Podstawowy procesSiCwzrost kryształów dzieli się na sublimację i rozkład surowców w wysokiej temperaturze, transport substancji w fazie gazowej pod wpływem gradientu temperatury i wzrost rekrystalizacyjny substancji w fazie gazowej w krysztale zaszczepiającym. Na tej podstawie wnętrze tygla dzieli się na trzy części: obszar surowca, komorę wzrostu i kryształ zaszczepiający. Na podstawie rzeczywistej rezystancji sporządzono numeryczny model symulacyjnySiCsprzęt do hodowli monokryształów (patrz rysunek 1). W obliczeniach: dółtygielznajduje się w odległości 90 mm od dna podgrzewacza bocznego, górna temperatura tygla wynosi 2100 ℃, średnica cząstek surowca wynosi 1000 μm, porowatość 0,6, ciśnienie wzrostu 300 Pa, a czas wzrostu 100 h . Grubość PG wynosi 5 mm, średnica jest równa wewnętrznej średnicy tygla i znajduje się 30 mm nad surowcem. W obliczeniach uwzględnia się procesy sublimacji, karbonizacji i rekrystalizacji strefy surowca, nie uwzględnia się reakcji pomiędzy PG i substancjami w fazie gazowej. Parametry właściwości fizycznych związane z obliczeniami przedstawiono w tabeli 1.
Rysunek 1 Symulacyjny model obliczeniowy. (a) Model pola termicznego do symulacji wzrostu kryształów; (b) Podział wewnętrznej powierzchni tygla i powiązane problemy fizyczne
Tabela 1 Niektóre parametry fizyczne użyte w obliczeniach
Rysunek 2(a) pokazuje, że temperatura struktury zawierającej PG (oznaczonej jako struktura 1) jest wyższa niż temperatura struktury wolnej od PG (oznaczonej jako struktura 0) poniżej PG i niższa niż struktura 0 powyżej PG. Ogólny gradient temperatury wzrasta, a PG działa jako środek termoizolacyjny. Zgodnie z rysunkami 2(b) i 2(c), osiowe i promieniowe gradienty temperatury konstrukcji 1 w strefie surowca są mniejsze, rozkład temperatury jest bardziej równomierny, a sublimacja materiału jest pełniejsza. W przeciwieństwie do strefy surowców, rysunek 2 (c) pokazuje, że promieniowy gradient temperatury w krysztale zaszczepiającym struktury 1 jest większy, co może być spowodowane różnymi proporcjami różnych trybów wymiany ciepła, co pomaga kryształowi rosnąć z wypukłą powierzchnią międzyfazową . Na rysunku 2(d) temperatura w różnych miejscach tygla wykazuje tendencję wzrostową w miarę postępu wzrostu, ale różnica temperatur pomiędzy strukturą 0 i konstrukcją 1 stopniowo maleje w strefie surowca i stopniowo wzrasta w komorze wzrostu.
Rysunek 2 Rozkład temperatury i zmiany w tyglu. (a) Rozkład temperatury wewnątrz tygla struktury 0 (po lewej) i struktury 1 (po prawej) w godzinie 0, jednostka: ℃; (b) Rozkład temperatury na linii środkowej tygla o strukturze 0 i strukturze 1 od spodu surowca do kryształu zaszczepiającego w godzinie 0; (c) Rozkład temperatury od środka do krawędzi tygla na powierzchni kryształu zaszczepiającego (A) i powierzchni surowca (B), w środku (C) i na dole (D) w godzinie 0, oś pozioma r jest promień kryształu zaszczepiającego dla A i promień obszaru surowca dla B~D; (d) Zmiany temperatury w środku górnej części (A), powierzchni surowca (B) i środku (C) komory wzrostowej struktury 0 i struktury 1 po 0, 30, 60 i 100 godzinach.
