Основният процес наSiCрастежът на кристалите се разделя на сублимация и разлагане на суровини при висока температура, транспортиране на вещества от газова фаза под действието на температурен градиент и растеж на рекристализация на вещества от газова фаза при зародишния кристал. Въз основа на това вътрешността на тигела е разделена на три части: зона за суровини, камера за растеж и зародишен кристал. Числен симулационен модел беше начертан на базата на действителното съпротивлениеSiCоборудване за растеж на единични кристали (вижте Фигура 1). При изчислението: дъното натигеле на 90 mm от дъното на страничния нагревател, горната температура на тигела е 2100 ℃, диаметърът на частиците на суровината е 1000 μm, порьозността е 0,6, налягането на растеж е 300 Pa и времето за растеж е 100 h . Дебелината на PG е 5 mm, диаметърът е равен на вътрешния диаметър на тигела и се намира на 30 mm над суровината. Процесите на сублимация, карбонизация и прекристализация на зоната на суровината се вземат предвид при изчислението, а реакцията между PG и вещества от газовата фаза не се взема предвид. Параметрите на физическото свойство, свързани с изчислението, са показани в таблица 1.
Фигура 1 Симулационен изчислителен модел. (a) Модел на термично поле за симулация на растеж на кристали; (b) Разделяне на вътрешната площ на тигела и свързаните с това физически проблеми
Таблица 1 Някои физически параметри, използвани при изчислението
Фигура 2 (а) показва, че температурата на структурата, съдържаща PG (означена като структура 1), е по-висока от тази на структурата без PG (означена като структура 0) под PG и по-ниска от тази на структура 0 над PG. Общият температурен градиент се увеличава и PG действа като топлоизолиращ агент. Съгласно фигури 2 (b) и 2 (c), аксиалните и радиалните температурни градиенти на структура 1 в зоната на суровината са по-малки, разпределението на температурата е по-равномерно и сублимацията на материала е по-пълна. За разлика от зоната на суровината, Фигура 2 (c) показва, че радиалният градиент на температурата в зародишния кристал на структура 1 е по-голям, което може да се дължи на различните пропорции на различните режими на топлопредаване, което помага на кристала да расте с изпъкнал интерфейс . На фигура 2 (d) температурата на различни позиции в тигела показва нарастваща тенденция с напредването на растежа, но температурната разлика между структура 0 и структура 1 постепенно намалява в зоната на суровината и постепенно се увеличава в камерата за растеж.
Фигура 2 Разпределение на температурата и промени в тигела. (a) Разпределение на температурата вътре в тигела на структура 0 (вляво) и структура 1 (вдясно) при 0 h, единица: ℃; (b) Разпределение на температурата по централната линия на тигела на структура 0 и структура 1 от дъното на суровината до зародишния кристал при 0 h; (c) Разпределение на температурата от центъра към ръба на тигела върху повърхността на зародишния кристал (A) и повърхността на суровината (B), средата (C) и дъното (D) при 0 h, хоризонталната ос r е радиус на зародишния кристал за A и радиус на площта на суровината за B~D; (d) Температурни промени в центъра на горната част (A), повърхността на суровината (B) и средата (C) на растежната камера на структура 0 и структура 1 при 0, 30, 60 и 100 h.
