Основний процесSiCРост кристалів поділяється на сублімацію та розкладання сировини при високій температурі, транспортування речовин газової фази під дією температурного градієнта та рекристалізаційне зростання речовин газової фази на затравковому кристалі. Виходячи з цього, внутрішня частина тигля розділена на три частини: зона сировини, камера росту та затравковий кристал. Чисельна імітаційна модель була складена на основі фактичного резистивуSiCобладнання для вирощування монокристалів (див. рис. 1). У розрахунку: дно сттигельзнаходиться на відстані 90 мм від дна бічного нагрівача, верхня температура тигля 2100 ℃, діаметр частинок сировини 1000 мкм, пористість 0,6, тиск росту 300 Па, час росту 100 год. . Товщина ПГ 5 мм, діаметр дорівнює внутрішньому діаметру тигля, розташований на 30 мм над сировиною. У розрахунку враховуються процеси сублімації, карбонізації та перекристалізації сировинної зони, а реакція між ПГ і речовинами газової фази не враховується. Параметри фізичних властивостей, пов’язані з розрахунками, наведено в таблиці 1.
Рисунок 1 Імітаційна розрахункова модель. (a) Модель теплового поля для моделювання росту кристалів; (b) Поділ внутрішньої площі тигля та пов’язані з цим фізичні проблеми
Таблиця 1 Деякі фізичні параметри, використані в розрахунку
На малюнку 2(a) показано, що температура структури, що містить PG (позначеної як структура 1), вища, ніж температура структури без PG (позначеної як структура 0) нижче PG, і нижча, ніж у структури 0 над PG. Збільшується загальний температурний градієнт, і ПГ виконує роль теплоізолятора. Згідно з малюнками 2(b) і 2(c), осьовий і радіальний градієнти температури структури 1 у зоні сировини менші, розподіл температури більш рівномірний, а сублімація матеріалу більш повна. На відміну від зони сировини, на малюнку 2(c) показано, що радіальний градієнт температури на затравковому кристалі структури 1 більший, що може бути викликано різними пропорціями різних режимів теплопередачі, що допомагає кристалу рости з опуклою межею розділу. . На малюнку 2(d) температура в різних положеннях тигля демонструє тенденцію до зростання в міру прогресування росту, але різниця температур між структурою 0 і структурою 1 поступово зменшується в зоні сировини і поступово збільшується в камері росту.
Рисунок 2 Розподіл температури та зміни в тиглі. (a) Розподіл температури всередині тигля структури 0 (ліворуч) і структури 1 (праворуч) о 0 год., одиниця: ℃; (b) Розподіл температури на центральній лінії тигля структури 0 і структури 1 від нижньої частини сировини до затравкового кристала в 0 годин; (c) Розподіл температури від центру до краю тигля на поверхні затравкового кристала (A) і поверхні сировини (B), середній (C) і нижній (D) о 0 годині, горизонтальна вісь r є радіус зародкового кристала для A та радіус ділянки сировини для B~D; (d) Зміни температури в центрі верхньої частини (A), поверхні сировини (B) і в середині (C) камери росту структури 0 і структури 1 в 0, 30, 60 і 100 годин.
