Le processus de base deSiCla croissance cristalline est divisée en sublimation et décomposition des matières premières à haute température, transport de substances en phase gazeuse sous l'action d'un gradient de température et croissance par recristallisation de substances en phase gazeuse au niveau du germe cristallin. Sur cette base, l'intérieur du creuset est divisé en trois parties : la zone de matière première, la chambre de croissance et le germe cristallin. Un modèle de simulation numérique a été élaboré sur la base de la résistance résistive réelle.SiCéquipement de croissance de monocristaux (voir Figure 1). Dans le calcul : le bas ducreusetest à 90 mm du bas du réchauffeur latéral, la température supérieure du creuset est de 2 100 ℃, le diamètre des particules de matière première est de 1 000 μm, la porosité est de 0,6, la pression de croissance est de 300 Pa et le temps de croissance est de 100 h . L'épaisseur du PG est de 5 mm, le diamètre est égal au diamètre intérieur du creuset et il est situé à 30 mm au-dessus de la matière première. Les processus de sublimation, de carbonisation et de recristallisation de la zone de matière première sont pris en compte dans le calcul, et la réaction entre le PG et les substances en phase gazeuse n'est pas prise en compte. Les paramètres de propriété physique liés au calcul sont présentés dans le tableau 1.
Figure 1 Modèle de calcul de simulation. (a) Modèle de champ thermique pour la simulation de la croissance cristalline ; (b) Division de la zone interne du creuset et problèmes physiques associés
Tableau 1 Quelques paramètres physiques utilisés dans le calcul
La figure 2 (a) montre que la température de la structure contenant du PG (notée structure 1) est supérieure à celle de la structure sans PG (notée structure 0) en dessous de PG et inférieure à celle de la structure 0 au-dessus de PG. Le gradient de température global augmente et le PG agit comme un agent calorifuge. Selon les figures 2(b) et 2(c), les gradients de température axiaux et radiaux de la structure 1 dans la zone de matière première sont plus petits, la répartition de la température est plus uniforme et la sublimation du matériau est plus complète. Contrairement à la zone de matière première, la figure 2 (c) montre que le gradient de température radial au niveau du germe cristallin de la structure 1 est plus grand, ce qui peut être dû aux différentes proportions de différents modes de transfert de chaleur, ce qui aide le cristal à croître avec une interface convexe. . Sur la figure 2 (d), la température à différentes positions dans le creuset montre une tendance à la hausse à mesure que la croissance progresse, mais la différence de température entre la structure 0 et la structure 1 diminue progressivement dans la zone de matière première et augmente progressivement dans la chambre de croissance.
Figure 2 Répartition de la température et évolution dans le creuset. (a) Répartition de la température à l'intérieur du creuset de la structure 0 (à gauche) et de la structure 1 (à droite) à 0 h, unité : ℃ ; (b) Répartition de la température sur la ligne médiane du creuset de la structure 0 et de la structure 1 depuis le bas de la matière première jusqu'au germe cristallin à 0 h ; (c) Répartition de la température du centre au bord du creuset sur la surface du germe cristallin (A) et la surface de la matière première (B), le milieu (C) et le fond (D) à 0 h, l'axe horizontal r est le le rayon des germes cristallins pour A et le rayon de la zone de matière première pour B~D ; (d) Changements de température au centre de la partie supérieure (A), à la surface des matières premières (B) et au milieu (C) de la chambre de croissance de la structure 0 et de la structure 1 à 0, 30, 60 et 100 h.
