기본 프로세스는SiC결정 성장은 고온에서 원료의 승화 및 분해, 온도 구배에 따른 기상 물질의 이동, 종자 결정에서 기상 물질의 재결정 성장으로 구분됩니다. 이를 바탕으로 도가니 내부는 원료 영역, 성장실, 종자 결정의 세 부분으로 구분됩니다. 실제 저항력을 기반으로 수치 시뮬레이션 모델을 작성했습니다.SiC단결정 성장 장비(그림 1 참조). 계산에서: 맨 아래도가니측면히터 바닥으로부터 90mm 떨어져 있고, 도가니 상부온도는 2100℃, 원료입경은 1000μm, 기공률은 0.6, 성장압력은 300Pa, 성장시간은 100h이다. . PG 두께는 5mm이고, 직경은 도가니 내경과 동일하며, 원료로부터 30mm 위에 위치한다. 계산에는 원료 영역의 승화, 탄화, 재결정화 과정이 고려되며, PG와 기상 물질 간의 반응은 고려되지 않습니다. 계산 관련 물리적 특성 매개변수는 표 1에 나와 있습니다.
그림 1 시뮬레이션 계산 모델. (a) 결정 성장 시뮬레이션을 위한 열장 모델; (b) 도가니 내부 영역의 분할 및 이와 관련된 물리적 문제
표 1 계산에 사용된 일부 물리적 매개변수
그림 2(a)는 PG 함유 구조(구조 1로 표시됨)의 온도가 PG 아래의 PG 없는 구조(구조 0으로 표시됨)의 온도보다 높고 PG 위의 구조 0보다 낮다는 것을 보여줍니다. 전체적인 온도 구배가 증가하고 PG는 단열재 역할을 합니다. 그림 2(b) 및 2(c)에 따르면 원료 영역에서 구조 1의 축 방향 및 반경 방향 온도 구배가 더 작고 온도 분포가 더 균일하며 재료의 승화가 더 완전합니다. 원료 영역과 달리 그림 2(c)는 구조 1의 종자 결정의 반경 방향 온도 구배가 더 크다는 것을 보여줍니다. 이는 다양한 열 전달 모드의 비율이 다르기 때문에 발생할 수 있으며 이는 볼록한 경계면에서 결정이 성장하는 데 도움이 됩니다. . 그림 2(d)에서 도가니 내 온도는 성장이 진행됨에 따라 증가하는 경향을 보이나, 구조 0과 구조 1의 온도 차이는 원료 영역에서는 점차 감소하고 성장 챔버에서는 점차 증가합니다.
그림 2 도가니의 온도 분포와 변화. (a) 0시간에 구조 0(왼쪽)과 구조 1(오른쪽)의 도가니 내부 온도 분포, 단위: ℃; (b) 0시간에서 원료 바닥부터 종자정까지 구조 0과 구조 1의 도가니 중심선의 온도 분포; (c) 0시간에 종자결정 표면(A)과 원료 표면(B), 중간(C) 및 바닥(D)의 도가니 중심에서 가장자리까지의 온도 분포, 가로축 r은 A의 경우 종자결정 반경, B~D의 경우 원료 면적 반경; (d) 구조 0 및 구조 1의 성장 챔버의 상부(A) 중앙, 원료 표면(B) 및 중간(C)의 온도 변화는 0, 30, 60 및 100시간에 발생합니다.
