Le processus de base deSiCLa croissance cristalline se divise en trois étapes : la sublimation et la décomposition des matières premières à haute température, le transport des substances en phase gazeuse sous l'effet du gradient de température, et la recristallisation des substances en phase gazeuse au niveau du germe cristallin. De ce fait, l'intérieur du creuset est divisé en trois parties : la zone des matières premières, la chambre de croissance et le germe cristallin. Un modèle de simulation numérique a été élaboré à partir des données résistives réelles.SiCÉquipement de croissance de monocristaux (voir figure 1). Dans le calcul : le bas de lacreusetLa zone de croissance est située à 90 mm du fond du dispositif de chauffage latéral. La température en haut du creuset est de 2100 °C. Le diamètre des particules de matière première est de 1000 μm, la porosité est de 0,6, la pression de croissance est de 300 Pa et la durée de croissance est de 100 h. L'épaisseur de la couche de graphite pyrolytique (PG) est de 5 mm, son diamètre est égal au diamètre intérieur du creuset et elle est située 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, mais la réaction entre la PG et les substances en phase gazeuse est négligée. Les paramètres des propriétés physiques utilisés pour le 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 (structure 1) est supérieure à celle de la structure sans PG (structure 0) en dessous du PG, et inférieure à celle de la structure 0 au-dessus du PG. Le gradient de température global augmente, le PG agissant comme un isolant thermique. D'après les figures 2(b) et 2(c), les gradients de température axial et radial de la structure 1 dans la zone de matière première sont plus faibles, la distribution de 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 important, ce qui peut être dû aux proportions différentes des différents modes de transfert de chaleur, favorisant ainsi la croissance du cristal avec une interface convexe. Sur la figure 2(d), la température à différents endroits du creuset augmente au fur et à mesure de la croissance, 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. Distribution et évolution de la température dans le creuset. (a) Distribution de la température à l'intérieur du creuset des structures 0 (à gauche) et 1 (à droite) à t = 0 h (unité : °C) ; (b) Distribution de la température sur l'axe central du creuset des structures 0 et 1, du fond de la matière première au germe cristallin, à t = 0 h ; (c) Distribution de la température du centre vers le bord du creuset, à la surface du germe cristallin (A), à la surface de la matière première (B), au milieu (C) et au fond (D), à t = 0 h. L'axe horizontal r représente le rayon du germe cristallin pour A et le rayon de la zone de matière première pour B à D ; (d) Évolution de la température au centre de la partie supérieure (A), à la surface de la matière première (B) et au milieu (C) de la chambre de croissance des structures 0 et 1 à t = 0, 30, 60 et 100 h.
La figure 3 illustre le transport de matière à différents instants dans le creuset des structures 0 et 1. Le débit de matière en phase gazeuse dans la zone de matière première et la chambre de croissance augmente avec la position, et le transport de matière diminue au fur et à mesure de la croissance. La figure 3 montre également que, dans les conditions de simulation, la matière première se graphitise d'abord sur la paroi latérale du creuset, puis sur son fond. De plus, une recristallisation se produit à la surface de la matière première, qui 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 au fur et à mesure de la croissance, et qu'à 100 h, il représente environ 50 % de sa valeur initiale. Cependant, le débit est relativement élevé en périphérie en raison de la graphitisation de la matière première ; à 100 h, il est plus de 10 fois supérieur à celui de la zone centrale. De plus, l'effet du PG dans la structure 1 réduit le débit de matière dans la zone de matière première de cette structure par rapport à celui de la structure 0. Sur la figure 4(c), le débit de matière, tant dans la zone de matière première que dans la chambre de croissance, diminue progressivement au cours de la croissance. Dans la zone de matière première, cette diminution est due à l'ouverture du canal de ventilation au bord du creuset et à l'obstruction de la recristallisation en partie supérieure. Dans la chambre de croissance, le débit de matière de la structure 0 chute rapidement à 16 % durant les 30 premières heures, puis ne diminue que de 3 % par la suite, tandis que celui de la structure 1 reste relativement stable tout au long du processus de croissance. Le PG contribue donc 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 début et après 100 h, le transport de matière dans la zone de croissance de la structure 0 est plus important que dans la structure 1. Cependant, une zone de fort débit persiste en périphérie de la structure 0, entraînant une croissance excessive à cet endroit. La présence de PG dans la structure 1 atténue efficacement ce phénomène.
Figure 3. Flux de matière dans le creuset. Lignes de courant (à gauche) et vecteurs de 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. Évolution du débit de matière. (a) Évolution de la distribution du débit de matière au centre de la matière première de la structure 0 à 0, 30, 60 et 100 h, r étant le rayon de la zone de matière première ; (b) Évolution de la distribution du débit de matière au centre 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) Évolution 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 cours 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 étant le rayon du germe cristallin.