La figure 3 montre le transport de matière à différents moments dans le creuset de la structure 0 et de la structure 1. Le débit de matière en phase gazeuse dans la zone de matière première et la chambre de croissance augmente avec l'augmentation de la position, et le transport de matière s'affaiblit à mesure que la croissance progresse. . La figure 3 montre également que dans les conditions de simulation, la matière première graphite d'abord sur la paroi latérale du creuset puis sur le fond du creuset. De plus, il y a une recristallisation à la surface de la matière première et celle-ci s’épaissit progressivement au fur et à mesure de la croissance. Les figures 4 (a) et 4 (b) montrent que le débit de matière à l'intérieur de la matière première diminue à mesure que la croissance progresse et que le débit de matière à 100 h est d'environ 50 % du moment initial ; cependant, le débit est relativement important au bord en raison de la graphitisation de la matière première, et le débit au bord est plus de 10 fois supérieur à celui du débit dans la zone médiane à 100 h ; de plus, l'effet du PG dans la structure 1 rend le débit de matière dans la zone de matière première de la structure 1 inférieur à celui de la structure 0. Sur la figure 4(c), le flux de matière à la fois dans la zone de matière première et dans la la chambre de croissance s'affaiblit progressivement à mesure que la croissance progresse et le flux de matière dans la zone de matière première continue de diminuer, ce qui est provoqué par l'ouverture du canal d'écoulement d'air au bord du creuset et l'obstruction de la recristallisation au sommet ; dans la chambre de croissance, le débit de matière de la structure 0 diminue rapidement au cours des 30 premières heures jusqu'à 16 %, et ne diminue que de 3 % dans le temps suivant, tandis que la structure 1 reste relativement stable tout au long du processus de croissance. Par conséquent, le PG contribue à stabiliser le débit de matière dans la chambre de croissance. La figure 4 (d) compare le débit de matière au front de croissance cristalline. Au moment initial et à 100 h, le transport de matière dans la zone de croissance de la structure 0 est plus fort que celui de la structure 1, mais il existe toujours une zone de débit élevé en bord de structure 0, ce qui conduit à une croissance excessive en bord. . La présence de PG dans la structure 1 supprime efficacement ce phénomène.
Figure 3 Flux de matière dans le creuset. Rationalisations (à gauche) et vecteurs vitesse (à droite) du transport de matière gazeuse dans les structures 0 et 1 à différents instants, unité du vecteur vitesse : m/s
Figure 4 Modifications du débit de matière. (a) Modifications de la distribution du débit de matière au milieu de la matière première de structure 0 à 0, 30, 60 et 100 h, r est le rayon de la zone de matière première ; (b) Modifications de la distribution du débit de matière au milieu de la matière première de la structure 1 à 0, 30, 60 et 100 h, r étant le rayon de la zone de matière première ; (c) Evolution du débit de matière à l'intérieur de la chambre de croissance (A, B) et à l'intérieur de la matière première (C, D) des structures 0 et 1 au fil du temps ; (d) Distribution du débit de matière près de la surface du germe cristallin des structures 0 et 1 à 0 et 100 h, r est le rayon du germe cristallin
C/Si affecte la stabilité cristalline et la densité des défauts de la croissance des cristaux de SiC. La figure 5 (a) compare la distribution du rapport C/Si des deux structures au moment initial. Le rapport C/Si diminue progressivement du bas vers le haut du creuset, et le rapport C/Si de la structure 1 est toujours supérieur à celui de la structure 0 à différentes positions. Les figures 5 (b) et 5 (c) montrent que le rapport C/Si augmente progressivement avec la croissance, ce qui est lié à l'augmentation de la température interne au stade ultérieur de la croissance, à l'amélioration de la graphitisation des matières premières et à la réaction du Si. composants en phase gazeuse avec le creuset en graphite. Sur la figure 5 (d), les rapports C/Si de la structure 0 et de la structure 1 sont assez différents en dessous de PG (0, 25 mm), mais légèrement différents au-dessus de PG (50 mm), et la différence augmente progressivement à mesure qu'on s'approche du cristal. . En général, le rapport C/Si de la structure 1 est plus élevé, ce qui contribue à stabiliser la forme cristalline et à réduire la probabilité de transition de phase.
Figure 5 Distribution et évolution du rapport C/Si. (a) Distribution du rapport C/Si dans les creusets de structure 0 (à gauche) et de structure 1 (à droite) à 0 h ; (b) Rapport C/Si à différentes distances de la ligne centrale du creuset de structure 0 à différents instants (0, 30, 60, 100 h) ; (c) Rapport C/Si à différentes distances de la ligne médiane du creuset de la structure 1 à différents instants (0, 30, 60, 100 h) ; (d) Comparaison du rapport C/Si à différentes distances (0, 25, 50, 75, 100 mm) de la ligne centrale du creuset de la structure 0 (ligne continue) et de la structure 1 (ligne pointillée) à différents instants (0, 30, 60, 100 heures).