그림 3은 구조 0과 구조 1의 도가니에서 서로 다른 시간에 물질 수송을 보여줍니다. 원료 영역과 성장 챔버의 기상 물질 유량은 위치가 증가함에 따라 증가하고, 성장이 진행됨에 따라 물질 수송이 약해집니다. . 그림 3은 또한 시뮬레이션 조건에서 원료가 먼저 도가니의 측벽에서 흑연화되고 그 다음 도가니 바닥에서 흑연화되는 것을 보여줍니다. 또한 원료 표면에 재결정이 일어나며 성장이 진행됨에 따라 점차 두꺼워진다. 그림 4(a)와 4(b)는 성장이 진행됨에 따라 원료 내부의 재료 흐름 속도가 감소하고 100h에서의 재료 흐름 속도는 초기 순간의 약 50%임을 보여줍니다. 그러나 원료의 흑연화로 인해 가장자리의 유속은 상대적으로 크고 가장자리의 유속은 100h에서 중간 영역의 유속보다 10배 이상 높습니다. 또한 구조 1에서 PG의 효과로 인해 구조 1의 원료 영역에서의 재료 흐름 속도가 구조 0의 것보다 낮아집니다. 그림 4(c)에서 원료 영역과 재료 영역 모두에서 재료 흐름이 발생합니다. 성장이 진행됨에 따라 성장 챔버가 점차 약화되고, 도가니 가장자리의 공기 흐름 채널이 열리고 상단의 재결정이 방해되어 원료 영역의 재료 흐름이 계속 감소합니다. 성장 챔버에서 구조 0의 재료 유량은 초기 30시간에서 16%로 급격히 감소하고 후속 시간에는 3%만 감소하는 반면 구조 1은 성장 프로세스 전반에 걸쳐 상대적으로 안정적으로 유지됩니다. 따라서 PG는 성장 챔버의 재료 흐름 속도를 안정화하는 데 도움이 됩니다. 그림 4(d)는 결정 성장 전면의 재료 흐름 속도를 비교합니다. 초기 순간과 100시간에서 구조 0의 성장 영역에서의 물질 수송은 구조 1의 것보다 강하지만 구조 0의 가장자리에는 항상 높은 유속 영역이 있어 가장자리에서 과도한 성장이 발생합니다. . 구조 1에 PG가 존재하면 이러한 현상이 효과적으로 억제됩니다.
그림 3 도가니의 재료 흐름. 서로 다른 시간에 구조 0과 1에서 가스 물질 수송의 유선형(왼쪽)과 속도 벡터(오른쪽), 속도 벡터 단위: m/s
그림 4 재료 흐름 속도의 변화. (a) 0, 30, 60 및 100h에서 구조 0의 원료 중간의 재료 유량 분포의 변화, r은 원료 영역의 반경입니다. (b) 0, 30, 60, 100h에서 구조 1의 원료 중간의 재료 유량 분포의 변화, r은 원료 영역의 반경입니다. (c) 시간에 따른 구조 0과 구조 1의 성장 챔버(A, B) 내부와 원료(C, D) 내부의 재료 유량 변화; (d) 0과 100시간에 구조 0과 1의 종자 결정 표면 근처의 물질 유량 분포, r은 종자 결정의 반경입니다.
C/Si는 SiC 결정 성장의 결정 안정성과 결함 밀도에 영향을 미칩니다. 그림 5(a)는 초기 순간에 두 구조의 C/Si 비율 분포를 비교합니다. C/Si 비율은 도가니 바닥에서 상단으로 점차 감소하며 구조 1의 C/Si 비율은 다른 위치에서 구조 0의 C/Si 비율보다 항상 높습니다. 도 5(b) 및 5(c)는 성장에 따라 C/Si 비율이 점차 증가하는 것을 보여주며, 이는 성장 후기의 내부 온도 상승, 원료 흑연화 강화 및 Si의 반응과 관련이 있다. 흑연 도가니를 사용하여 기상의 구성 요소. 그림 5(d)에서 구조 0과 구조 1의 C/Si 비율은 PG(0, 25mm) 이하에서는 상당히 다르지만 PG(50mm) 이상에서는 약간 다르며 결정에 가까워질수록 그 차이가 점차 커집니다. . 일반적으로 구조 1의 C/Si 비율이 더 높아 결정 형태를 안정화하고 상전이 확률을 줄이는 데 도움이 됩니다.
그림 5 C/Si 비율의 분포 및 변화. (a) 0시간에 구조 0(왼쪽)과 구조 1(오른쪽) 도가니의 C/Si 비율 분포; (b) 서로 다른 시간(0, 30, 60, 100시간)에 구조 0의 도가니 중심선으로부터 서로 다른 거리에서의 C/Si 비율; (c) 서로 다른 시간(0, 30, 60, 100시간)에 구조 1의 도가니 중심선으로부터 서로 다른 거리에서의 C/Si 비율; (d) 서로 다른 시간(0, 0, 30, 60, 100시간).
