Der grundlegende Prozess derSiCDas Kristallwachstum unterteilt sich in die Sublimation und Zersetzung von Rohstoffen bei hohen Temperaturen, den Transport von Gasphasensubstanzen unter Einwirkung eines Temperaturgradienten und das Rekristallisationswachstum von Gasphasensubstanzen am Impfkristall. Darauf aufbauend ist das Innere des Tiegels in drei Bereiche unterteilt: Rohstoffbereich, Wachstumskammer und Impfkristall. Ein numerisches Simulationsmodell wurde basierend auf dem tatsächlichen Widerstand erstellt.SiCEinkristall-Züchtungsanlage (siehe Abbildung 1). In der Berechnung: der Boden desTiegelDer Tiegel ist 90 mm vom Boden des Seitenheizers entfernt, die Temperatur am oberen Ende des Tiegels beträgt 2100 °C, der Partikeldurchmesser des Rohmaterials 1000 μm, die Porosität 0,6, der Wachstumsdruck 300 Pa und die Wachstumszeit 100 h. Die PG-Dicke beträgt 5 mm, der Durchmesser entspricht dem Innendurchmesser des Tiegels und der Tiegel befindet sich 30 mm über dem Rohmaterial. Die Sublimations-, Karbonisierungs- und Rekristallisationsprozesse im Rohmaterialbereich werden in der Berechnung berücksichtigt, die Reaktion zwischen PG und gasförmigen Substanzen bleibt unberücksichtigt. Die berechnungsrelevanten physikalischen Eigenschaftsparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Abbildung 1 Simulationsberechnungsmodell. (a) Wärmefeldmodell zur Kristallwachstumssimulation; (b) Aufteilung des Tiegelinnenraums und damit verbundene physikalische Probleme
Tabelle 1 Einige physikalische Parameter, die bei der Berechnung verwendet wurden
Abbildung 2(a) zeigt, dass die Temperatur der PG-haltigen Struktur (Struktur 1) höher ist als die der PG-freien Struktur (Struktur 0) unterhalb von PG und niedriger als die der Struktur 0 oberhalb von PG. Der Gesamttemperaturgradient nimmt zu, und PG wirkt wärmedämmend. Gemäß Abbildung 2(b) und 2(c) sind die axialen und radialen Temperaturgradienten der Struktur 1 im Rohmaterialbereich geringer, die Temperaturverteilung gleichmäßiger und die Sublimation des Materials vollständiger. Im Gegensatz zum Rohmaterialbereich zeigt Abbildung 2(c) einen größeren radialen Temperaturgradienten am Impfkristall der Struktur 1. Dies könnte auf die unterschiedlichen Anteile der verschiedenen Wärmeübertragungsmodi zurückzuführen sein, die das Kristallwachstum mit einer konvexen Grenzfläche begünstigen. Abbildung 2(d) zeigt, dass die Temperatur an verschiedenen Stellen im Tiegel mit fortschreitendem Wachstum ansteigt. Der Temperaturunterschied zwischen Struktur 0 und Struktur 1 nimmt jedoch im Rohmaterialbereich allmählich ab und in der Wachstumskammer allmählich zu.
Abbildung 2 Temperaturverteilung und -änderungen im Tiegel. (a) Temperaturverteilung im Tiegel von Struktur 0 (links) und Struktur 1 (rechts) bei 0 h, Einheit: ℃; (b) Temperaturverteilung auf der Mittellinie des Tiegels von Struktur 0 und Struktur 1 vom Boden des Rohmaterials bis zum Impfkristall bei 0 h; (c) Temperaturverteilung von der Mitte zum Rand des Tiegels auf der Impfkristalloberfläche (A) und der Rohmaterialoberfläche (B), Mitte (C) und Unterseite (D) bei 0 h, die horizontale Achse r ist der Impfkristallradius für A und der Rohmaterialflächenradius für B~D; (d) Temperaturänderungen in der Mitte des oberen Teils (A), der Rohmaterialoberfläche (B) und Mitte (C) der Wachstumskammer von Struktur 0 und Struktur 1 bei 0, 30, 60 und 100 h.