На малюнку 3 показано транспортування матеріалу в різний час у тиглі структури 0 і структури 1. Швидкість потоку матеріалу газової фази в зоні сировини та камері росту збільшується зі збільшенням положення, а транспортування матеріалу слабшає в міру зростання. . На рисунку 3 також показано, що в умовах моделювання сировина спочатку графітується на бічній стінці тигля, а потім на дні тигля. Крім того, на поверхні сировини відбувається рекристалізація, і вона поступово потовщується в міру зростання. На рисунках 4(a) і 4(b) показано, що швидкість потоку матеріалу всередині сировини зменшується в міру зростання, і швидкість потоку матеріалу через 100 годин становить приблизно 50% від початкового моменту; однак швидкість потоку на краю є відносно великою через графітизацію сировини, а швидкість потоку на краю більш ніж у 10 разів перевищує швидкість потоку в середній зоні за 100 годин; крім того, ефект PG у структурі 1 робить швидкість потоку матеріалу в зоні сировини структури 1 нижчою, ніж у структурі 0. На малюнку 4(c) потік матеріалу як у зоні сировини, так і в зоні сировини ростова камера поступово слабшає в міру зростання, і потік матеріалу в зоні сировини продовжує зменшуватися, що спричинено відкриттям каналу повітряного потоку на краю тигля та перешкоджанням рекристалізації у верхній частині; у ростовій камері швидкість потоку матеріалу структури 0 швидко зменшується протягом перших 30 годин до 16% і зменшується лише на 3% у наступний час, тоді як структура 1 залишається відносно стабільною протягом усього процесу росту. Таким чином, PG допомагає стабілізувати швидкість потоку матеріалу в камері росту. На малюнку 4(d) порівнюється швидкість потоку матеріалу на фронті росту кристала. У початковий момент і 100 год транспорт матеріалу в зоні росту структури 0 сильніший, ніж у структурі 1, але на краю структури 0 завжди є зона високої швидкості потоку, що призводить до надмірного росту на краю . Присутність PG у структурі 1 ефективно пригнічує це явище.
Рисунок 3 Потік матеріалу в тиглі. Лінії струму (ліворуч) та вектори швидкості (праворуч) транспортування газоматеріалів у структурах 0 та 1 у різний час, одиниця вектора швидкості: м/с.
Рисунок 4 Зміни в швидкості потоку матеріалу. (a) Зміни в розподілі швидкості потоку матеріалу в середині сировини структури 0 в 0, 30, 60 і 100 год, r - радіус ділянки сировини; (b) Зміни в розподілі швидкості потоку матеріалу в середині сировини структури 1 на 0, 30, 60 і 100 год, r - радіус зони сировини; (c) Зміни швидкості потоку матеріалу всередині камери росту (A, B) і всередині сировини (C, D) структур 0 і 1 з часом; (d) Розподіл швидкості потоку матеріалу біля поверхні затравкового кристала структур 0 і 1 при 0 і 100 год, r — радіус затравкового кристала
C/Si впливає на кристалічну стабільність і щільність дефектів росту кристалів SiC. На малюнку 5(a) порівнюється розподіл співвідношення C/Si двох структур у початковий момент. Співвідношення C/Si поступово зменшується від дна до верху тигля, і співвідношення C/Si у структурі 1 завжди вище, ніж у структурі 0 у різних положеннях. На малюнках 5(b) і 5(c) показано, що співвідношення C/Si поступово зростає з ростом, що пов’язано зі збільшенням внутрішньої температури на пізній стадії росту, посиленням графітизації сировини та реакцією Si компонентів у газовій фазі з графітовим тиглем. На малюнку 5(d) співвідношення C/Si для структури 0 і структури 1 значно відрізняються нижче PG (0, 25 мм), але трохи відрізняються вище PG (50 мм), і різниця поступово збільшується в міру наближення до кристала. . Загалом, співвідношення C/Si структури 1 вище, що допомагає стабілізувати кристалічну форму та зменшити ймовірність фазового переходу.
Рисунок 5 Розподіл і зміни співвідношення C/Si. (а) розподіл співвідношення C/Si в тиглях структури 0 (ліворуч) і структури 1 (справа) при 0 год.; (b) співвідношення C/Si на різних відстанях від центральної лінії тигля структури 0 у різний час (0, 30, 60, 100 год); (в) відношення C/Si на різних відстанях від центральної лінії тигля структури 1 у різний час (0, 30, 60, 100 год); (d) Порівняння співвідношення C/Si на різних відстанях (0, 25, 50, 75, 100 мм) від центральної лінії тигля структури 0 (суцільна лінія) і структури 1 (пунктирна лінія) в різні моменти часу (0, 30, 60, 100 годин).
