Het basisproces vanSiCkristalgroei is onderverdeeld in sublimatie en ontleding van grondstoffen bij hoge temperatuur, transport van stoffen in de gasfase onder invloed van temperatuurgradiënt, en herkristallisatiegroei van stoffen in de gasfase bij het kiemkristal. Op basis hiervan wordt het inwendige van de smeltkroes in drie delen verdeeld: het grondstoffengebied, de groeikamer en het zaadkristal. Er werd een numeriek simulatiemodel getekend op basis van de werkelijke weerstandSiCapparatuur voor monokristalgroei (zie figuur 1). In de berekening: de onderkant van desmeltkroesis 90 mm verwijderd van de onderkant van de zijverwarmer, de toptemperatuur van de smeltkroes is 2100 ℃, de deeltjesdiameter van de grondstof is 1000 μm, de porositeit is 0,6, de groeidruk is 300 Pa en de groeitijd is 100 uur . De PG-dikte is 5 mm, de diameter is gelijk aan de binnendiameter van de smeltkroes en bevindt zich 30 mm boven de grondstof. Bij de berekening wordt rekening gehouden met de sublimatie-, carbonisatie- en herkristallisatieprocessen van de grondstofzone, maar met de reactie tussen PG en gasfasestoffen wordt geen rekening gehouden. De berekeningsgerelateerde parameters voor fysieke eigenschappen worden weergegeven in Tabel 1.
Figuur 1 Simulatie rekenmodel. (a) Thermisch veldmodel voor simulatie van kristalgroei; (b) Verdeling van het interne gebied van de smeltkroes en gerelateerde fysieke problemen
Tabel 1 Enkele fysieke parameters die bij de berekening zijn gebruikt
Figuur 2(a) laat zien dat de temperatuur van de PG-bevattende structuur (aangeduid als structuur 1) hoger is dan die van de PG-vrije structuur (aangeduid als structuur 0) onder PG, en lager dan die van structuur 0 boven PG. De algehele temperatuurgradiënt neemt toe en PG werkt als warmte-isolerend middel. Volgens figuren 2(b) en 2(c) zijn de axiale en radiale temperatuurgradiënten van structuur 1 in de grondstofzone kleiner, is de temperatuurverdeling uniformer en is de sublimatie van het materiaal vollediger. In tegenstelling tot de grondstofzone laat figuur 2(c) zien dat de radiale temperatuurgradiënt bij het kiemkristal van structuur 1 groter is, wat veroorzaakt kan worden door de verschillende verhoudingen van verschillende warmteoverdrachtsmodi, waardoor het kristal groeit met een convex grensvlak . In figuur 2(d) vertoont de temperatuur op verschillende posities in de smeltkroes een stijgende trend naarmate de groei vordert, maar het temperatuurverschil tussen structuur 0 en structuur 1 neemt geleidelijk af in de grondstofzone en neemt geleidelijk toe in de groeikamer.
Figuur 2 Temperatuurverdeling en veranderingen in de smeltkroes. (a) Temperatuurverdeling in de smeltkroes van structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) op 0 uur, eenheid: ℃; (b) Temperatuurverdeling op de hartlijn van de smeltkroes van structuur 0 en structuur 1 vanaf de bodem van de grondstof tot het entkristal op 0 uur; (c) Temperatuurverdeling van het midden tot de rand van de smeltkroes op het entkristaloppervlak (A) en het grondstofoppervlak (B), midden (C) en onderkant (D) op 0 uur, de horizontale as r is de zaadkristalstraal voor A, en de straal van het grondstofgebied voor B~D; (d) Temperatuurveranderingen in het midden van het bovenste deel (A), het grondstofoppervlak (B) en het midden (C) van de groeikamer van structuur 0 en structuur 1 op 0, 30, 60 en 100 uur.
