Pamata processSiCkristālu augšanu iedala izejvielu sublimācijā un sadalīšanā augstā temperatūrā, gāzes fāzes vielu transportēšanā temperatūras gradienta iedarbībā un gāzes fāzes vielu pārkristalizācijā pie sēklu kristāla. Pamatojoties uz to, tīģeļa iekšpuse ir sadalīta trīs daļās: izejmateriāla zonā, augšanas kamerā un sēklu kristālā. Pamatojoties uz faktisko pretestību, tika izveidots skaitliskās simulācijas modelisSiCmonokristālu audzēšanas iekārtas (sk. 1. attēlu). Aprēķinos: apakšātīģelisatrodas 90 mm attālumā no sānu sildītāja apakšas, tīģeļa augšējā temperatūra ir 2100 ℃, izejmateriāla daļiņu diametrs ir 1000 μm, porainība ir 0,6, augšanas spiediens ir 300 Pa un augšanas laiks ir 100 h. . PG biezums ir 5 mm, diametrs ir vienāds ar tīģeļa iekšējo diametru, un tas atrodas 30 mm virs izejmateriāla. Aprēķinos ņemti vērā izejvielu zonas sublimācijas, karbonizācijas un rekristalizācijas procesi, un reakcija starp PG un gāzes fāzes vielām netiek ņemta vērā. Ar aprēķinu saistītie fizisko īpašību parametri ir parādīti 1. tabulā.
1. attēls Simulācijas aprēķina modelis. a) termiskā lauka modelis kristāla augšanas simulācijai; b) tīģeļa iekšējās zonas sadalījums un ar to saistītās fiziskās problēmas
1. tabula Daži aprēķinos izmantotie fizikālie parametri
Attēlā 2 (a) parādīts, ka PG saturošas struktūras (apzīmētas kā struktūra 1) temperatūra ir augstāka nekā PG nesaturošai struktūrai (apzīmēta kā struktūra 0) zem PG un zemāka nekā struktūrai 0 virs PG. Kopējais temperatūras gradients palielinās, un PG darbojas kā siltumizolācijas līdzeklis. Saskaņā ar 2(b) un 2(c) attēlu 1. struktūras aksiālais un radiālais temperatūras gradienti izejmateriālu zonā ir mazāki, temperatūras sadalījums ir vienmērīgāks un materiāla sublimācija ir pilnīgāka. Atšķirībā no izejvielu zonas, 2(c) attēlā redzams, ka radiālais temperatūras gradients 1. struktūras sēklu kristālā ir lielāks, ko var izraisīt dažādu siltuma pārneses režīmu dažādās proporcijas, kas palīdz kristālam augt ar izliektu saskarni. . 2. attēlā (d) temperatūra dažādās tīģeļa pozīcijās uzrāda pieauguma tendenci, pieaugot, bet temperatūras starpība starp struktūru 0 un struktūru 1 pakāpeniski samazinās izejvielu zonā un pakāpeniski palielinās augšanas kamerā.
2. attēls Temperatūras sadalījums un izmaiņas tīģelī. a) temperatūras sadalījums 0 (pa kreisi) un 1. struktūras (pa labi) tīģelī pie 0 h, mērvienība: ℃; b) temperatūras sadalījums uz 0 struktūras un 1. struktūras tīģeļa centra līnijas no izejmateriāla dibena līdz sēklu kristālam 0 stundās; c) temperatūras sadalījums no tīģeļa centra līdz malai uz sēklu kristāla virsmas (A) un izejmateriāla virsmas (B), vidus (C) un apakšas (D) 0 stundās, horizontālā ass r ir sēklas kristāla rādiuss A un izejmateriāla laukuma rādiuss B ~ D; d) temperatūras izmaiņas 0, 30, 60 un 100 stundu laikā augšanas kameras augšējā daļā (A), izejmateriāla virsmā (B) un vidusdaļā (C).
