Основният процес наSiCРастежът на кристалите се разделя на сублимация и разлагане на суровините при висока температура, транспортиране на вещества в газова фаза под действието на температурен градиент и растеж чрез рекристализация на вещества в газова фаза върху зародишния кристал. Въз основа на това вътрешността на тигела е разделена на три части: зона за суровините, камера за растеж и зародишен кристал. Изготвен е числен симулационен модел, базиран на действителното резистивно напрежение.SiCоборудване за растеж на монокристали (вижте Фигура 1). При изчислението: долната част натигеле на 90 мм от дъното на страничния нагревател, горната температура на тигела е 2100 ℃, диаметърът на частиците на суровината е 1000 μm, порьозността е 0,6, налягането на растеж е 300 Pa, а времето на растеж е 100 часа. Дебелината на PG е 5 mm, диаметърът е равен на вътрешния диаметър на тигела и е разположен на 30 mm над суровината. Процесите на сублимация, карбонизация и рекристализация на зоната на суровината са взети предвид при изчислението, а реакцията между PG и веществата в газова фаза не е взета предвид. Свързаните с изчислението параметри на физичните свойства са показани в Таблица 1.
Фигура 1 Симулационен изчислителен модел. (а) Модел на термично поле за симулация на растежа на кристали; (б) Разделяне на вътрешната площ на тигела и свързани с него физически проблеми
Таблица 1 Някои физически параметри, използвани в изчислението
Фигура 2(a) показва, че температурата на структурата, съдържаща PG (обозначена като структура 1), е по-висока от тази на структурата без PG (обозначена като структура 0) под PG и по-ниска от тази на структура 0 над PG. Общият температурен градиент се увеличава и PG действа като топлоизолационен агент. Според фигури 2(b) и 2(c), аксиалните и радиалните температурни градиенти на структура 1 в зоната на суровината са по-малки, разпределението на температурата е по-равномерно и сублимацията на материала е по-пълна. За разлика от зоната на суровината, фигура 2(c) показва, че радиалният температурен градиент при зародишния кристал на структура 1 е по-голям, което може да се дължи на различните пропорции на различните режими на топлопреминаване, което помага на кристала да расте с изпъкнала повърхност. На Фигура 2(d) температурата на различни позиции в тигела показва нарастваща тенденция с напредването на растежа, но температурната разлика между структура 0 и структура 1 постепенно намалява в зоната на суровината и постепенно се увеличава в камерата за растеж.
Фигура 2 Разпределение на температурата и промени в тигела. (a) Разпределение на температурата вътре в тигела на структура 0 (вляво) и структура 1 (вдясно) при 0 часа, единица: ℃; (b) Разпределение на температурата по централната линия на тигела на структура 0 и структура 1 от дъното на суровината до зародишния кристал при 0 часа; (c) Разпределение на температурата от центъра до ръба на тигела върху повърхността на зародишния кристал (A) и повърхността на суровината (B), средата (C) и дъното (D) при 0 часа, като хоризонталната ос r е радиусът на зародишния кристал за A, а радиусът на площта на суровината за B~D; (d) Промени в температурата в центъра на горната част (A), повърхността на суровината (B) и средата (C) на растежната камера на структура 0 и структура 1 при 0, 30, 60 и 100 часа.