Figuur 3 toont het materiaaltransport op verschillende tijdstippen in de smeltkroes van structuur 0 en structuur 1. De materiaalstroomsnelheid in de gasfase in het grondstofgebied en de groeikamer neemt toe met de toename van de positie, en het materiaaltransport verzwakt naarmate de groei vordert . Figuur 3 laat ook zien dat onder de simulatieomstandigheden de grondstof eerst grafiet op de zijwand van de kroes en vervolgens op de bodem van de kroes. Bovendien vindt er herkristallisatie plaats op het oppervlak van de grondstof en deze wordt geleidelijk dikker naarmate de groei vordert. Figuren 4(a) en 4(b) laten zien dat de materiaalstroomsnelheid in de grondstof afneemt naarmate de groei vordert, en dat de materiaalstroomsnelheid na 100 uur ongeveer 50% van het initiële moment bedraagt; het debiet is echter relatief groot aan de rand als gevolg van de grafitisering van de grondstof, en het debiet aan de rand is meer dan 10 maal zo groot als het debiet in het middengebied na 100 uur; bovendien zorgt het effect van PG in structuur 1 ervoor dat de materiaalstroom in het grondstoffengebied van structuur 1 lager is dan die van structuur 0. In Figuur 4(c) is de materiaalstroom in zowel het grondstoffengebied als de de groeikamer verzwakt geleidelijk naarmate de groei vordert, en de materiaalstroom in het grondstofgebied blijft afnemen, wat wordt veroorzaakt door de opening van het luchtstroomkanaal aan de rand van de smeltkroes en de belemmering van herkristallisatie aan de bovenkant; in de groeikamer neemt de materiaalstroomsnelheid van structuur 0 in de eerste 30 uur snel af tot 16%, en neemt in de daaropvolgende tijd slechts met 3% af, terwijl structuur 1 gedurende het hele groeiproces relatief stabiel blijft. Daarom helpt PG de materiaalstroom in de groeikamer te stabiliseren. Figuur 4(d) vergelijkt de materiaalstroomsnelheid aan het kristalgroeifront. Op het beginmoment en 100 uur is het materiaaltransport in de groeizone van structuur 0 sterker dan dat in structuur 1, maar er is altijd een hoog debietgebied aan de rand van structuur 0, wat leidt tot overmatige groei aan de rand . De aanwezigheid van PG in structuur 1 onderdrukt dit fenomeen effectief.
Figuur 3 Materiaalstroom in de smeltkroes. Stroomlijnt (links) en snelheidsvectoren (rechts) van gasmateriaaltransport in structuren 0 en 1 op verschillende tijdstippen, snelheidsvectoreenheid: m/s
Figuur 4 Veranderingen in materiaalstroomsnelheid. (a) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroomsnelheid in het midden van de grondstof van structuur 0 op 0, 30, 60 en 100 uur, r is de straal van het grondstofgebied; (b) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroomsnelheid in het midden van de grondstof van structuur 1 op 0, 30, 60 en 100 uur, r is de straal van het grondstofgebied; (c) Veranderingen in de materiaalstroomsnelheid in de groeikamer (A, B) en in de grondstof (C, D) van structuren 0 en 1 in de loop van de tijd; (d) Verdeling van de materiaalstroomsnelheid nabij het kiemkristaloppervlak van structuren 0 en 1 op 0 en 100 uur, r is de straal van het kiemkristal
C/Si beïnvloedt de kristallijne stabiliteit en defectdichtheid van SiC-kristalgroei. Figuur 5(a) vergelijkt de C/Si-verhoudingsverdeling van de twee structuren op het beginmoment. De C/Si-verhouding neemt geleidelijk af van de onderkant naar de bovenkant van de smeltkroes, en de C/Si-verhouding van structuur 1 is altijd hoger dan die van structuur 0 op verschillende posities. Figuren 5(b) en 5(c) laten zien dat de C/Si-verhouding geleidelijk toeneemt met de groei, wat verband houdt met de toename van de interne temperatuur in het latere groeistadium, de verbetering van de grafitisering van grondstoffen en de reactie van Si componenten in de gasfase met de grafietkroes. In figuur 5(d) zijn de C/Si-verhoudingen van structuur 0 en structuur 1 behoorlijk verschillend onder PG (0, 25 mm), maar enigszins verschillend boven PG (50 mm), en het verschil neemt geleidelijk toe naarmate het het kristal nadert. . Over het algemeen is de C/Si-verhouding van structuur 1 hoger, wat helpt de kristalvorm te stabiliseren en de waarschijnlijkheid van faseovergang te verkleinen.
Figuur 5 Verdeling en veranderingen van de C/Si-ratio. (a) Verdeling van de C/Si-verhouding in smeltkroezen met structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) op 0 uur; (b) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de hartlijn van de smeltkroes met structuur 0 op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur); (c) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de hartlijn van de kroes van structuur 1 op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur); (d) Vergelijking van de C/Si-verhouding op verschillende afstanden (0, 25, 50, 75, 100 mm) vanaf de middellijn van de smeltkroes van structuur 0 (doorgetrokken lijn) en structuur 1 (stippellijn) op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur).