Фигура 3 показва транспортирането на материала в различно време в тигела на структура 0 и структура 1. Скоростта на потока на материала в газовата фаза в областта на суровините и камерата за растеж се увеличава с увеличаване на позицията и транспортирането на материала отслабва с напредването на растежа . Фигура 3 също показва, че при условията на симулация, суровината първо се графитира върху страничната стена на тигела и след това върху дъното на тигела. Освен това има рекристализация на повърхността на суровината и тя постепенно се удебелява с напредването на растежа. Фигури 4(a) и 4(b) показват, че скоростта на потока на материала вътре в суровината намалява с напредването на растежа и скоростта на потока на материала при 100 h е около 50% от началния момент; скоростта на потока обаче е относително голяма на ръба поради графитизацията на суровината и скоростта на потока на ръба е повече от 10 пъти по-голяма от скоростта на потока в средната зона при 100 h; в допълнение, ефектът на PG в структура 1 прави скоростта на потока на материала в областта на суровините на структура 1 по-ниска от тази на структура 0. На фигура 4(c), потокът на материала както в зоната на суровините, така и в камерата за растеж постепенно отслабва с напредването на растежа и потокът на материала в областта на суровините продължава да намалява, което се причинява от отварянето на канала за въздушен поток на ръба на тигела и възпрепятстването на рекристализацията при горната част; в камерата за растеж скоростта на потока на материала на структура 0 намалява бързо през първите 30 часа до 16% и намалява само с 3% в последващото време, докато структура 1 остава относително стабилна през целия процес на растеж. Следователно, PG помага да се стабилизира скоростта на потока на материала в камерата за растеж. Фигура 4(d) сравнява скоростта на потока на материала на фронта на растеж на кристала. В началния момент и 100 часа транспортирането на материала в зоната на растеж на структура 0 е по-силно от това в структура 1, но винаги има зона с висок дебит на ръба на структура 0, което води до прекомерен растеж на ръба . Наличието на PG в структура 1 ефективно потиска това явление.
Фигура 3 Материален поток в тигела. Линии на тока (вляво) и вектори на скоростта (вдясно) на транспортиране на газови материали в структури 0 и 1 в различно време, векторна единица на скоростта: m/s
Фигура 4 Промени в скоростта на потока на материала. (a) Промени в разпределението на скоростта на материалния поток в средата на суровината от структура 0 при 0, 30, 60 и 100 h, r е радиусът на зоната на суровината; (b) Промени в разпределението на скоростта на материалния поток в средата на суровината от структура 1 при 0, 30, 60 и 100 h, r е радиусът на зоната на суровината; (c) Промени в скоростта на потока на материала вътре в камерата за растеж (A, B) и вътре в суровината (C, D) на структури 0 и 1 във времето; (d) Разпределение на скоростта на потока на материала в близост до повърхността на зародишния кристал на структури 0 и 1 при 0 и 100 h, r е радиусът на зародишния кристал
C/Si влияе върху кристалната стабилност и плътността на дефектите при растежа на кристалите SiC. Фигура 5 (а) сравнява разпределението на съотношението C / Si на двете структури в началния момент. Съотношението C/Si постепенно намалява от дъното към върха на тигела и съотношението C/Si на структура 1 винаги е по-високо от това на структура 0 на различни позиции. Фигури 5 (b) и 5 (c) показват, че съотношението C/Si постепенно се увеличава с растежа, което е свързано с повишаването на вътрешната температура в по-късния етап на растеж, засилването на графитизацията на суровината и реакцията на Si компоненти в газовата фаза с графитния тигел. На фигура 5(d) съотношенията C/Si на структура 0 и структура 1 са доста различни под PG (0, 25 mm), но малко по-различни над PG (50 mm) и разликата постепенно се увеличава, когато се приближава до кристала . Като цяло съотношението C/Si на структура 1 е по-високо, което спомага за стабилизиране на кристалната форма и намалява вероятността от фазов преход.
Фигура 5 Разпределение и промени в съотношението C/Si. ( а ) Разпределение на съотношението C / Si в тигели със структура 0 (вляво) и структура 1 (вдясно) при 0 h; (b) съотношение C/Si на различни разстояния от централната линия на тигела на структура 0 в различно време (0, 30, 60, 100 h); (c) съотношение C/Si на различни разстояния от централната линия на тигела на структура 1 в различно време (0, 30, 60, 100 h); (d) Сравнение на съотношението C/Si на различни разстояния (0, 25, 50, 75, 100 mm) от централната линия на тигела на структура 0 (плътна линия) и структура 1 (пунктирана линия) в различни моменти (0, 30, 60, 100 часа).