Фигура 3 показва транспорта на материала в различни моменти в тигела със структура 0 и структура 1. Дебитът на газовия материал в зоната на суровината и камерата за растеж се увеличава с увеличаване на позицията, а транспортът на материала отслабва с напредването на растежа. Фигура 3 също така показва, че при симулационните условия суровината първо графитизира върху страничната стена на тигела, а след това и върху дъното му. Освен това, има рекристализация на повърхността на суровината и тя постепенно се сгъстява с напредването на растежа. Фигури 4(a) и 4(b) показват, че дебитът на материала вътре в суровината намалява с напредването на растежа, като дебитът на материала при 100 h е около 50% от началния момент; въпреки това, дебитът е относително голям в края поради графитизацията на суровината, а дебитът в края е повече от 10 пъти по-голям от дебита в средната област при 100 h; Освен това, ефектът на PG в структура 1 прави дебита на материала в зоната на суровината на структура 1 по-нисък от този на структура 0. На Фигура 4(c) дебитът на материала както в зоната на суровината, така и в камерата за растеж постепенно отслабва с напредването на растежа, а дебитът на материала в зоната на суровината продължава да намалява, което се дължи на отварянето на канала за въздушен поток на ръба на тигела и възпрепятстването на рекристализацията в горната част; в камерата за растеж дебитът на материала на структура 0 намалява бързо в първите 30 часа до 16% и намалява само с 3% в последващото време, докато структура 1 остава относително стабилна през целия процес на растеж. Следователно, PG помага за стабилизиране на дебита на материала в камерата за растеж. Фигура 4(d) сравнява дебита на материала на фронта на растеж на кристала. В началния момент и след 100 часа, транспортът на материал в зоната на растеж на структура 0 е по-силен от този в структура 1, но винаги има област с висок дебит на ръба на структура 0, което води до прекомерен растеж на ръба. Наличието на PG в структура 1 ефективно потиска това явление.
Фигура 3 Поток на материала в тигела. Линии на тока (вляво) и вектори на скоростта (вдясно) на транспорта на газов материал в структури 0 и 1 в различни моменти, единица за вектор на скоростта: m/s
Фигура 4 Промени в дебита на материала. (a) Промени в разпределението на дебита на материала в средата на суровината на структура 0 при 0, 30, 60 и 100 часа, r е радиусът на зоната на суровината; (b) Промени в разпределението на дебита на материала в средата на суровината на структура 1 при 0, 30, 60 и 100 часа, r е радиусът на зоната на суровината; (c) Промени в дебита на материала вътре в растежната камера (A, B) и вътре в суровината (C, D) на структури 0 и 1 с течение на времето; (d) Разпределение на дебита на материала близо до повърхността на зародишния кристал на структури 0 и 1 при 0 и 100 часа, r е радиусът на зародишния кристал
C/Si влияе върху кристалната стабилност и плътността на дефектите при растежа на SiC кристали. Фигура 5(a) сравнява разпределението на съотношението C/Si на двете структури в началния момент. Съотношението C/Si постепенно намалява от дъното към върха на тигела, а съотношението C/Si на структура 1 винаги е по-високо от това на структура 0 на различни позиции. Фигури 5(b) и 5(c) показват, че съотношението C/Si постепенно се увеличава с растежа, което е свързано с повишаването на вътрешната температура в по-късния етап на растеж, засилването на графитизацията на суровината и реакцията на Si компонентите в газовата фаза с графитния тигел. На Фигура 5(d) съотношенията C/Si на структура 0 и структура 1 са доста различни под PG (0, 25 mm), но малко по-различни над PG (50 mm), като разликата постепенно се увеличава с приближаването към кристала. Като цяло съотношението C/Si на структура 1 е по-високо, което спомага за стабилизиране на кристалната форма и намаляване на вероятността от фазов преход.
Фигура 5 Разпределение и промени в съотношението C/Si. (a) Разпределение на съотношението C/Si в тигли със структура 0 (вляво) и структура 1 (вдясно) при 0 часа; (b) Съотношение C/Si на различни разстояния от централната линия на тигела със структура 0 в различни моменти (0, 30, 60, 100 часа); (c) Съотношение C/Si на различни разстояния от централната линия на тигела със структура 1 в различни моменти (0, 30, 60, 100 часа); (d) Сравнение на съотношението C/Si на различни разстояния (0, 25, 50, 75, 100 mm) от централната линия на тигела със структура 0 (плътна линия) и структура 1 (пунктирана линия) в различни моменти (0, 30, 60, 100 часа).
