基本的なプロセスは、SiC結晶成長は、高温での原料の昇華と分解、温度勾配の作用による気相物質の輸送、種結晶での気相物質の再結晶成長に分けられます。これに基づいて、るつぼの内部は原料エリア、成長室、種結晶の 3 つの部分に分かれています。実際の抵抗値に基づいて数値シミュレーション モデルが描画されました。SiC単結晶成長装置（図 1 を参照）。計算上：坩堝側面ヒーターの底面からの距離は９０ｍｍ、るつぼの上部温度は２１００℃、原料粒子径は１０００μｍ、気孔率は０．６、成長圧力は３００Ｐａ、成長時間は１００ｈである。 。 PG の厚さは 5 mm、直径はるつぼの内径と等しく、原料から 30 mm 上に位置します。計算では原料ゾーンの昇華、炭化、再結晶過程が考慮されており、PGと気相物質との反応は考慮されていません。計算に関係する物性パラメータを表1に示します。
図1 シミュレーション計算モデル。 (a) 結晶成長シミュレーション用の熱場モデル。 (b) るつぼの内部領域の分割とそれに関連する物理的問題
表 1 計算に使用されるいくつかの物理パラメータ
図 2(a) は、PG を含む構造 (構造 1 として示す) の温度が、PG より下では PG を含まない構造 (構造 0 として示す) の温度より高く、PG より上の構造 0 の温度よりも低いことを示しています。全体の温度勾配が大きくなり、PG が断熱剤として機能します。図 2(b) および 2(c) によれば、原料ゾーンにおける構造 1 の軸方向および半径方向の温度勾配は小さく、温度分布はより均一であり、材料の昇華はより完全です。原料ゾーンとは異なり、図 2(c) は、構造 1 の種結晶での半径方向の温度勾配がより大きいことを示しています。これは、異なる熱伝達モードの異なる比率によって引き起こされる可能性があり、凸面界面で結晶が成長するのに役立ちます。 。図 2(d) では、成長が進むにつれてるつぼ内のさまざまな位置の温度が上昇する傾向を示していますが、構造 0 と構造 1 の間の温度差は、原料ゾーンでは徐々に減少し、成長チャンバーでは徐々に増加します。
図2 るつぼ内の温度分布と変化。 (a) 0 時間における構造 0 (左) と構造 1 (右) のるつぼ内の温度分布、単位: ℃。 (b) 0 時間における原料底部から種結晶までの構造 0 および構造 1 のるつぼの中心線上の温度分布。 (c) 0 時間における種結晶表面 (A) および原料表面 (B)、中央 (C) および底部 (D) のるつぼの中心から端までの温度分布。横軸 r はAは種結晶半径、B～Dは原料領域半径。 (d) 0、30、60、100 時間における構造 0 および構造 1 の成長チャンバーの上部 (A)、原料表面 (B)、および中央 (C) の中心の温度変化。
図 3 は、構造 0 と構造 1 のるつぼ内の異なる時点での材料輸送を示しています。原料領域および成長チャンバー内の気相材料流量は位置の増加とともに増加し、材料輸送は成長が進行するにつれて弱まります。 。図 3 は、シミュレーション条件下で、原料が最初にるつぼの側壁で黒鉛化し、次にるつぼの底で黒鉛化することも示しています。また、素材の表面には再結晶が起こり、成長が進むにつれて徐々に厚くなります。図 4(a) および 4(b) は、成長が進行するにつれて原料内の材料流量が減少し、100 時間での材料流量が初期瞬間の約 50% であることを示しています。ただし、原料の黒鉛化により端部の流量は比較的大きく、100 時間では端部の流量は中央領域の流量の 10 倍以上になります。さらに、構造 1 の PG の効果により、構造 1 の原料領域の材料流量が構造 0 の材料流量よりも低くなります。図 4(c) では、原料領域と成長チャンバーは成長が進行するにつれて徐々に弱くなり、原料領域内の材料の流れは減少し続けます。これは、るつぼの端にある空気流路の開口部と上部での再結晶化の障害によって引き起こされます。成長チャンバー内では、構造 0 の材料流量は最初の 30 時間で 16% まで急速に減少し、その後は 3% しか減少しませんが、構造 1 は成長プロセス全体を通じて比較的安定したままです。したがって、PG は成長チャンバー内の材料の流量を安定させるのに役立ちます。図 4(d) は、結晶成長フロントでの材料の流量を比較しています。初期の瞬間と 100 時間では、構造 0 の成長ゾーンでの材料輸送は構造 1 よりも強力ですが、構造 0 のエッジには常に高流量領域があり、エッジでの過剰な成長につながります。 。構造 1 に PG が存在すると、この現象が効果的に抑制されます。
図 3 るつぼ内の物質の流れ。異なる時点での構造 0 および 1 におけるガス材料輸送の流線 (左) と速度ベクトル (右)、速度ベクトルの単位: m/s
図4 原料流量の変化(a) 0、30、60、および 100 時間における構造 0 の原料の中央における原料流量分布の変化。r は原料領域の半径です。 (b) 0、30、60、および 100 時間における構造 1 の原料の中央における原料流量分布の変化。r は原料領域の半径です。 (c) 構造 0 および 1 の成長チャンバー内 (A、B) および原料内部 (C、D) の材料流量の時間の経過に伴う変化。 (d) 0 および 100 時間における構造 0 および 1 の種結晶表面付近の材料流量分布、r は種結晶の半径
