Основной процессКарбид кремнияРост кристаллов подразделяется на сублимацию и разложение сырья при высокой температуре, транспортировку веществ газовой фазы под действием градиента температуры и рекристаллизационный рост веществ газовой фазы на затравочном кристалле. Исходя из этого, внутренняя часть тигля разделена на три части: зона сырья, камера роста и затравочный кристалл. Модель численного моделирования была построена на основе реальных резистивных значений.Карбид кремнияоборудование для выращивания монокристаллов (см. рисунок 1). В расчете: нижняя частьтигельнаходится на расстоянии 90 мм от дна бокового нагревателя, верхняя температура тигля 2100 ℃, диаметр частиц сырья 1000 мкм, пористость 0,6, давление роста 300 Па, время роста 100 ч. . Толщина ПГ 5 мм, диаметр равен внутреннему диаметру тигля, расположен над сырьем на 30 мм. В расчете учитываются процессы сублимации, карбонизации и рекристаллизации сырьевой зоны, а реакция между ПГ и веществами газовой фазы не учитывается. Параметры физических свойств, связанные с расчетом, приведены в таблице 1.
Рис. 1. Имитационная расчетная модель. (а) Модель теплового поля для моделирования роста кристаллов; (б) Разделение внутренней площади тигля и связанные с этим физические проблемы
Таблица 1 Некоторые физические параметры, использованные в расчете
На рисунке 2(а) показано, что температура структуры, содержащей PG (обозначенной структурой 1), выше, чем температура структуры без PG (обозначенной структурой 0) ниже PG, и ниже, чем у структуры 0 выше PG. Общий градиент температуры увеличивается, и ПГ выступает в качестве теплоизоляционного агента. Согласно рисункам 2(б) и 2(в), осевые и радиальные градиенты температуры структуры 1 в зоне сырья меньше, распределение температуры более равномерное, сублимация материала более полная. В отличие от зоны сырья, на рис. 2(в) видно, что радиальный градиент температуры в затравочном кристалле структуры 1 больше, что может быть вызвано разным соотношением разных режимов теплопередачи, что помогает кристаллу расти с выпуклой границей раздела. . На рисунке 2(d) температура в разных положениях тигля демонстрирует тенденцию к увеличению по мере роста, но разница температур между структурой 0 и структурой 1 постепенно уменьшается в зоне сырья и постепенно увеличивается в камере выращивания.
Рисунок 2. Распределение температуры и изменения в тигле. (а) Распределение температуры внутри тигля конструкции 0 (слева) и конструкции 1 (справа) в 0 ч, ед. измерения: ℃; (б) Распределение температуры по центральной линии тигля структуры 0 и структуры 1 от дна сырья до затравочного кристалла в 0 ч; (в) Распределение температуры от центра к краю тигля на поверхности затравочного кристалла (А) и поверхности сырья (Б), середине (С) и дне (D) в 0 ч, горизонтальная ось r — радиус затравочного кристалла для A и радиус области исходного материала для B~D; (г) Изменение температуры в центре верхней части (А), поверхности сырья (Б) и средней части (С) ростовой камеры структуры 0 и структуры 1 в 0, 30, 60 и 100 часов.