La figure 6 montre les changements de diamètre des particules et de porosité des régions de matières premières des deux structures. La figure montre que le diamètre de la matière première diminue et que la porosité augmente près de la paroi du creuset, que la porosité des bords continue d'augmenter et que le diamètre des particules continue de diminuer à mesure que la croissance progresse. La porosité maximale des bords est d'environ 0,99 à 100 h et le diamètre minimum des particules est d'environ 300 µm. Le diamètre des particules augmente et la porosité diminue sur la surface supérieure de la matière première, correspondant à la recristallisation. L'épaisseur de la zone de recristallisation augmente à mesure que la croissance progresse, et la taille des particules et la porosité continuent de changer. Le diamètre maximal des particules atteint plus de 1 500 μm et la porosité minimale est de 0,13. De plus, étant donné que le PG augmente la température de la zone de matière première et que la sursaturation en gaz est faible, l'épaisseur de recristallisation de la partie supérieure de la matière première de la structure 1 est faible, ce qui améliore le taux d'utilisation de la matière première.
Figure 6 Modifications du diamètre des particules (à gauche) et de la porosité (à droite) de la zone de matière première de la structure 0 et de la structure 1 à différents moments, unité de diamètre des particules : μm
La figure 7 montre que la structure 0 se déforme au début de la croissance, ce qui peut être lié au débit de matière excessif provoqué par la graphitisation du bord de la matière première. Le degré de déformation est affaibli au cours du processus de croissance ultérieur, ce qui correspond au changement du débit de matière à l'avant de la croissance cristalline de la structure 0 sur la figure 4 (d). Dans la structure 1, en raison de l’effet du PG, l’interface cristalline ne présente pas de déformation. De plus, PG rend également le taux de croissance de la structure 1 nettement inférieur à celui de la structure 0. L'épaisseur centrale du cristal de la structure 1 après 100 h n'est que de 68 % de celle de la structure 0.
Figure 7 Changements d'interface des cristaux de structure 0 et de structure 1 à 30, 60 et 100 h
La croissance cristalline a été réalisée dans les conditions de simulation numérique. Les cristaux développés par la structure 0 et la structure 1 sont représentés respectivement sur la figure 8 (a) et la figure 8 (b). Le cristal de structure 0 présente une interface concave, avec des ondulations dans la zone centrale et une transition de phase au bord. La convexité de la surface représente un certain degré d'inhomogénéité dans le transport des matériaux en phase gazeuse, et l'apparition d'une transition de phase correspond au faible rapport C/Si. L'interface du cristal développé par la structure 1 est légèrement convexe, aucune transition de phase n'est trouvée et l'épaisseur représente 65 % de celle du cristal sans PG. En général, les résultats de croissance cristalline correspondent aux résultats de simulation, avec une différence de température radiale plus grande à l'interface cristalline de la structure 1, la croissance rapide au bord est supprimée et le débit global de matière est plus lent. La tendance générale est cohérente avec les résultats de simulation numérique.
Figure 8 Cristaux de SiC développés sous la structure 0 et la structure 1
Conclusion
PG favorise l'amélioration de la température globale de la zone de matière première et l'amélioration de l'uniformité de la température axiale et radiale, favorisant la pleine sublimation et l'utilisation de la matière première ; la différence de température supérieure et inférieure augmente et le gradient radial de la surface du germe cristallin augmente, ce qui contribue à maintenir la croissance de l'interface convexe. En termes de transfert de masse, l'introduction de PG réduit le taux de transfert de masse global, le débit de matière dans la chambre de croissance contenant du PG change moins avec le temps et l'ensemble du processus de croissance est plus stable. Dans le même temps, le PG inhibe également efficacement l’apparition d’un transfert excessif de masse sur les bords. De plus, le PG augmente également le rapport C/Si de l’environnement de croissance, en particulier au bord avant de l’interface des germes cristallins, ce qui contribue à réduire l’apparition de changements de phase au cours du processus de croissance. Dans le même temps, l’effet d’isolation thermique du PG réduit dans une certaine mesure l’apparition de recristallisation dans la partie supérieure de la matière première. Pour la croissance cristalline, le PG ralentit le taux de croissance cristalline, mais l’interface de croissance est plus convexe. Par conséquent, le PG constitue un moyen efficace pour améliorer l’environnement de croissance des cristaux de SiC et optimiser la qualité des cristaux.
Heure de publication : 18 juin 2024