На малюнку 6 показано зміни діаметра частинок і пористості областей сировини двох структур. На малюнку показано, що діаметр сировини зменшується, а пористість збільшується біля стінки тигля, а крайова пористість продовжує збільшуватися, а діаметр частинок продовжує зменшуватися в міру зростання. Максимальна крайова пористість становить близько 0,99 при 100 год, а мінімальний діаметр частинок становить близько 300 мкм. Діаметр частинок збільшується, а пористість зменшується на верхній поверхні сировини, що відповідає рекристалізації. Товщина зони рекристалізації збільшується в міру зростання, а розмір частинок і пористість продовжують змінюватися. Максимальний діаметр частинок досягає більше 1500 мкм, а мінімальна пористість 0,13. Крім того, оскільки PG підвищує температуру сировинної зони, а перенасичення газу невелике, товщина рекристалізації верхньої частини сировини структури 1 мала, що покращує швидкість використання сировини.
Рисунок 6 Зміни діаметра частинок (ліворуч) і пористості (праворуч) сировинної ділянки структури 0 і структури 1 в різний час, одиниця діаметра частинок: мкм
На рисунку 7 показано, що структура 0 деформується на початку росту, що може бути пов’язано з надмірною швидкістю потоку матеріалу, спричиненою графітизацією краю сировини. Ступінь викривлення послаблюється під час подальшого процесу росту, що відповідає зміні швидкості потоку матеріалу на фронті зростання кристала структури 0 на малюнку 4 (d). У структурі 1 через ефект PG межа розділу кристала не виявляє викривлення. Крім того, PG також робить швидкість росту структури 1 значно нижчою, ніж структура 0. Центральна товщина кристала структури 1 через 100 годин становить лише 68% від товщини структури 0.
Рисунок 7 Зміни межі розділу кристалів структури 0 і структури 1 за 30, 60 і 100 годин
Вирощування кристалів проводили в умовах процесу чисельного моделювання. Кристали, вирощені структурою 0 і структурою 1, показані на рисунку 8(a) і малюнку 8(b), відповідно. Кристал структури 0 демонструє увігнуту межу розділу з хвилястостями в центральній області та фазовим переходом на краю. Опуклість поверхні являє собою певний ступінь неоднорідності в транспортуванні газофазних матеріалів, а виникнення фазового переходу відповідає низькому відношенню C/Si. Поверхня розділу кристала, вирощеного за структурою 1, злегка опукла, фазового переходу не виявлено, товщина становить 65% кристала без ПГ. Загалом, результати росту кристалів відповідають результатам моделювання, з більшою радіальною різницею температур на межі кристалів структури 1 швидке зростання на краю пригнічується, а загальна швидкість потоку матеріалу нижча. Загальна тенденція узгоджується з результатами чисельного моделювання.
Рисунок 8. Кристали SiC, вирощені під структурою 0 і структурою 1
Висновок
PG сприяє покращенню загальної температури в зоні сировини та покращенню осьової та радіальної однорідності температури, сприяючи повній сублімації та використанню сировини; верхня і нижня різниця температур збільшується, а радіальний градієнт поверхні затравкового кристала збільшується, що допомагає підтримувати зростання опуклої межі розділу. З точки зору масообміну, введення PG зменшує загальну швидкість масообміну, швидкість потоку матеріалу в камері росту, що містить PG, змінюється менше з часом, і весь процес росту є більш стабільним. У той же час, PG також ефективно пригнічує виникнення надмірного крайового масопереносу. Крім того, PG також збільшує співвідношення C/Si у середовищі росту, особливо на передньому краю межі затравкових кристалів, що допомагає зменшити виникнення зміни фази під час процесу росту. У той же час теплоізоляційний ефект PG певною мірою зменшує виникнення рекристалізації у верхній частині сировини. Для росту кристалів PG уповільнює швидкість росту кристалів, але межа росту більш опукла. Таким чином, PG є ефективним засобом для покращення середовища росту кристалів SiC та оптимізації якості кристалів.
Час публікації: 18 червня 2024 р