Abbildung 3 zeigt den Materialtransport zu verschiedenen Zeitpunkten im Tiegel der Struktur 0 und Struktur 1. Die Materialflussrate in der Gasphase im Rohmaterialbereich und in der Wachstumskammer nimmt mit zunehmender Position zu, und der Materialtransport wird mit fortschreitendem Wachstum schwächer. Abbildung 3 zeigt auch, dass das Rohmaterial unter Simulationsbedingungen zuerst an der Seitenwand des Tiegels und dann am Tiegelboden graphitiert. Zusätzlich findet eine Rekristallisation an der Oberfläche des Rohmaterials statt, und es wird mit fortschreitendem Wachstum allmählich dichter. Abbildungen 4(a) und 4(b) zeigen, dass die Materialflussrate im Rohmaterial mit fortschreitendem Wachstum abnimmt und die Materialflussrate nach 100 Stunden etwa 50 % des Anfangsmoments beträgt; am Rand ist die Flussrate jedoch aufgrund der Graphitisierung des Rohmaterials relativ groß und beträgt nach 100 Stunden am Rand mehr als das Zehnfache der Flussrate in der Mitte. außerdem bewirkt die Wirkung von PG in Struktur 1, dass die Materialflussrate im Rohmaterialbereich von Struktur 1 niedriger ist als die von Struktur 0. In Abbildung 4(c) wird der Materialfluss sowohl im Rohmaterialbereich als auch in der Wachstumskammer mit fortschreitendem Wachstum allmählich schwächer, und der Materialfluss im Rohmaterialbereich nimmt weiter ab, was durch die Öffnung des Luftstromkanals am Rand des Tiegels und die Behinderung der Rekristallisation an der Spitze verursacht wird; in der Wachstumskammer sinkt die Materialflussrate von Struktur 0 in den ersten 30 Stunden schnell auf 16 % und sinkt in der darauffolgenden Zeit nur um 3 %, während Struktur 1 während des gesamten Wachstumsprozesses relativ stabil bleibt. Daher hilft PG, die Materialflussrate in der Wachstumskammer zu stabilisieren. Abbildung 4(d) vergleicht die Materialflussrate an der Kristallwachstumsfront. Im Anfangsmoment und nach 100 Stunden ist der Materialtransport in der Wachstumszone von Struktur 0 stärker als in Struktur 1, jedoch befindet sich am Rand von Struktur 0 immer ein Bereich mit hoher Strömungsrate, was zu übermäßigem Wachstum am Rand führt. Die Anwesenheit von PG in Struktur 1 unterdrückt dieses Phänomen wirksam.
Abbildung 3 Materialfluss im Tiegel. Stromlinien (links) und Geschwindigkeitsvektoren (rechts) des Gasmaterialtransports in den Strukturen 0 und 1 zu verschiedenen Zeiten, Einheit des Geschwindigkeitsvektors: m/s
Abbildung 4 Änderungen der Materialflussrate. (a) Änderungen der Materialflussratenverteilung in der Mitte des Rohmaterials der Struktur 0 bei 0, 30, 60 und 100 h, r ist der Radius des Rohmaterialbereichs; (b) Änderungen der Materialflussratenverteilung in der Mitte des Rohmaterials der Struktur 1 bei 0, 30, 60 und 100 h, r ist der Radius des Rohmaterialbereichs; (c) Änderungen der Materialflussrate innerhalb der Wachstumskammer (A, B) und innerhalb des Rohmaterials (C, D) der Strukturen 0 und 1 im Laufe der Zeit; (d) Materialflussratenverteilung nahe der Oberfläche des Impfkristalls der Strukturen 0 und 1 bei 0 und 100 h, r ist der Radius des Impfkristalls
C/Si beeinflusst die kristalline Stabilität und die Defektdichte des SiC-Kristallwachstums. Abbildung 5(a) vergleicht die C/Si-Verhältnisverteilung der beiden Strukturen zu Beginn. Das C/Si-Verhältnis nimmt im Tiegel von unten nach oben allmählich ab, wobei das C/Si-Verhältnis von Struktur 1 an verschiedenen Stellen stets höher ist als das von Struktur 0. Abbildung 5(b) und 5(c) zeigen, dass das C/Si-Verhältnis mit zunehmendem Wachstum allmählich zunimmt. Dies ist auf den Anstieg der Innentemperatur im späteren Wachstumsstadium, die verstärkte Graphitisierung des Rohmaterials und die Reaktion der Si-Komponenten in der Gasphase mit dem Graphittiegel zurückzuführen. Abbildung 5(d) zeigt, dass die C/Si-Verhältnisse von Struktur 0 und Struktur 1 unterhalb von PG (0,25 mm) deutlich unterschiedlich sind, oberhalb von PG (50 mm) jedoch geringfügig abweichen und sich mit zunehmender Nähe zum Kristall allmählich vergrößern. Generell ist das höhere C/Si-Verhältnis von Struktur 1 zur Stabilisierung der Kristallform und zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit eines Phasenübergangs beiträgt.
Abbildung 5 Verteilung und Änderungen des C/Si-Verhältnisses. (a) C/Si-Verhältnisverteilung in Tiegeln der Struktur 0 (links) und Struktur 1 (rechts) bei 0 h; (b) C/Si-Verhältnis in unterschiedlichen Abständen von der Mittellinie des Tiegels der Struktur 0 zu unterschiedlichen Zeitpunkten (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-Verhältnis in unterschiedlichen Abständen von der Mittellinie des Tiegels der Struktur 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten (0, 30, 60, 100 h); (d) Vergleich des C/Si-Verhältnisses in unterschiedlichen Abständen (0, 25, 50, 75, 100 mm) von der Mittellinie des Tiegels der Struktur 0 (durchgezogene Linie) und Struktur 1 (gestrichelte Linie) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (0, 30, 60, 100 h).
