыйны рост рэчываў газавай фазы на затравальным крышталі. Зыходзячы з гэтага, унутраная частка тыгля падзелена на тры часткі: зона сыравіны, камера росту і затравочны крышталь. Лікавая імітацыйная мадэль была складзена на аснове фактычнага рэзістывуSiCабсталяванне для вырошчвання монакрышталяў (гл. малюнак 1). У разліку: ніз сттыгельзнаходзіцца на адлегласці 90 мм ад дна бакавога награвальніка, верхняя тэмпература тыгля - 2100 ℃, дыяметр часціц сыравіны - 1000 мкм, сітаватасць - 0,6, ціск росту - 300 Па, час росту - 100 гадзін. . Таўшчыня ПГ складае 5 мм, дыяметр роўны ўнутранаму дыяметру тыгля, размешчаны ён на 30 мм над сыравінай. У разліку ўлічваюцца працэсы сублімацыі, карбанізацыі і рэкрышталізацыі сыравіннай зоны, а рэакцыя паміж ПГ і рэчывамі газавай фазы не ўлічваецца. Параметры фізічных уласцівасцей, звязаныя з разлікамі, паказаны ў табліцы 1.
Малюнак 1 Імітацыйная мадэль разліку. (а) мадэль цеплавога поля для мадэлявання росту крышталяў; (b) Падзел унутранай плошчы тыгля і звязаныя з гэтым фізічныя праблемы
Табліца 1 Некаторыя фізічныя параметры, якія выкарыстоўваюцца ў разліку
Малюнак 2 (а) паказвае, што тэмпература структуры, якая змяшчае PG (пазначаецца як структура 1), вышэй, чым у структуры без PG (пазначаецца як структура 0) ніжэй PG, і ніжэй, чым у структуры 0 вышэй PG. Агульны тэмпературны градыент павялічваецца, а ПГ выконвае ролю цеплаізаляцыйнага агента. Згодна з малюнкамі 2(b) і 2(c), восевы і радыяльны градыенты тэмпературы структуры 1 у зоне сыравіны меншыя, размеркаванне тэмпературы больш раўнамернае, а сублімацыя матэрыялу больш поўная. У адрозненне ад сыравіннай зоны, малюнак 2(c) паказвае, што радыяльны градыент тэмпературы ў затравцы структуры 1 большы, што можа быць выклікана рознымі прапорцыямі розных рэжымаў цеплаперадачы, што дапамагае крышталю расці з выпуклай межай . На малюнку 2 (d) тэмпература ў розных месцах тыгля паказвае тэндэнцыю да павышэння па меры росту, але розніца тэмператур паміж структурай 0 і структурай 1 паступова памяншаецца ў зоне сыравіны і паступова павялічваецца ў камеры росту.
Малюнак 2. Размеркаванне тэмпературы і змены ў тыглі. (a) Размеркаванне тэмпературы ўнутры тыгля структуры 0 (злева) і структуры 1 (справа) у 0 гадзін, адзінка: ℃; (Б) Размеркаванне тэмпературы на цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 і структуры 1 ад дна сыравіны да затравочного крышталя ў 0 гадзін; (c) Размеркаванне тэмпературы ад цэнтра да краю тыгля на паверхні крышталя затравкі (A) і паверхні сыравіны (B), у сярэдзіне (C) і ўнізе (D) у 0 гадзін, гарызантальная вось r - гэта радыус затравочнага крышталя для A і радыус вобласці сыравіны для B~D; (D) Змены тэмпературы ў цэнтры верхняй часткі (A), паверхні сыравіны (B) і сярэдзіне (C) камеры росту структуры 0 і структуры 1 у 0, 30, 60 і 100 гадзін.