Rysunek 3 przedstawia transport materiału w różnych momentach w tyglu o strukturze 0 i strukturze 1. Natężenie przepływu materiału w fazie gazowej w obszarze surowca i komorze wzrostu wzrasta wraz ze wzrostem położenia, a transport materiału słabnie wraz z postępem wzrostu . Rysunek 3 pokazuje również, że w warunkach symulacji surowiec grafityzuje najpierw na bocznej ściance tygla, a następnie na dnie tygla. Dodatkowo na powierzchni surowca następuje rekrystalizacja, która w miarę postępu wzrostu stopniowo gęstnieje. Rysunki 4(a) i 4(b) pokazują, że natężenie przepływu materiału wewnątrz surowca maleje wraz z postępem wzrostu, a natężenie przepływu materiału po 100 godzinach wynosi około 50% momentu początkowego; jednakże natężenie przepływu na krawędzi jest stosunkowo duże ze względu na grafityzację surowca, a natężenie przepływu na krawędzi jest ponad 10 razy większe niż natężenie przepływu w środkowym obszarze po 100 godzinach; dodatkowo wpływ PG w strukturze 1 powoduje, że natężenie przepływu materiału w obszarze surowca struktury 1 jest mniejsze niż w strukturze 0. Na rysunku 4(c) przepływ materiału zarówno w obszarze surowca, jak i w w miarę postępu wzrostu komora wzrostowa stopniowo słabnie, a przepływ materiału w obszarze surowca w dalszym ciągu maleje, co jest spowodowane otwarciem kanału przepływu powietrza na krawędzi tygla i utrudnieniem rekrystalizacji u góry; w komorze wzrostowej natężenie przepływu materiału w strukturze 0 gwałtownie maleje w ciągu początkowych 30 godzin do 16%, a w późniejszym czasie zmniejsza się jedynie o 3%, podczas gdy struktura 1 pozostaje stosunkowo stabilna przez cały proces wzrostu. Dlatego PG pomaga ustabilizować natężenie przepływu materiału w komorze wzrostu. Rysunek 4(d) porównuje natężenie przepływu materiału na froncie wzrostu kryształów. W początkowej chwili i po 100 godzinach transport materiału w strefie wzrostu struktury 0 jest silniejszy niż w strukturze 1, jednak zawsze występuje obszar o dużym natężeniu przepływu na krawędzi struktury 0, co prowadzi do nadmiernego wzrostu na krawędzi . Obecność PG w strukturze 1 skutecznie tłumi to zjawisko.
Rysunek 3 Przepływ materiału w tyglu. Linie prądu (po lewej) i wektory prędkości (po prawej) transportu materiału gazowego w strukturach 0 i 1 w różnych momentach, jednostka wektora prędkości: m/s
Rysunek 4 Zmiany natężenia przepływu materiału. (a) Zmiany rozkładu natężenia przepływu materiału w środku surowca o strukturze 0 w godzinach 0, 30, 60 i 100, r jest promieniem obszaru surowca; (b) Zmiany w rozkładzie natężenia przepływu materiału w środku surowca struktury 1 w godzinach 0, 30, 60 i 100, r jest promieniem obszaru surowca; (c) Zmiany natężenia przepływu materiału wewnątrz komory wzrostu (A, B) i wewnątrz surowca (C, D) struktur 0 i 1 w czasie; (d) Rozkład natężenia przepływu materiału w pobliżu powierzchni kryształu zarodkowego struktur 0 i 1 w godzinach 0 i 100, r jest promieniem kryształu zarodkowego
C/Si wpływa na stabilność krystaliczną i gęstość defektów wzrostu kryształów SiC. Rysunek 5(a) porównuje rozkład stosunku C/Si obu struktur w momencie początkowym. Stosunek C/Si stopniowo maleje od dołu do góry tygla, a stosunek C/Si w strukturze 1 jest zawsze wyższy niż w strukturze 0 w różnych pozycjach. Rysunki 5(b) i 5(c) pokazują, że stosunek C/Si stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem, co jest związane ze wzrostem temperatury wewnętrznej w późniejszej fazie wzrostu, wzmożeniem grafityzacji surowca oraz reakcją Si składników w fazie gazowej za pomocą tygla grafitowego. Na rysunku 5(d) stosunki C/Si struktury 0 i struktury 1 są zupełnie inne poniżej PG (0, 25 mm), ale nieco inne powyżej PG (50 mm), a różnica stopniowo wzrasta w miarę zbliżania się do kryształu . Ogólnie stosunek C/Si w strukturze 1 jest wyższy, co pomaga ustabilizować postać krystaliczną i zmniejszyć prawdopodobieństwo przejścia fazowego.
Rysunek 5 Rozkład i zmiany stosunku C/Si. (a) Rozkład stosunku C/Si w tyglach o strukturze 0 (po lewej) i strukturze 1 (po prawej) w godzinie 0; (b) stosunek C/Si w różnych odległościach od linii środkowej tygla o strukturze 0 w różnych czasach (0, 30, 60, 100 h); (c) stosunek C/Si w różnych odległościach od linii środkowej tygla konstrukcji 1 w różnych czasach (0, 30, 60, 100 h); (d) Porównanie stosunku C/Si w różnych odległościach (0, 25, 50, 75, 100 mm) od linii środkowej tygla o strukturze 0 (linia ciągła) i konstrukcji 1 (linia przerywana) w różnych momentach czasu (0, 30, 60, 100 godzin).