Figuur 6 toont de veranderingen in deeltjesdiameter en porositeit van grondstofgebieden van de twee structuren. De figuur laat zien dat de diameter van het ruwe materiaal afneemt en de porositeit toeneemt nabij de kroeswand, en dat de porositeit aan de rand blijft toenemen en de deeltjesdiameter blijft afnemen naarmate de groei vordert. De maximale randporositeit is ongeveer 0,99 na 100 uur, en de minimale deeltjesdiameter is ongeveer 300 μm. De deeltjesdiameter neemt toe en de porositeit neemt af op het bovenoppervlak van de grondstof, wat overeenkomt met herkristallisatie. De dikte van het herkristallisatiegebied neemt toe naarmate de groei vordert, en de deeltjesgrootte en porositeit blijven veranderen. De maximale deeltjesdiameter bereikt meer dan 1500 μm en de minimale porositeit is 0,13. Omdat PG de temperatuur van het grondstofgebied verhoogt en de gasoververzadiging klein is, is bovendien de herkristallisatiedikte van het bovenste deel van de grondstof van structuur 1 klein, wat de benuttingsgraad van de grondstof verbetert.
Figuur 6 Veranderingen in deeltjesdiameter (links) en porositeit (rechts) van het grondstofgebied van structuur 0 en structuur 1 op verschillende tijdstippen, deeltjesdiameter-eenheid: μm
Figuur 7 laat zien dat structuur 0 kromtrekt aan het begin van de groei, wat verband kan houden met de overmatige materiaalstroomsnelheid veroorzaakt door de grafitisering van de grondstofrand. De mate van kromtrekken wordt verzwakt tijdens het daaropvolgende groeiproces, wat overeenkomt met de verandering in de materiaalstroomsnelheid aan de voorkant van de kristalgroei van structuur 0 in figuur 4 (d). In structuur 1 vertoont het kristalgrensvlak, als gevolg van het effect van PG, geen kromtrekking. Bovendien zorgt PG er ook voor dat de groeisnelheid van structuur 1 aanzienlijk lager is dan die van structuur 0. De centrumdikte van het kristal van structuur 1 na 100 uur is slechts 68% van die van structuur 0.
Figuur 7 Interfaceveranderingen van structuur 0- en structuur 1-kristallen na 30, 60 en 100 uur
Kristalgroei werd uitgevoerd onder de procesomstandigheden van numerieke simulatie. De kristallen gegroeid door structuur 0 en structuur 1 worden respectievelijk getoond in Figuur 8(a) en Figuur 8(b). Het kristal met structuur 0 vertoont een concaaf grensvlak, met golvingen in het centrale gebied en een faseovergang aan de rand. De convexiteit van het oppervlak vertegenwoordigt een zekere mate van inhomogeniteit bij het transport van materialen in de gasfase, en het optreden van faseovergang komt overeen met de lage C/Si-verhouding. Het grensvlak van het kristal gegroeid door structuur 1 is enigszins convex, er wordt geen faseovergang gevonden en de dikte is 65% van het kristal zonder PG. Over het algemeen komen de kristalgroeiresultaten overeen met de simulatieresultaten, met een groter radiaal temperatuurverschil aan het kristalgrensvlak van structuur 1, wordt de snelle groei aan de rand onderdrukt en is de algehele materiaalstroomsnelheid langzamer. De algemene trend komt overeen met de numerieke simulatieresultaten.
Figuur 8 SiC-kristallen gegroeid onder structuur 0 en structuur 1
Conclusie
PG is bevorderlijk voor de verbetering van de algehele temperatuur van het grondstoffengebied en de verbetering van de axiale en radiale temperatuuruniformiteit, waardoor de volledige sublimatie en benutting van de grondstof wordt bevorderd; het temperatuurverschil aan de boven- en onderkant neemt toe, en de radiale gradiënt van het kiemkristaloppervlak neemt toe, wat helpt om de convexe grensvlakgroei te behouden. In termen van massaoverdracht vermindert de introductie van PG de totale massaoverdrachtsnelheid, verandert de materiaalstroomsnelheid in de groeikamer die PG bevat minder met de tijd, en is het hele groeiproces stabieler. Tegelijkertijd remt PG ook effectief het optreden van overmatige randmassaoverdracht. Bovendien verhoogt PG ook de C/Si-verhouding van de groeiomgeving, vooral aan de voorkant van het zaadkristalgrensvlak, wat helpt het optreden van faseverandering tijdens het groeiproces te verminderen. Tegelijkertijd vermindert het thermische isolatie-effect van PG tot op zekere hoogte het optreden van herkristallisatie in het bovenste deel van de grondstof. Voor kristalgroei vertraagt PG de kristalgroeisnelheid, maar het groeigrensvlak is convexer. Daarom is PG een effectief middel om de groeiomgeving van SiC-kristallen te verbeteren en de kristalkwaliteit te optimaliseren.
Posttijd: 18 juni 2024