Le rapport C/Si influence la stabilité cristalline et la densité de défauts lors de la croissance des cristaux de SiC. La figure 5(a) compare la distribution du rapport C/Si des deux structures à l'instant initial. Ce rapport diminue progressivement du bas vers le haut du creuset, et celui de la structure 1 est toujours supérieur à celui de la structure 0, quelle que soit la position. Les figures 5(b) et 5(c) montrent que le rapport C/Si augmente progressivement avec la croissance, ce qui est lié à l'élévation de la température interne en fin de croissance, à la graphitisation accrue du matériau de départ et à la réaction des composants Si en phase gazeuse avec le creuset en graphite. Sur la figure 5(d), les rapports C/Si des structures 0 et 1 sont très différents en dessous de PG (0, 25 mm), mais légèrement différents au-dessus de PG (50 mm), et cet écart s'accroît progressivement à mesure qu'on se rapproche du cristal. De manière générale, 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 des structures 0 (à gauche) et 1 (à droite) à t = 0 h ; (b) Rapport C/Si à différentes distances de l’axe central du creuset de la structure 0 à différents temps (0, 30, 60, 100 h) ; (c) Rapport C/Si à différentes distances de l’axe central du creuset de la structure 1 à différents temps (0, 30, 60, 100 h) ; (d) Comparaison du rapport C/Si à différentes distances (0, 25, 50, 75, 100 mm) de l’axe central du creuset des structures 0 (trait plein) et 1 (trait pointillé) à différents temps (0, 30, 60, 100 h).
La figure 6 illustre l'évolution du diamètre des particules et de la porosité des zones de matière première des deux structures. On observe que le diamètre des particules diminue et que la porosité augmente près de la paroi du creuset. La porosité en bordure continue d'augmenter tandis que le diamètre des particules continue de diminuer au fur et à mesure de la croissance. La porosité maximale en bordure est d'environ 0,99 après 100 h, et le diamètre minimal des particules est d'environ 300 μm. Le diamètre des particules augmente et la porosité diminue à la surface supérieure de la matière première, ce qui correspond à la recristallisation. L'épaisseur de la zone de recristallisation augmente avec la croissance, et la taille des particules et la porosité continuent d'évoluer. Le diamètre maximal des particules dépasse 1500 μm, et la porosité minimale est de 0,13. De plus, comme 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 réduite, ce qui améliore le taux d'utilisation de la matière première.
Figure 6. Évolution du diamètre des particules (à gauche) et de la porosité (à droite) de la zone de matière première des structures 0 et 1 à différents moments. Unité du diamètre des particules : μm.
La figure 7 montre que la structure 0 se déforme en début de croissance, ce qui pourrait être lié à un débit de matière excessif dû à la graphitisation du bord du matériau brut. Le degré de déformation diminue au cours de la croissance ultérieure, ce qui correspond à la variation du débit de matière au front de croissance cristalline de la structure 0 (figure 4d). Dans la structure 1, grâce à l'effet du graphène réduit considérablement la vitesse de croissance de la structure 1 par rapport à celle de la structure 0. L'épaisseur centrale du cristal de la structure 1 après 100 h ne représente que 68 % de celle de la structure 0.
Figure 7. Évolution de l'interface des cristaux de structure 0 et de structure 1 après 30, 60 et 100 h.
La croissance cristalline a été réalisée dans les conditions opératoires de la simulation numérique. Les cristaux obtenus par les structures 0 et 1 sont présentés respectivement sur les figures 8(a) et 8(b). Le cristal de la structure 0 présente une interface concave, avec des ondulations dans sa zone centrale et une transition de phase en périphérie. La convexité de surface traduit une certaine hétérogénéité dans le transport des matériaux en phase gazeuse, et l'apparition de la transition de phase correspond au faible rapport C/Si. L'interface du cristal obtenu par la structure 1 est légèrement convexe, aucune transition de phase n'est observée, et son épaisseur représente 65 % de celle du cristal sans PG. De manière générale, les résultats de la croissance cristalline concordent avec les résultats de la simulation : la différence de température radiale est plus importante à l'interface du cristal de la structure 1, la croissance rapide en périphérie est ralentie et le débit de matière global est plus faible. La tendance générale est cohérente avec les résultats de la simulation numérique.
Figure 8 Cristaux de SiC cultivés sous la structure 0 et la structure 1
Conclusion
Le PG favorise l'amélioration de la température globale de la zone de matière première et de son uniformité axiale et radiale, ce qui optimise la sublimation et l'utilisation de cette dernière. L'écart de température entre la partie supérieure et inférieure, ainsi que le gradient radial de la surface du germe cristallin, contribuent au maintien d'une interface convexe. En termes de transfert de masse, l'introduction de PG réduit le taux de transfert global, le débit de matière dans la chambre de croissance contenant du PG varie moins dans le temps et le processus de croissance est plus stable. Par ailleurs, le PG inhibe efficacement les transferts de masse excessifs en bordure. De plus, il augmente le rapport C/Si du milieu de croissance, notamment à l'interface du germe cristallin, ce qui contribue à réduire les changements de phase pendant la croissance. Enfin, l'effet d'isolation thermique du PG limite la recristallisation dans la partie supérieure de la matière première. Concernant la croissance cristalline, le PG ralentit la vitesse de croissance, mais l'interface de croissance est plus convexe. Par conséquent, le PG est un moyen efficace d'améliorer l'environnement de croissance des cristaux de SiC et d'optimiser la qualité des cristaux.
Date de publication : 18 juin 2024