На рисунке 3 показан транспорт материала в разное время в тигле структуры 0 и структуры 1. Скорость потока газофазного материала в зоне сырья и камере роста увеличивается с увеличением положения, а транспорт материала ослабевает по мере роста. . На рис. 3 также видно, что в условиях моделирования сырье графитируется сначала на боковой стенке тигля, а затем на дне тигля. Кроме того, на поверхности сырья происходит рекристаллизация и оно постепенно утолщается по мере роста. На рисунках 4(а) и 4(б) видно, что скорость потока материала внутри сырья уменьшается по мере роста, а скорость потока материала через 100 ч составляет около 50% от начального момента; однако скорость потока на краю относительно велика из-за графитизации сырья, а скорость потока на краю более чем в 10 раз превышает скорость потока в средней зоне через 100 часов; кроме того, влияние PG в структуре 1 делает скорость потока материала в зоне сырья структуры 1 ниже, чем в структуре 0. На рисунке 4 (c) поток материала как в зоне сырья, так и в зоне ростовая камера постепенно ослабевает по мере роста, и поток материала в зоне сырья продолжает уменьшаться, что вызвано открытием канала потока воздуха у края тигля и затруднением рекристаллизации вверху; В ростовой камере расход материала структуры 0 быстро снижается в первые 30 ч до 16% и снижается лишь на 3% в последующее время, тогда как структура 1 остается относительно стабильной на протяжении всего процесса роста. Таким образом, ПГ помогает стабилизировать скорость потока материала в ростовой камере. На рисунке 4(d) сравнивается скорость потока материала на фронте роста кристаллов. В начальный момент и 100 ч перенос материала в зоне роста структуры 0 сильнее, чем в структуре 1, но на краю структуры 0 всегда имеется область высокой скорости потока, что приводит к избыточному росту на краю. . Присутствие ПГ в структуре 1 эффективно подавляет это явление.
Рисунок 3. Поток материала в тигле. Линии тока (слева) и векторы скорости (справа) транспорта газообразного материала в структурах 0 и 1 в разное время, единица вектора скорости: м/с.
Рисунок 4. Изменения скорости потока материала. а – Изменение распределения расхода материала в середине сырья структуры 0 через 0, 30, 60 и 100 ч, r – радиус зоны сырья; (б) – изменение распределения расхода материала в середине сырья структуры 1 через 0, 30, 60 и 100 ч, r – радиус зоны сырья; (в) Изменение скорости потока материала внутри ростовой камеры (А, Б) и внутри сырья (С, D) структур 0 и 1 с течением времени; (г) Распределение скорости потока материала вблизи поверхности затравочного кристалла структур 0 и 1 при 0 и 100 ч, r — радиус затравочного кристалла
C/Si влияет на кристаллическую стабильность и плотность дефектов при росте кристаллов SiC. На рис. 5(а) сравнивается распределение отношения C/Si двух структур в начальный момент. Отношение C/Si постепенно уменьшается от дна тигля к верху, причем отношение C/Si структуры 1 всегда выше, чем у структуры 0 в разных положениях. На рисунках 5(б) и 5(в) видно, что соотношение C/Si постепенно увеличивается с ростом, что связано с увеличением внутренней температуры на более поздней стадии роста, усилением графитизации сырья и реакцией Si компоненты в газовой фазе с помощью графитового тигля. На рисунке 5(d) отношения C/Si в структуре 0 и структуре 1 сильно различаются ниже PG (0, 25 мм), но немного отличаются выше PG (50 мм), и разница постепенно увеличивается по мере приближения к кристаллу. . В целом соотношение C/Si структуры 1 выше, что помогает стабилизировать кристаллическую форму и снизить вероятность фазового перехода.
Рис. 5. Распределение и изменение соотношения C/Si. (а) Распределение отношения C/Si в тиглях структуры 0 (слева) и структуры 1 (справа) при 0 ч; (б) соотношение C/Si на разных расстояниях от центральной линии тигля структуры 0 в разное время (0, 30, 60, 100 ч); (в) соотношение C/Si на разных расстояниях от центральной линии тигля структуры 1 в разное время (0, 30, 60, 100 ч); (г) Сравнение отношения C/Si на разных расстояниях (0, 25, 50, 75, 100 мм) от центральной линии тигля структуры 0 (сплошная линия) и структуры 1 (пунктирная линия) в разное время (0, 30, 60, 100 ч).
