PõhiprotsessSiCkristallide kasv jaguneb sublimatsiooniks ja tooraine lagunemiseks kõrgel temperatuuril, gaasifaasi ainete transportimiseks temperatuurigradiendi toimel ja gaasifaasi ainete ümberkristallimise kasvuks idukristallidel. Sellest lähtuvalt jaguneb tiigli sisemus kolmeks osaks: tooraineala, kasvukamber ja seemnekristall. Tegeliku takistuse põhjal koostati numbriline simulatsioonimudelSiCmonokristallide kasvatamise seadmed (vt joonis 1). Arvutamisel: põhjatiigelon külgsoojendi põhjast 90 mm kaugusel, tiigli ülemine temperatuur on 2100 ℃, tooraineosakeste läbimõõt on 1000 μm, poorsus on 0,6, kasvurõhk on 300 Pa ja kasvuaeg on 100 h . PG paksus on 5 mm, läbimõõt on võrdne tiigli siseläbimõõduga ja see asub 30 mm toorainest kõrgemal. Arvutamisel võetakse arvesse toorainetsooni sublimatsiooni, karboniseerumise ja rekristallisatsiooni protsesse ning PG ja gaasifaasi ainete vahelist reaktsiooni ei võeta arvesse. Arvutusega seotud füüsikaliste omaduste parameetrid on toodud tabelis 1.
Joonis 1 Simulatsiooni arvutusmudel. a) termilise välja mudel kristallide kasvu simuleerimiseks; b) tiigli sisemise ala jaotus ja sellega seotud füüsilised probleemid
Tabel 1 Mõned arvutuses kasutatud füüsikalised parameetrid
Joonis 2(a) näitab, et PG-d sisaldava struktuuri (tähistatud kui struktuur 1) temperatuur on kõrgem kui PG-vaba struktuuri temperatuur (tähistatud kui struktuur 0) allpool PG ja madalam kui PG-st kõrgemal oleva struktuuri 0 temperatuur. Üldine temperatuurigradient suureneb ja PG toimib soojusisolatsioonivahendina. Vastavalt joonistele 2(b) ja 2(c) on struktuuri 1 aksiaalsed ja radiaalsed temperatuurigradientid toorainetsoonis väiksemad, temperatuurijaotus ühtlasem ja materjali sublimatsioon täielikum. Erinevalt toorainetsoonist näitab joonis 2(c), et radiaalne temperatuurigradient struktuuri 1 idukristallidel on suurem, mis võib olla põhjustatud erinevate soojusülekanderežiimide erinevatest proportsioonidest, mis aitab kristallil kumera liidesega kasvada. . Joonisel 2(d) näitab temperatuur tiigli erinevates kohtades kasvu edenedes tõusutrendi, kuid temperatuuride erinevus struktuuri 0 ja struktuuri 1 vahel väheneb järk-järgult toorainetsoonis ja suureneb järk-järgult kasvukambris.
Joonis 2 Temperatuuri jaotus ja muutused tiiglis. a) Temperatuuri jaotus konstruktsiooni 0 (vasakul) ja konstruktsiooni 1 (paremal) tiiglis 0 tunni juures, mõõtühik: ℃; (b) Temperatuuri jaotus struktuuriga 0 ja struktuuriga 1 tiigli keskjoonel toormaterjali põhjast idukristallini 0 tunni pärast; c) Temperatuuri jaotus tiigli keskelt servani idukristalli pinnal (A) ja toormaterjali pinnal (B), keskel (C) ja põhjas (D) 0 tunni pärast, horisontaaltelg r on seemnekristalli raadius A jaoks ja tooraine pindala raadius B~D jaoks; d) Struktuuri 0 ja struktuuri 1 kasvukambri ülemise osa (A), tooraine pinna (B) ja keskosa (C) temperatuurimuutused 0, 30, 60 ja 100 tunni jooksul.