3. attēlā parādīta materiāla transportēšana dažādos laikos 0. struktūras un 1. struktūras tīģelī. Gāzes fāzes materiāla plūsmas ātrums izejmateriāla zonā un augšanas kamerā palielinās, palielinoties pozīcijai, un materiāla transportēšana vājinās augšanas gaitā. . 3. attēlā arī parādīts, ka simulācijas apstākļos izejmateriāls vispirms grafitizējas uz tīģeļa sānu sienas un pēc tam uz tīģeļa apakšas. Turklāt izejmateriāla virsmā notiek pārkristalizācija, un augšanas gaitā tā pakāpeniski sabiezē. Attēlā 4(a) un 4(b) redzams, ka materiāla plūsmas ātrums izejmateriāla iekšpusē samazinās, augšanai progresējot, un materiāla plūsmas ātrums 100 stundās ir aptuveni 50 % no sākotnējā momenta; tomēr plūsmas ātrums ir relatīvi liels malā izejmateriāla grafitizācijas dēļ, un plūsmas ātrums malā ir vairāk nekā 10 reizes lielāks par plūsmas ātrumu vidējā zonā 100 stundās; turklāt PG ietekme 1. konstrukcijā padara materiāla plūsmas ātrumu 1. struktūras izejmateriālu apgabalā mazāku nekā struktūras 0. Attēlā 4(c) materiāla plūsma gan izejmateriāla zonā, gan augšanas kamera pakāpeniski vājina augšanu, un materiāla plūsma izejvielu zonā turpina samazināties, ko izraisa gaisa plūsmas kanāla atvēršanās tīģeļa malā un pārkristalizācijas šķēršļi augšpusē; augšanas kamerā struktūras 0 materiāla plūsmas ātrums strauji samazinās pirmajās 30 stundās līdz 16%, un turpmākajā laikā samazinās tikai par 3%, savukārt struktūra 1 saglabājas relatīvi stabila visā augšanas procesā. Tāpēc PG palīdz stabilizēt materiāla plūsmas ātrumu augšanas kamerā. 4(d) attēlā ir salīdzināts materiāla plūsmas ātrums kristāla augšanas frontē. Sākotnējā brīdī un 100 h materiāla transports 0 struktūras augšanas zonā ir spēcīgāks nekā konstrukcijā 1, bet vienmēr ir liela plūsmas ātruma zona konstrukcijas 0 malā, kas izraisa pārmērīgu augšanu malā. . PG klātbūtne 1. struktūrā efektīvi nomāc šo parādību.
3. attēls Materiāla plūsma tīģelī. Gāzes materiāla transportēšanas racionalitātes (pa kreisi) un ātruma vektori (pa labi) konstrukcijās 0 un 1 dažādos laikos, ātruma vektora mērvienība: m/s
4. attēls Materiāla plūsmas ātruma izmaiņas. a) izmaiņas materiāla plūsmas ātruma sadalījumā 0 struktūras izejmateriāla vidū 0, 30, 60 un 100 stundās, r ir izejmateriāla laukuma rādiuss; b) izmaiņas materiāla plūsmas ātruma sadalījumā 1. struktūras izejmateriāla vidū 0, 30, 60 un 100 stundās, r ir izejmateriāla laukuma rādiuss; c) laika gaitā izmaiņas materiāla plūsmas ātrumā augšanas kamerā (A, B) un izejmateriālā (C, D) konstrukcijās 0 un 1 laika gaitā; d) materiāla plūsmas ātruma sadalījums 0 un 1 struktūras sēklu kristāla virsmas tuvumā pie 0 un 100 h, r ir sēklu kristāla rādiuss
C / Si ietekmē SiC kristālu augšanas kristālisko stabilitāti un defektu blīvumu. 5(a) attēlā ir salīdzināts abu struktūru C/Si attiecības sadalījums sākotnējā brīdī. C/Si attiecība pakāpeniski samazinās no tīģeļa apakšas līdz augšai, un 1. struktūras C/Si attiecība vienmēr ir augstāka nekā struktūrai 0 dažādās pozīcijās. 5(b) un 5(c) attēlā redzams, ka C/Si attiecība pakāpeniski palielinās līdz ar augšanu, kas ir saistīta ar iekšējās temperatūras paaugstināšanos vēlākā augšanas stadijā, izejvielu grafitizācijas uzlabošanos un Si reakciju. sastāvdaļas gāzes fāzē ar grafīta tīģeli. 5(d) attēlā struktūras 0 un struktūras 1 C/Si attiecības ir diezgan atšķirīgas zem PG (0, 25 mm), bet nedaudz atšķiras virs PG (50 mm), un atšķirība pakāpeniski palielinās, tuvojoties kristālam. . Kopumā 1. struktūras C/Si attiecība ir augstāka, kas palīdz stabilizēt kristāla formu un samazina fāzes pārejas iespējamību.
5. attēls. C/Si attiecības sadalījums un izmaiņas. a) C/Si attiecības sadalījums tīģeļos ar struktūru 0 (pa kreisi) un struktūru 1 (pa labi) pie 0 h; b) C/Si attiecība dažādos attālumos no 0 struktūras tīģeļa centra līnijas dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h); c) C/Si attiecība dažādos attālumos no 1. struktūras tīģeļa centra līnijas dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h); d) C/Si attiecības salīdzinājums dažādos attālumos (0, 25, 50, 75, 100 mm) no 0 struktūras tīģeļa centra līnijas (nepārtraukta līnija) un struktūras 1 (punktēta līnija) dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h).