Rysunek 6 przedstawia zmiany średnicy cząstek i porowatości obszarów surowców obu struktur. Rysunek pokazuje, że średnica surowca zmniejsza się, a porowatość wzrasta w pobliżu ścianki tygla, a porowatość krawędzi w dalszym ciągu rośnie, a średnica cząstek w dalszym ciągu maleje w miarę postępu wzrostu. Maksymalna porowatość krawędzi wynosi około 0,99 po 100 godzinach, a minimalna średnica cząstek wynosi około 300 µm. Na górnej powierzchni surowca zwiększa się średnica cząstek, a porowatość maleje, co odpowiada rekrystalizacji. Grubość obszaru rekrystalizacji zwiększa się w miarę postępu wzrostu, a wielkość cząstek i porowatość w dalszym ciągu się zmieniają. Maksymalna średnica cząstek sięga ponad 1500 µm, a minimalna porowatość wynosi 0,13. Ponadto, ponieważ PG zwiększa temperaturę obszaru surowca, a przesycenie gazu jest małe, grubość rekrystalizacji górnej części surowca o strukturze 1 jest niewielka, co poprawia stopień wykorzystania surowca.
Rysunek 6 Zmiany średnicy cząstek (po lewej) i porowatości (po prawej) obszaru surowca o strukturze 0 i strukturze 1 w różnym czasie, jednostka średnicy cząstek: μm
Rysunek 7 pokazuje, że struktura 0 na początku wzrostu wypacza się, co może być związane z nadmiernym natężeniem przepływu materiału spowodowanym grafityzacją krawędzi surowca. Stopień wypaczenia ulega osłabieniu w trakcie kolejnego procesu wzrostu, co odpowiada zmianie natężenia przepływu materiału na froncie wzrostu kryształów struktury 0 na rysunku 4 (d). W strukturze 1, pod wpływem PG, interfejs kryształu nie wykazuje wypaczenia. Ponadto PG powoduje również, że tempo wzrostu struktury 1 jest znacznie niższe niż struktury 0. Grubość środka kryształu struktury 1 po 100 godzinach wynosi tylko 68% grubości struktury 0.
Rysunek 7 Zmiany interfejsu kryształów o strukturze 0 i strukturze 1 po 30, 60 i 100 godzinach
Wzrost kryształów prowadzono w warunkach procesowych symulacji numerycznej. Kryształy wyhodowane przez strukturę 0 i strukturę 1 pokazano odpowiednio na rysunku 8 (a) i rysunku 8 (b). Kryształ o strukturze 0 ma wklęsłą powierzchnię rozdziału faz, z pofałdowaniami w obszarze centralnym i przejściem fazowym na krawędziach. Wypukłość powierzchni reprezentuje pewien stopień niejednorodności w transporcie materiałów w fazie gazowej, a występowanie przejścia fazowego odpowiada niskiemu stosunkowi C/Si. Granica kryształu wyhodowanego przez strukturę 1 jest lekko wypukła, nie stwierdza się przejścia fazowego, a grubość wynosi 65% kryształu bez PG. Ogólnie wyniki wzrostu kryształów odpowiadają wynikom symulacji, przy większej promieniowej różnicy temperatur na granicy faz kryształu struktury 1, szybki wzrost na krawędzi jest tłumiony, a ogólne natężenie przepływu materiału jest wolniejsze. Ogólny trend jest zgodny z wynikami symulacji numerycznych.
Rysunek 8 Kryształy SiC hodowane w strukturze 0 i strukturze 1
Wniosek
PG sprzyja poprawie ogólnej temperatury obszaru surowca oraz poprawie jednorodności temperatury osiowej i promieniowej, promując pełną sublimację i wykorzystanie surowca; wzrasta górna i dolna różnica temperatur i zwiększa się promieniowy gradient powierzchni kryształu zaszczepiającego, co pomaga utrzymać wzrost wypukłej granicy faz. Jeśli chodzi o przenoszenie masy, wprowadzenie PG zmniejsza ogólną szybkość przenoszenia masy, natężenie przepływu materiału w komorze wzrostu zawierającej PG zmienia się mniej w czasie, a cały proces wzrostu jest bardziej stabilny. Jednocześnie PG skutecznie hamuje również występowanie nadmiernego przenoszenia masy krawędziowej. Ponadto PG zwiększa również stosunek C/Si w środowisku wzrostu, szczególnie na przedniej krawędzi granicy faz kryształów zaszczepiających, co pomaga ograniczyć występowanie zmiany fazowej podczas procesu wzrostu. Jednocześnie działanie termoizolacyjne PG ogranicza w pewnym stopniu występowanie rekrystalizacji w górnej części surowca. W przypadku wzrostu kryształów PG spowalnia tempo wzrostu kryształów, ale granica wzrostu jest bardziej wypukła. Dlatego PG jest skutecznym sposobem na poprawę środowiska wzrostu kryształów SiC i optymalizację jakości kryształów.
Czas publikacji: 18 czerwca 2024 r