Фигура 6 показва промените в диаметъра на частиците и порьозността на зоните на суровината на двете структури. Фигурата показва, че диаметърът на суровината намалява, а порьозността се увеличава близо до стената на тигела, като порьозността на ръба продължава да се увеличава и диаметърът на частиците продължава да намалява с напредването на растежа. Максималната порьозност на ръба е около 0,99 на 100 часа, а минималният диаметър на частиците е около 300 μm. Диаметърът на частиците се увеличава, а порьозността намалява на горната повърхност на суровината, което съответства на рекристализацията. Дебелината на зоната на рекристализация се увеличава с напредването на растежа, а размерът и порьозността на частиците продължават да се променят. Максималният диаметър на частиците достига повече от 1500 μm, а минималната порьозност е 0,13. Освен това, тъй като PG повишава температурата на зоната на суровината и пренасищането с газ е малко, дебелината на рекристализация на горната част на суровината на структура 1 е малка, което подобрява степента на използване на суровината.
Фигура 6 Промени в диаметъра на частиците (вляво) и порьозността (вдясно) на областта на суровината със структура 0 и структура 1 в различни моменти, единица за диаметър на частиците: μm
Фигура 7 показва, че структура 0 се изкривява в началото на растежа, което може да е свързано с прекомерния дебит на материала, причинен от графитизацията на ръба на суровината. Степента на изкривяване се отслабва по време на последващия процес на растеж, което съответства на промяната в дебита на материала във фронта на растежа на кристала на структура 0 на Фигура 4 (d). В структура 1, поради ефекта на PG, кристалният интерфейс не показва изкривяване. Освен това, PG прави скоростта на растеж на структура 1 значително по-ниска от тази на структура 0. Централната дебелина на кристала на структура 1 след 100 часа е само 68% от тази на структура 0.
Фигура 7 Промени в интерфейса на кристали със структура 0 и структура 1 на 30, 60 и 100 часа
Кристалният растеж е проведен при условията на числена симулация. Кристалите, отгледани от структура 0 и структура 1, са показани съответно на Фигура 8(a) и Фигура 8(b). Кристалът със структура 0 показва вдлъбната повърхност с вълни в централната област и фазов преход по ръба. Изпъкналостта на повърхността представлява известна степен на нееднородност при транспорта на газовофазни материали, а наличието на фазов преход съответства на ниското съотношение C/Si. Интерфейсът на кристала, отгледан от структура 1, е леко изпъкнал, не се наблюдава фазов преход, а дебелината е 65% от тази на кристала без PG. Като цяло, резултатите от растежа на кристалите съответстват на резултатите от симулацията, с по-голяма радиална температурна разлика на кристалния интерфейс на структура 1, бързият растеж по ръба е потиснат и общата скорост на потока на материала е по-бавна. Общата тенденция е в съответствие с резултатите от числената симулация.
Фигура 8 Кристали SiC, отгледани при структура 0 и структура 1
Заключение
PG благоприятства подобряването на общата температура в зоната на суровината и подобряването на аксиалната и радиалната температурна равномерност, като насърчава пълната сублимация и оползотворяване на суровината; температурната разлика между горната и долната част се увеличава, а радиалният градиент на повърхността на зародишния кристал се увеличава, което спомага за поддържане на растежа на изпъкналия интерфейс. По отношение на масопреноса, въвеждането на PG намалява общата скорост на масопренос, скоростта на потока на материала в растежната камера, съдържаща PG, се променя по-малко с времето и целият процес на растеж е по-стабилен. В същото време, PG също така ефективно инхибира появата на прекомерен масопренос по ръба. В допълнение, PG също така увеличава съотношението C/Si в растежната среда, особено в предния ръб на интерфейса на зародишния кристал, което спомага за намаляване на появата на фазова промяна по време на процеса на растеж. В същото време, топлоизолационният ефект на PG намалява до известна степен появата на рекристализация в горната част на суровината. За растежа на кристалите, PG забавя скоростта на растеж на кристала, но растежният интерфейс е по-изпъкнал. Следователно, PG е ефективно средство за подобряване на средата за растеж на SiC кристали и оптимизиране на качеството на кристалите.
Време на публикуване: 18 юни 2024 г.