6. attēlā parādītas abu struktūru izejvielu reģionu daļiņu diametra un porainības izmaiņas. Attēlā redzams, ka izejmateriāla diametrs samazinās un porainība palielinās netālu no tīģeļa sienas, un malas porainība turpina palielināties un daļiņu diametrs turpina samazināties, pieaugot. Maksimālā malas porainība ir aptuveni 0, 99 pēc 100 stundām, un minimālais daļiņu diametrs ir aptuveni 300 μm. Daļiņu diametrs palielinās un porainība samazinās uz izejmateriāla augšējās virsmas, kas atbilst pārkristalizācijai. Rekristalizācijas zonas biezums palielinās, pieaugot, un daļiņu izmērs un porainība turpina mainīties. Maksimālais daļiņu diametrs sasniedz vairāk nekā 1500 μm, un minimālā porainība ir 0,13. Turklāt, tā kā PG paaugstina izejmateriāla apgabala temperatūru un gāzes pārsātinājums ir mazs, 1. struktūras izejmateriāla augšējās daļas pārkristalizācijas biezums ir mazs, kas uzlabo izejvielu izmantošanas ātrumu.
6. attēls Daļiņu diametra (pa kreisi) un porainības (pa labi) izmaiņas struktūras 0 un struktūras 1 izejmateriāla apgabalā dažādos laikos, daļiņu diametra mērvienība: μm
7. attēlā redzams, ka struktūra 0 deformējas augšanas sākumā, kas var būt saistīts ar pārmērīgu materiāla plūsmas ātrumu, ko izraisa izejmateriāla malas grafitizācija. Vājināšanās pakāpe tiek vājināta turpmākā augšanas procesa laikā, kas atbilst materiāla plūsmas ātruma izmaiņām 4 (d) attēlā redzamās struktūras 0 kristāla augšanas priekšpusē. 1. struktūrā PG iedarbības dēļ kristāla saskarne neuzrāda deformāciju. Turklāt PG arī padara 1. struktūras augšanas ātrumu ievērojami zemāku nekā struktūrai 0. 1. struktūras kristāla centra biezums pēc 100 h ir tikai 68% no struktūras 0.
7. attēls 0. struktūras un 1. struktūras kristālu saskarnes izmaiņas 30, 60 un 100 stundās
Kristālu augšana tika veikta skaitliskās simulācijas procesa apstākļos. Kristāli, kas audzēti pēc struktūras 0 un struktūras 1, ir parādīti attiecīgi 8(a) un 8(b) attēlā. Struktūras 0 kristālam ir ieliekta saskarne ar viļņojumiem centrālajā zonā un fāzes pāreju malā. Virsmas izliekums atspoguļo zināmu neviendabīguma pakāpi gāzes fāzes materiālu transportēšanā, un fāzes pārejas rašanās atbilst zemajai C/Si attiecībai. 1. struktūras audzētā kristāla saskarne ir nedaudz izliekta, nav konstatēta fāzes pāreja, un biezums ir 65% no kristāla bez PG. Kopumā kristāla augšanas rezultāti atbilst simulācijas rezultātiem, ar lielāku radiālās temperatūras starpību 1. struktūras kristāla saskarnē, straujā augšana malā ir nomākta un kopējais materiāla plūsmas ātrums ir lēnāks. Kopējā tendence atbilst skaitliskās simulācijas rezultātiem.
8. attēls SiC kristāli, kas audzēti zem struktūras 0 un struktūras 1
Secinājums
PG veicina izejmateriālu apgabala vispārējās temperatūras uzlabošanos un aksiālās un radiālās temperatūras vienmērīguma uzlabošanos, veicinot izejmateriāla pilnīgu sublimāciju un izmantošanu; palielinās augšējā un apakšējā temperatūras starpība, un palielinās sēklu kristāla virsmas radiālais gradients, kas palīdz saglabāt izliekto saskarnes augšanu. Runājot par masas pārnesi, PG ieviešana samazina kopējo masas pārneses ātrumu, materiāla plūsmas ātrums augšanas kamerā, kas satur PG, laika gaitā mainās mazāk, un viss augšanas process ir stabilāks. Tajā pašā laikā PG arī efektīvi kavē pārmērīgas malu masas pārneses rašanos. Turklāt PG palielina arī augšanas vides C/Si attiecību, īpaši sēklu kristāla saskarnes priekšējā malā, kas palīdz samazināt fāzes maiņas rašanos augšanas procesā. Tajā pašā laikā PG siltumizolācijas efekts zināmā mērā samazina pārkristalizācijas rašanos izejmateriāla augšējā daļā. Kristālu augšanai PG palēnina kristāla augšanas ātrumu, bet augšanas saskarne ir izliektāka. Tāpēc PG ir efektīvs līdzeklis SiC kristālu augšanas vides uzlabošanai un kristāla kvalitātes optimizēšanai.
Izlikšanas laiks: 18. jūnijs 2024