Abbildung 6 zeigt die Veränderungen von Partikeldurchmesser und Porosität in den Rohmaterialbereichen der beiden Strukturen. Die Abbildung zeigt, dass der Rohmaterialdurchmesser in der Nähe der Tiegelwand abnimmt und die Porosität zunimmt. Die Randporosität nimmt mit fortschreitendem Wachstum weiter zu und der Partikeldurchmesser nimmt weiter ab. Die maximale Randporosität beträgt nach 100 Stunden etwa 0,99, der minimale Partikeldurchmesser etwa 300 μm. An der Oberfläche des Rohmaterials nimmt der Partikeldurchmesser zu und die Porosität ab, was der Rekristallisation entspricht. Die Dicke des Rekristallisationsbereichs nimmt mit fortschreitendem Wachstum zu, und Partikelgröße und Porosität verändern sich kontinuierlich. Der maximale Partikeldurchmesser erreicht über 1500 μm, die minimale Porosität beträgt 0,13. Da PG die Temperatur im Rohmaterialbereich erhöht und die Gasübersättigung gering ist, ist die Rekristallisationsdicke im oberen Bereich des Rohmaterials der Struktur 1 gering, was die Rohmaterialausnutzung verbessert.
Abbildung 6 Veränderungen des Partikeldurchmessers (links) und der Porosität (rechts) des Rohstoffbereichs der Struktur 0 und Struktur 1 zu verschiedenen Zeitpunkten, Einheit des Partikeldurchmessers: μm
Abbildung 7 zeigt, dass sich Struktur 0 zu Beginn des Wachstums verzieht. Dies könnte auf die übermäßige Materialflussrate zurückzuführen sein, die durch die Graphitisierung der Rohmaterialkante verursacht wird. Der Grad der Verziehung nimmt im weiteren Wachstumsprozess ab, was der Änderung der Materialflussrate an der Vorderseite des Kristallwachstums von Struktur 0 in Abbildung 4 (d) entspricht. In Struktur 1 weist die Kristallgrenzfläche aufgrund des PG-Effekts keine Verziehung auf. Darüber hinaus verringert PG die Wachstumsrate von Struktur 1 deutlich im Vergleich zu Struktur 0. Die Mittendicke des Kristalls von Struktur 1 beträgt nach 100 Stunden nur 68 % der von Struktur 0.
Abbildung 7 Grenzflächenänderungen von Kristallen der Struktur 0 und 1 nach 30, 60 und 100 Stunden
Das Kristallwachstum wurde unter den Prozessbedingungen einer numerischen Simulation durchgeführt. Die mit Struktur 0 und Struktur 1 gewachsenen Kristalle sind in Abbildung 8(a) bzw. 8(b) dargestellt. Der Kristall der Struktur 0 weist eine konkave Grenzfläche mit Wellen im mittleren Bereich und einem Phasenübergang am Rand auf. Die Oberflächenkonvexität stellt eine gewisse Inhomogenität beim Transport von Gasphasenmaterialien dar, und das Auftreten eines Phasenübergangs entspricht dem niedrigen C/Si-Verhältnis. Die Grenzfläche des mit Struktur 1 gewachsenen Kristalls ist leicht konvex, es wurde kein Phasenübergang festgestellt, und die Dicke beträgt 65 % des Kristalls ohne PG. Generell entsprechen die Ergebnisse des Kristallwachstums den Simulationsergebnissen, mit einem größeren radialen Temperaturunterschied an der Kristallgrenzfläche von Struktur 1, einer Unterdrückung des schnellen Wachstums am Rand und einer geringeren Gesamtmaterialflussrate. Der Gesamttrend entspricht den Ergebnissen der numerischen Simulation.
Abbildung 8 SiC-Kristalle, die unter Struktur 0 und Struktur 1 gewachsen sind
Abschluss
PG verbessert die Gesamttemperatur im Rohmaterialbereich und die axiale und radiale Temperaturgleichmäßigkeit und fördert so die vollständige Sublimation und Nutzung des Rohmaterials. Der Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite sowie der radiale Gradient der Impfkristalloberfläche nehmen zu, was das konvexe Grenzflächenwachstum unterstützt. Hinsichtlich des Stofftransports reduziert die Zugabe von PG die Gesamtstofftransportrate, die Materialflussrate in der PG-haltigen Wachstumskammer ändert sich zeitlich weniger, und der gesamte Wachstumsprozess ist stabiler. Gleichzeitig verhindert PG wirksam übermäßigen Randstofftransport. Darüber hinaus erhöht PG das C/Si-Verhältnis der Wachstumsumgebung, insbesondere an der Vorderkante der Impfkristallgrenzfläche, wodurch Phasenwechsel während des Wachstums reduziert werden. Gleichzeitig reduziert die wärmeisolierende Wirkung von PG die Rekristallisation im oberen Rohmaterialbereich bis zu einem gewissen Grad. Beim Kristallwachstum verlangsamt PG die Kristallwachstumsrate, die Wachstumsgrenzfläche wird jedoch konvexer. Daher ist PG ein wirksames Mittel, um die Wachstumsumgebung von SiC-Kristallen zu verbessern und die Kristallqualität zu optimieren.
Veröffentlichungszeit: 18. Juni 2024