그림 6은 두 구조의 원료 영역의 입자 직경과 기공률의 변화를 보여줍니다. 그림은 도가니 벽 근처에서 원료 직경이 감소하고 기공률이 증가하며 성장이 진행됨에 따라 가장자리 기공률이 계속 증가하고 입자 직경이 계속 감소하는 것을 보여줍니다. 최대 가장자리 다공성은 100시간에서 약 0.99이고, 최소 입자 직경은 약 300μm입니다. 재결정화에 따라 원료 상부 표면의 입자 직경이 증가하고 기공률이 감소합니다. 성장이 진행됨에 따라 재결정 영역의 두께가 증가하고 입자 크기와 기공률이 계속 변화합니다. 최대 입자 직경은 1500μm 이상이고 최소 다공성은 0.13입니다. 또한, PG는 원료 영역의 온도를 높이고 가스 과포화도가 작으므로 구조 1의 원료 상부의 재결정 두께가 작아 원료 활용률이 향상된다.
그림 6 서로 다른 시간에 따른 구조 0과 구조 1의 원료 면적의 입자 직경(왼쪽)과 공극률(오른쪽)의 변화, 입자 직경 단위: μm
그림 7은 구조 0이 성장 초기에 휘어지는 것을 보여주며, 이는 원료 가장자리의 흑연화로 인한 과도한 재료 흐름 속도와 관련이 있을 수 있습니다. 뒤틀림 정도는 후속 성장 과정에서 약화되는데, 이는 그림 4(d)의 구조 0의 결정 성장 전면에서 물질 유량의 변화에 해당합니다. 구조 1에서는 PG의 효과로 인해 결정 계면에 휘어짐이 나타나지 않습니다. 또한 PG는 구조 1의 성장 속도를 구조 0의 성장 속도보다 상당히 낮게 만듭니다. 100시간 후 구조 1의 결정 중심 두께는 구조 0의 결정 중심 두께의 68%에 불과합니다.
그림 7 30, 60, 100시간에서 구조 0과 구조 1 결정의 인터페이스 변화
수치 시뮬레이션의 공정 조건에서 결정 성장을 수행했습니다. 구조 0과 구조 1에 의해 성장된 결정은 각각 그림 8(a)와 그림 8(b)에 나와 있습니다. 구조 0의 결정은 중앙 영역에 기복이 있고 가장자리에 위상 전이가 있는 오목한 경계면을 보여줍니다. 표면의 볼록함은 기상 물질의 이동에서 어느 정도의 불균일성을 나타내며, 상전이의 발생은 낮은 C/Si 비율에 해당합니다. 구조 1에 의해 성장된 결정의 경계면은 약간 볼록하고 상전이가 발견되지 않으며 두께는 PG가 없는 결정의 65%입니다. 일반적으로 결정 성장 결과는 시뮬레이션 결과와 일치하며 구조 1의 결정 경계면에서 반경 방향 온도 차이가 클수록 가장자리에서의 빠른 성장이 억제되고 전체 재료 흐름 속도가 느려집니다. 전반적인 추세는 수치 시뮬레이션 결과와 일치합니다.
그림 8 구조 0과 구조 1에서 성장한 SiC 결정
결론
PG는 원료 영역의 전체 온도를 개선하고 축 및 반경 방향 온도 균일성을 개선하여 원료의 완전한 승화 및 활용을 촉진하는 데 도움이 됩니다. 상단과 하단 온도차가 증가하고 종자 결정 표면의 방사형 구배가 증가하여 볼록한 경계면 성장을 유지하는 데 도움이 됩니다. 물질 전달 측면에서 PG의 도입은 전체 물질 전달 속도를 감소시키고 PG가 포함된 성장 챔버의 물질 흐름 속도는 시간에 따라 덜 변화하며 전체 성장 과정은 더욱 안정적입니다. 동시에 PG는 과도한 가장자리 질량 전달의 발생을 효과적으로 억제합니다. 또한 PG는 성장 환경, 특히 종자정 경계면의 앞쪽 가장자리에서 C/Si 비율을 증가시켜 성장 과정에서 상 변화 발생을 줄이는 데 도움이 됩니다. 동시에, PG의 단열 효과로 인해 원료 상부의 재결정 발생이 어느 정도 감소됩니다. 결정 성장의 경우 PG는 결정 성장 속도를 늦추지만 성장 인터페이스는 더 볼록합니다. 따라서 PG는 SiC 결정의 성장 환경을 개선하고 결정 품질을 최적화하는 효과적인 수단입니다.
게시 시간: 2024년 6월 18일