На малюнку 3 паказаны перанос матэрыялу ў розны час у тыглі структуры 0 і структуры 1. Хуткасць патоку матэрыялу ў газавай фазе ў зоне сыравіны і камеры росту павялічваецца з павелічэннем становішча, а перанос матэрыялу слабее па меры росту . На малюнку 3 таксама відаць, што ва ўмовах мадэлявання сыравіна спачатку графітуецца на бакавой сценцы тыгля, а затым на дне тыгля. Акрамя таго, на паверхні сыравіны адбываецца перакрышталізацыя і па меры росту яно паступова патаўшчаецца. Малюнкі 4 (а) і 4 (б) паказваюць, што хуткасць патоку матэрыялу ўнутры сыравіны памяншаецца па меры росту, і хуткасць патоку матэрыялу ў 100 гадзін складае каля 50% ад пачатковага моманту; аднак хуткасць патоку на краі адносна вялікая з-за графітызацыі сыравіны, а хуткасць патоку на краі больш чым у 10 разоў перавышае хуткасць патоку ў сярэдняй вобласці пры 100 гадзінах; акрамя таго, эфект PG у структуры 1 робіць хуткасць патоку матэрыялу ў зоне сыравіны структуры 1 ніжэйшай, чым у структуры 0. На малюнку 4(c) паток матэрыялу як у зоне сыравіны, так і ў ростовая камера паступова слабее па меры росту, і паток матэрыялу ў зоне сыравіны працягвае змяншацца, што выклікана адкрыццём канала паветранага патоку на краі тыгля і перашкодай рэкрышталізацыі ў верхняй частцы; у камеры росту хуткасць патоку матэрыялу структуры 0 хутка зніжаецца ў першыя 30 гадзін да 16%, і толькі памяншаецца на 3% у наступны час, у той час як структура 1 застаецца адносна стабільнай на працягу ўсяго працэсу росту. Такім чынам, PG дапамагае стабілізаваць хуткасць патоку матэрыялу ў камеры росту. На малюнку 4 (d) параўноўваецца хуткасць патоку матэрыялу на фронце росту крышталя. У пачатковы момант і праз 100 гадзін перанос матэрыялу ў зоне росту структуры 0 мацнейшы, чым у структуры 1, але на краі структуры 0 заўсёды ёсць вобласць з высокай хуткасцю патоку, што прыводзіць да празмернага росту на краі . Наяўнасць PG ў структуры 1 эфектыўна душыць гэта з'ява.
Малюнак 3 Паток матэрыялу ў тыглі. Лініі току (злева) і вектары хуткасці (справа) пераносу газавага рэчыва ў структурах 0 і 1 у розны час, адзінка вектара хуткасці: м/с
Малюнак 4 Змены хуткасці патоку матэрыялу. (а) Змены ў размеркаванні хуткасці патоку матэрыялу ў сярэдзіне сыравіны структуры 0 у 0, 30, 60 і 100 гадзін, r - радыус вобласці сыравіны; (Б) Змены ў размеркаванні хуткасці патоку матэрыялу ў сярэдзіне сыравіны структуры 1 у 0, 30, 60 і 100 гадзін, r - радыус вобласці сыравіны; (c) Змены ў хуткасці патоку матэрыялу ўнутры камеры росту (A, B) і ўнутры сыравіны (C, D) структур 0 і 1 з цягам часу; (d) Размеркаванне хуткасці патоку матэрыялу паблізу паверхні затравочнага крышталя структур 0 і 1 пры 0 і 100 гадзінах, r - радыус затравочнага крышталя.
C/Si ўплывае на стабільнасць крышталя і шчыльнасць дэфектаў росту крышталя SiC. На малюнку 5 (а) параўноўваецца размеркаванне суадносін C/Si дзвюх структур у пачатковы момант. Стаўленне C/Si паступова памяншаецца ад дна да верху тыгля, і стаўленне C/Si структуры 1 заўсёды вышэй, чым у структуры 0 у розных месцах. Малюнкі 5(b) і 5(c) паказваюць, што стаўленне C/Si паступова павялічваецца з ростам, што звязана з павышэннем унутранай тэмпературы на позняй стадыі росту, узмацненнем графітызацыі сыравіны і рэакцыяй Si кампанентаў у газавай фазе з графітавым тыглям. На малюнку 5(d) адносіны C/Si структуры 0 і структуры 1 значна адрозніваюцца ніжэй PG (0,25 мм), але трохі адрозніваюцца вышэй PG (50 мм), і розніца паступова павялічваецца па меры набліжэння да крышталя. . У цэлым стаўленне C/Si структуры 1 вышэй, што дапамагае стабілізаваць форму крышталя і паменшыць верагоднасць фазавага пераходу.
Малюнак 5. Размеркаванне і змены адносіны C/Si. (а) Размеркаванне суадносін C/Si у тыглях структуры 0 (злева) і структуры 1 (справа) пры 0 гадзінах; (Б) стаўленне C/Si на розных адлегласцях ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін); (С) Стаўленне C/Si на розных адлегласцях ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 1 у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін); (d) Параўнанне суадносін C/Si на розных адлегласцях (0, 25, 50, 75, 100 мм) ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 (суцэльная лінія) і структуры 1 (пункцірная лінія) у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін).