C/Si は、SiC 結晶成長の結晶安定性と欠陥密度に影響を与えます。図 5(a) は、初期時点での 2 つの構造の C/Si 比分布を比較しています。 C/Si 比はるつぼの底部から上部に向かって徐々に減少し、異なる位置では構造 1 の C/Si 比は常に構造 0 の C/Si 比よりも高くなります。図 5(b) と図 5(c) は、C/Si 比が成長とともに徐々に増加することを示しています。これは、成長後期の内部温度の上昇、原料の黒鉛化の促進、および Si の反応に関連しています。黒鉛るつぼを使用して気相中の成分を分離します。図 5(d) では、構造 0 と構造 1 の C/Si 比は、PG (0、25 mm) より下では大きく異なりますが、PG (50 mm) より上ではわずかに異なり、結晶に近づくにつれて差が徐々に大きくなります。 。一般に、構造 1 の C/Si 比はより高く、これにより結晶形態が安定化し、相転移の可能性が低くなります。
図5 C/Si比の分布と変化。 (a) 0 時間における構造 0 (左) および構造 1 (右) のるつぼ内の C/Si 比分布。 （b）異なる時間（0、30、60、100時間）における構造0のるつぼの中心線からの異なる距離でのC/Si比。 （c）異なる時間（0、30、60、100時間）における構造1のるつぼの中心線からの異なる距離でのC/Si比。 （ d ）異なる時間（0、25、50、75、100 mm）での構造0（実線）と構造1（破線）のるつぼの中心線からの異なる距離（0、25、50、75、100 mm）でのC / Si比の比較。 30、60、100時間）。
図 6 に 2 つの構造の原料領域の粒子径と気孔率の変化を示します。この図は、るつぼ壁付近で原料の直径が減少し、気孔率が増加し、成長が進行するにつれて端の気孔率が増加し続け、粒子直径が減少し続けることを示しています。最大エッジ気孔率は 100 時間で約 0.99、最小粒子直径は約 300 μm です。再結晶化に対応して、原料の上面では粒子径が増加し、気孔率が減少します。再結晶領域の厚さは成長が進むにつれて増加し、粒子サイズと気孔率は変化し続けます。最大粒子径は1500μm以上に達し、最小気孔率は0.13です。また、ＰＧは原料領域の温度を上昇させ、ガス過飽和が小さいため、構造１の原料上部の再結晶厚さが小さくなり、原料利用率が向上する。
図6 異なる時間における構造0と構造1の原料領域の粒子径（左）と気孔率（右）の変化、粒子径単位：μm
図 7 は、構造 0 が成長の開始時に歪むことを示しています。これは、原材料エッジの黒鉛化によって引き起こされる過剰な材料流量に関連している可能性があります。反りの程度はその後の成長プロセス中に弱くなり、これは図 4 (d) の構造 0 の結晶成長の先頭での材料流量の変化に対応します。構造１では、ＰＧの効果により、結晶界面に反りは見られない。さらに、PG は構造 1 の成長速度を構造 0 の成長速度よりも大幅に遅くします。100 時間後の構造 1 の結晶の中心厚さは、構造 0 の結晶の中心厚さのわずか 68% です。
図 7 30、60、および 100 時間における構造 0 結晶と構造 1 結晶の界面変化
数値シミュレーションのプロセス条件で結晶成長を実施した。構造 0 および構造 1 によって成長した結晶をそれぞれ図 8(a) および図 8(b) に示します。構造 0 の結晶は、中央領域に起伏があり、端に相転移がある凹面界面を示します。表面の凸面は気相物質の輸送におけるある程度の不均一性を表しており、相転移の発生は低い C/Si 比に対応しています。構造 1 で成長した結晶の界面はわずかに凸面であり、相転移は見られず、厚さは PG なしの結晶の 65% です。一般に、結晶成長の結果はシミュレーション結果と一致しており、構造 1 の結晶界面での半径方向の温度差が大きくなり、エッジでの急速な成長が抑制され、全体の材料の流量が遅くなります。全体的な傾向は数値シミュレーション結果と一致しています。
図 8 構造 0 および構造 1 で成長した SiC 結晶
結論
PG は原料領域全体の温度の向上と軸方向および半径方向の温度均一性の向上に役立ち、原料の完全な昇華と利用を促進します。上部と下部の温度差が増加し、種結晶表面の半径方向の勾配が増加し、凸面界面の成長を維持するのに役立ちます。物質移動の観点からは、PG の導入により全体の物質移動速度が低下し、PG を含む成長チャンバー内の材料流量の時間変化が少なくなり、成長プロセス全体がより安定します。同時に、PG は過度のエッジ物質移動の発生も効果的に抑制します。さらに、PG は成長環境、特に種結晶界面の前端での C/Si 比も増加させ、成長プロセス中の相変化の発生を軽減します。同時にPGの断熱効果により原料上部の再結晶の発生がある程度抑制されます。結晶成長の場合、PG は結晶成長速度を遅くしますが、成長界面はより凸状になります。したがって、PGはSiC結晶の成長環境を改善し、結晶品質を最適化する有効な手段となります。
投稿日時: 2024 年 6 月 18 日