На рис. 6 показаны изменения диаметра частиц и пористости областей сырья двух структур. На рисунке видно, что диаметр сырья уменьшается и пористость увеличивается вблизи стенки тигля, а краевая пористость продолжает увеличиваться, а диаметр частиц продолжает уменьшаться по мере роста. Максимальная краевая пористость составляет около 0,99 за 100 ч, а минимальный диаметр частиц составляет около 300 мкм. Диаметр частиц увеличивается, а пористость уменьшается на верхней поверхности сырья, что соответствует рекристаллизации. Толщина области рекристаллизации увеличивается по мере роста, а размер частиц и пористость продолжают изменяться. Максимальный диаметр частиц достигает более 1500 мкм, а минимальная пористость составляет 0,13. Кроме того, поскольку ПГ повышает температуру зоны сырья, а пересыщение газа невелико, толщина рекристаллизации верхней части сырья структуры 1 невелика, что повышает коэффициент использования сырья.
Рисунок 6 Изменение диаметра частиц (слева) и пористости (справа) участка сырья структуры 0 и структуры 1 в разное время, единица измерения диаметра частиц: мкм
На рис. 7 видно, что структура 0 деформируется в начале роста, что может быть связано с избыточной скоростью потока материала, вызванной графитизацией края сырья. Степень коробления ослабляется в ходе последующего процесса роста, что соответствует изменению скорости потока материала на фронте роста кристаллов структуры 0 на рисунке 4 (г). В структуре 1 из-за воздействия ПГ граница кристалла не имеет коробления. Кроме того, ПГ также делает скорость роста структуры 1 существенно меньшей, чем у структуры 0. Толщина центра кристалла структуры 1 через 100 ч составляет всего 68% от толщины центра структуры 0.
Рис. 7. Изменения границ раздела кристаллов структуры 0 и структуры 1 через 30, 60 и 100 ч.
Рост кристаллов осуществлялся в технологических условиях численного моделирования. Кристаллы, выращенные структурой 0 и структурой 1, показаны на рисунке 8(a) и рисунке 8(b) соответственно. Кристалл структуры 0 имеет вогнутую границу раздела с волнистостью в центральной части и фазовым переходом на краю. Выпуклость поверхности представляет собой определенную степень неоднородности при транспорте газофазных материалов, а возникновение фазового перехода соответствует низкому соотношению C/Si. Интерфейс кристалла, выращенного по структуре 1, слегка выпуклый, фазовый переход не обнаружен, толщина составляет 65% кристалла без ПГ. В целом результаты роста кристаллов соответствуют результатам моделирования: при большей радиальной разнице температур на границе раздела кристаллов структуры 1 быстрый рост на краю подавляется, а общая скорость потока материала замедляется. Общая тенденция согласуется с результатами численного моделирования.
Рис. 8. Кристаллы SiC, выращенные при структурах 0 и 1.
Заключение
PG способствует улучшению общей температуры зоны сырья и улучшению осевой и радиальной однородности температуры, способствуя полной сублимации и использованию сырья; разница температур вверху и внизу увеличивается, а радиальный градиент поверхности затравочного кристалла увеличивается, что помогает поддерживать рост выпуклой границы раздела. С точки зрения массообмена введение ПГ снижает общую скорость массопереноса, скорость потока материала в ростовой камере, содержащей ПГ, меньше меняется со временем, и весь процесс роста становится более стабильным. В то же время PG также эффективно препятствует возникновению чрезмерного массопереноса кромок. Кроме того, PG также увеличивает соотношение C/Si в среде роста, особенно на передней кромке границы раздела затравочных кристаллов, что помогает уменьшить возникновение фазовых изменений в процессе роста. В то же время теплоизоляционный эффект ПГ в определенной степени снижает возникновение рекристаллизации в верхней части сырья. Для роста кристаллов PG замедляет скорость роста кристаллов, но граница роста становится более выпуклой. Таким образом, PG является эффективным средством улучшения условий роста кристаллов SiC и оптимизации качества кристаллов.
Время публикации: 18 июня 2024 г.