На малюнку 6 паказаны змены ў дыяметры часціц і сітаватасці сыравінных абласцей дзвюх структур. На малюнку відаць, што дыяметр сыравіны памяншаецца, а сітаватасць павялічваецца каля сценкі тыгля, а сітаватасць на краі працягвае павялічвацца, а дыяметр часціц працягвае змяншацца па меры росту. Максімальная краёвая сітаватасць складае каля 0,99 пры 100 гадзінах, а мінімальны дыяметр часціц - каля 300 мкм. Дыяметр часціц павялічваецца, а сітаватасць памяншаецца на верхняй паверхні сыравіны, што адпавядае рэкрышталізацыі. Таўшчыня вобласці рэкрышталізацыі павялічваецца па меры росту, а памер і сітаватасць часціц працягваюць змяняцца. Максімальны дыяметр часціц дасягае больш за 1500 мкм, а мінімальная сітаватасць - 0,13. Акрамя таго, паколькі PG павышае тэмпературу вобласці сыравіны і перанасычэнне газу невялікае, таўшчыня рэкрышталізацыі верхняй часткі сыравіны структуры 1 невялікая, што паляпшае каэфіцыент выкарыстання сыравіны.
Малюнак 6 Змены дыяметра часціц (злева) і сітаватасці (справа) сыравіны ўчастка структуры 0 і структуры 1 у розны час, адзінка дыяметра часціц: мкм
На малюнку 7 паказана, што структура 0 дэфармуецца ў пачатку росту, што можа быць звязана з празмернай хуткасцю патоку матэрыялу, выкліканай графітызацыі краю сыравіны. Ступень дэфармацыі аслабляецца падчас наступнага працэсу росту, што адпавядае змене хуткасці патоку матэрыялу ў пярэдняй частцы росту крышталя структуры 0 на малюнку 4 (d). У структуры 1 з-за эфекту PG інтэрфейс крышталя не паказвае дэфармацыі. Акрамя таго, PG таксама значна зніжае хуткасць росту структуры 1, чым структуры 0. Цэнтральная таўшчыня крышталя структуры 1 праз 100 гадзін складае толькі 68% ад таўшчыні структуры 0.
Малюнак 7. Змены інтэрфейсу крышталяў структуры 0 і структуры 1 пры 30, 60 і 100 гадзінах
Вырошчванне крышталя ажыццяўлялася ў тэхналагічных умовах лікавага мадэлявання. Крышталі, выгадаваныя структурай 0 і структурай 1, паказаны на малюнку 8 (а) і малюнку 8 (б) адпаведна. Крышталь структуры 0 дэманструе ўвагнутую частку мяжы з хвалістасцю ў цэнтральнай вобласці і фазавым пераходам на краі. Выпукласць паверхні ўяўляе сабой пэўную ступень неаднароднасці пры транспарціроўцы газафазных матэрыялаў, а з'яўленне фазавага пераходу адпавядае нізкаму стаўленню C/Si. Паверхня падзелу крышталя, вырашчанага структурай 1, злёгку выпуклая, фазавы пераход не знойдзены, а таўшчыня складае 65% крышталя без PG. У цэлым вынікі росту крышталя адпавядаюць вынікам мадэлявання, пры большай радыяльнай розніцы тэмператур на мяжы падзелу крышталя структуры 1 хуткі рост на краі душыцца, а агульная хуткасць патоку матэрыялу меншая. Агульная тэндэнцыя адпавядае вынікам лікавага мадэлявання.
Малюнак 8. Крышталі SiC, выгадаваныя ў структуры 0 і структуры 1
Заключэнне
PG спрыяе паляпшэнню агульнай тэмпературы вобласці сыравіны і паляпшэнню восевай і радыяльнай аднастайнасці тэмпературы, спрыяючы поўнай сублімацыі і выкарыстанню сыравіны; верхняя і ніжняя розніца тэмператур павялічваецца, і радыяльны градыент паверхні крышталя затравкі павялічваецца, што дапамагае падтрымліваць рост выпуклай мяжы падзелу. З пункту гледжання масаабмену, увядзенне PG зніжае агульную хуткасць масапераносу, хуткасць патоку матэрыялу ў камеры росту, якая змяшчае PG, менш змяняецца з часам, і ўвесь працэс росту больш стабільны. У той жа час PG таксама эфектыўна перашкаджае ўзнікненню празмернага краёвага масапераносу. Акрамя таго, PG таксама павялічвае стаўленне C/Si у асяроддзі росту, асабліва на пярэднім краі падзелу затравочнага крышталя, што дапамагае паменшыць змену фазы ў працэсе росту. У той жа час цеплаізаляцыйны эфект ПГ у пэўнай ступені зніжае ўзнікненне рэкрышталізацыі ў верхняй частцы сыравіны. Для росту крышталя PG запавольвае хуткасць росту крышталя, але мяжа росту больш выпуклая. Такім чынам, PG з'яўляецца эфектыўным сродкам для паляпшэння асяроддзя росту крышталяў SiC і аптымізацыі якасці крышталяў.
Час публікацыі: 18 чэрвеня 2024 г