Joonisel 3 on kujutatud materjali transporti erinevatel aegadel konstruktsiooni 0 ja struktuuri 1 tiiglis. Gaasifaasi materjali voolukiirus tooraine piirkonnas ja kasvukambris suureneb koos positsiooni suurenemisega ning materjali transport nõrgeneb kasvu edenedes. . Jooniselt 3 on ka näha, et simulatsioonitingimustes grafitiseerub tooraine esmalt tiigli külgseinal ja seejärel tiigli põhjas. Lisaks toimub tooraine pinnal ümberkristallisatsioon ja see pakseneb järk-järgult kasvu edenedes. Joonised 4(a) ja 4(b) näitavad, et materjali voolukiirus tooraine sees väheneb kasvu edenedes ja materjali voolukiirus 100 h juures on ligikaudu 50% algmomendist; voolukiirus on aga ääres suhteliselt suur toorme grafitiseerumise tõttu ja voolukiirus servas on rohkem kui 10 korda suurem kui voolukiirus keskmises piirkonnas 100 tunni pärast; lisaks muudab PG mõju struktuuris 1 materjali voolukiiruse konstruktsiooni 1 toorainepiirkonnas madalamaks kui struktuuris 0. Joonisel 4(c) on materjali voog nii toorainepiirkonnas kui ka kasvukamber kasvu edenedes järk-järgult nõrgeneb ja materjalivoog toorainepiirkonnas väheneb jätkuvalt, mis on tingitud õhuvoolukanali avanemisest tiigli servas ja rekristalliseerumise takistusest ülaosas; kasvukambris väheneb struktuuri 0 materjali voolukiirus kiiresti esimese 30 tunni jooksul 16%-ni ja väheneb järgneva aja jooksul vaid 3%, samas kui struktuur 1 jääb suhteliselt stabiilseks kogu kasvuprotsessi vältel. Seetõttu aitab PG stabiliseerida materjali voolukiirust kasvukambris. Joonis 4(d) võrdleb materjali voolukiirust kristallide kasvu rindel. Algmomendil ja 100 h on materjali transport konstruktsiooni 0 kasvutsoonis tugevam kui konstruktsioonis 1, kuid konstruktsiooni 0 servas on alati kõrge voolukiirusega ala, mis toob kaasa liigse kasvu servas. . PG olemasolu struktuuris 1 pärsib seda nähtust tõhusalt.
Joonis 3 Materjalivool tiiglis. Gaasimaterjali transpordi voolujooned (vasakul) ja kiirusvektorid (paremal) struktuurides 0 ja 1 erinevatel aegadel, kiirusvektori ühik: m/s
Joonis 4 Materjali voolukiiruse muutused. a) muutused materjali voolukiiruse jaotuses struktuuriga 0 toormaterjali keskel 0, 30, 60 ja 100 h juures, r on tooraine pindala raadius; b) muutused materjali voolukiiruse jaotuses struktuuri 1 tooraine keskel 0, 30, 60 ja 100 h juures, r on tooraine pindala raadius; c) konstruktsioonide 0 ja 1 materjali voolukiiruse muutused kasvukambris (A, B) ja toormaterjali sees (C, D) aja jooksul; (d) Materjali voolukiiruse jaotus struktuuride 0 ja 1 algkristalli pinna lähedal 0 ja 100 h juures, r on algkristalli raadius
C / Si mõjutab SiC kristallide kasvu kristallilist stabiilsust ja defektide tihedust. Joonis 5(a) võrdleb kahe struktuuri C/Si suhte jaotust alghetkel. C/Si suhe väheneb järk-järgult tiigli alt ülespoole ja struktuuri 1 C/Si suhe on erinevates asendites alati kõrgem kui struktuuri 0 oma. Joonised 5 (b) ja 5 (c) näitavad, et C/Si suhe suureneb järk-järgult kasvuga, mis on seotud sisetemperatuuri tõusuga hilisemas kasvufaasis, tooraine grafitiseerumise tugevnemise ja Si reaktsiooniga. komponendid gaasifaasis grafiittiigliga. Joonisel 5(d) on struktuuri 0 ja struktuuri 1 C/Si suhted üsna erinevad allpool PG-d (0, 25 mm), kuid veidi erinevad PG-st (50 mm) ja erinevus suureneb järk-järgult kristallile lähenedes. . Üldiselt on struktuuri 1 C/Si suhe suurem, mis aitab stabiliseerida kristallivormi ja vähendada faasisiirde tõenäosust.
Joonis 5 C/Si suhte jaotus ja muutused. (a) C/Si suhte jaotus struktuuriga 0 (vasakul) ja struktuuriga 1 (paremal) 0 tunni juures; (b) C/Si suhe erinevatel kaugustel konstruktsiooni 0 tiigli keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h); c) C/Si suhe erinevatel kaugustel konstruktsiooni 1 tiigli keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h); d) C/Si suhte võrdlus erinevatel kaugustel (0, 25, 50, 75, 100 mm) konstruktsiooni 0 (pidev joon) ja konstruktsiooni 1 (katkendjoon) keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h).