Фигура 6 показва промените в диаметъра на частиците и порьозността на областите на суровината на двете структури. Фигурата показва, че диаметърът на суровината намалява и порьозността се увеличава близо до стената на тигела, а порьозността на ръба продължава да се увеличава и диаметърът на частиците продължава да намалява с напредването на растежа. Максималната порьозност на ръба е около 0,99 при 100 h, а минималният диаметър на частиците е около 300 μm. Диаметърът на частиците се увеличава и порьозността намалява на горната повърхност на суровината, съответстваща на рекристализация. Дебелината на зоната на рекристализация се увеличава с напредването на растежа, а размерът на частиците и порьозността продължават да се променят. Максималният диаметър на частиците достига повече от 1500 μm, а минималната порьозност е 0,13. В допълнение, тъй като PG повишава температурата на зоната на суровината и пренасищането на газа е малко, дебелината на рекристализацията на горната част на суровината от структура 1 е малка, което подобрява степента на използване на суровината.
Фигура 6 Промени в диаметъра на частиците (вляво) и порьозността (вдясно) на зоната на суровината на структура 0 и структура 1 в различно време, единица за диаметър на частиците: μm
Фигура 7 показва, че структура 0 се изкривява в началото на растежа, което може да е свързано с прекомерната скорост на потока на материала, причинена от графитизацията на ръба на суровината. Степента на изкривяване е отслабена по време на последващия процес на растеж, което съответства на промяната в скоростта на потока на материала в предната част на кристалния растеж на структура 0 на фигура 4 (d). В структура 1, поради ефекта на PG, кристалният интерфейс не показва изкривяване. В допълнение, PG също прави скоростта на растеж на структура 1 значително по-ниска от тази на структура 0. Централната дебелина на кристала на структура 1 след 100 часа е само 68% от тази на структура 0.
Фигура 7 Промени в интерфейса на кристали структура 0 и структура 1 при 30, 60 и 100 часа
Растежът на кристали се извършва при условията на процеса на числена симулация. Кристалите, отгледани от структура 0 и структура 1, са показани съответно на Фигура 8(a) и Фигура 8(b). Кристалът от структура 0 показва вдлъбнат интерфейс, с вълнообразност в централната област и фазов преход на ръба. Повърхностната изпъкналост представлява определена степен на нехомогенност при транспортирането на материали в газова фаза, а появата на фазов преход съответства на ниското съотношение C/Si. Интерфейсът на кристала, отгледан от структура 1, е леко изпъкнал, не се открива фазов преход и дебелината е 65% от кристала без PG. Като цяло резултатите от растежа на кристалите съответстват на резултатите от симулацията, с по-голяма радиална температурна разлика в кристалния интерфейс на структура 1, бързият растеж на ръба е потиснат и общата скорост на потока на материала е по-бавна. Общата тенденция е в съответствие с резултатите от числената симулация.
Фигура 8 SiC кристали, отгледани под структура 0 и структура 1
Заключение
PG благоприятства подобряването на общата температура на зоната на суровината и подобряването на аксиалната и радиалната температурна равномерност, насърчавайки пълната сублимация и използване на суровината; разликата в горната и долната температура се увеличава и радиалният градиент на повърхността на зародишния кристал се увеличава, което спомага за поддържане на растежа на изпъкналия интерфейс. По отношение на трансфера на маса, въвеждането на PG намалява общата скорост на трансфер на маса, скоростта на потока на материала в камерата за растеж, съдържаща PG, се променя по-малко с времето и целият процес на растеж е по-стабилен. В същото време PG също така ефективно инхибира появата на прекомерен трансфер на маса по ръба. В допълнение, PG също така увеличава съотношението C/Si на растежната среда, особено в предния ръб на интерфейса на зародишния кристал, което помага да се намали появата на фазова промяна по време на процеса на растеж. В същото време топлоизолационният ефект на PG намалява до известна степен появата на прекристализация в горната част на суровината. За растеж на кристали, PG забавя скоростта на растеж на кристалите, но границата на растеж е по-изпъкнала. Следователно, PG е ефективно средство за подобряване на средата за растеж на SiC кристали и оптимизиране на качеството на кристалите.
Време на публикуване: 18 юни 2024 г