Joonisel 6 on näidatud kahe struktuuri osakeste läbimõõdu ja poorsuse muutused toorainepiirkondades. Joonisel on näha, et tiigli seina lähedal tooraine läbimõõt väheneb ja poorsus suureneb ning serva poorsus kasvab ja osakeste läbimõõt väheneb kasvu edenedes. Maksimaalne serva poorsus on umbes 0,99 100 tunni pärast ja minimaalne osakese läbimõõt on umbes 300 μm. Osakeste läbimõõt suureneb ja poorsus väheneb tooraine ülemisel pinnal, mis vastab ümberkristalliseerumisele. Rekristallisatsioonipiirkonna paksus suureneb kasvu edenedes ning osakeste suurus ja poorsus muutuvad jätkuvalt. Osakeste maksimaalne läbimõõt ulatub üle 1500 μm ja minimaalne poorsus on 0,13. Lisaks, kuna PG tõstab toormaterjali ala temperatuuri ja gaasi üleküllastus on väike, on struktuuri 1 tooraine ülemise osa ümberkristallimise paksus väike, mis parandab tooraine kasutusmäära.
Joonis 6 Struktuuri 0 ja struktuuri 1 tooraine pindala osakeste läbimõõdu (vasakul) ja poorsuse (paremal) muutused erinevatel aegadel, osakeste läbimõõdu ühik: μm
Joonisel 7 on näha, et struktuur 0 kõverdub kasvu alguses, mis võib olla seotud tooraine serva grafitiseerumisest põhjustatud liigse materjali voolukiirusega. Vääntumisaste nõrgeneb järgneva kasvuprotsessi käigus, mis vastab materjali voolukiiruse muutusele joonisel 4 (d) kujutatud struktuuri 0 kristallkasvu esiosas. Struktuuris 1 ei näita kristalli liides PG mõju tõttu kõverust. Lisaks muudab PG ka struktuuri 1 kasvukiiruse oluliselt madalamaks kui struktuuril 0. Struktuuri 1 kristalli keskpunkti paksus on 100 h pärast vaid 68% struktuuri 0 omast.
Joonis 7 Struktuuri 0 ja struktuuri 1 kristallide liidese muutused 30, 60 ja 100 tunni pärast
Kristallide kasv viidi läbi numbrilise simulatsiooni protsessitingimustes. Struktuuri 0 ja struktuuri 1 järgi kasvatatud kristallid on näidatud vastavalt joonisel 8(a) ja joonisel 8(b). Struktuuriga 0 kristallil on nõgus liides, mille keskosas on lainetus ja servas faasisiire. Pinna kumerus kujutab endast teatud ebahomogeensuse astet gaasifaasi materjalide transportimisel ja faasisiirde esinemine vastab madalale C/Si suhtele. Struktuuriga 1 kasvatatud kristalli liides on kergelt kumer, faasisiirdeid ei leitud ja paksus on 65% ilma PG-ta kristallist. Üldiselt vastavad kristallide kasvu tulemused simulatsiooni tulemustele, suurema radiaalse temperatuuri erinevusega struktuuri 1 kristalli liidesel, kiire kasv servas on pärsitud ja materjali üldine voolukiirus on aeglasem. Üldine suundumus on kooskõlas numbrilise simulatsiooni tulemustega.
Joonis 8 SiC kristallid, mis on kasvatatud struktuuri 0 ja struktuuri 1 all
Järeldus
PG soodustab toormaterjali ala üldise temperatuuri parandamist ning aksiaalse ja radiaalse temperatuuri ühtlust, soodustades tooraine täielikku sublimatsiooni ja kasutamist; ülemise ja alumise temperatuuri erinevus suureneb ning seemnekristalli pinna radiaalne gradient suureneb, mis aitab säilitada kumera liidese kasvu. Massiülekande osas vähendab PG kasutuselevõtt üldist massiülekande kiirust, materjali voolukiirus PG-d sisaldavas kasvukambris muutub aja jooksul vähem ja kogu kasvuprotsess on stabiilsem. Samal ajal pärsib PG tõhusalt ka liigset servamassi ülekandmist. Lisaks suurendab PG ka kasvukeskkonna C/Si suhet, eriti idukristallide liidese esiservas, mis aitab vähendada faasimuutuste esinemist kasvuprotsessis. Samas vähendab PG soojusisolatsiooniefekt teatud määral rekristalliseerumise tekkimist tooraine ülemises osas. Kristallide kasvatamiseks aeglustab PG kristallide kasvukiirust, kuid kasvuliides on kumeram. Seetõttu on PG tõhus vahend SiC kristallide kasvukeskkonna parandamiseks ja kristallide kvaliteedi optimeerimiseks.
Postitusaeg: 18. juuni 2024