La baza procezo deSiCkristala kresko estas dividita en sublimadon kaj malkomponiĝon de krudmaterialoj je alta temperaturo, transportadon de gasfazaj substancoj sub la ago de temperaturgradiento, kaj rekristaliĝan kreskon de gasfazaj substancoj ĉe la semkristalo. Surbaze de tio, la interno de la krisolo estas dividita en tri partojn: krudmaterialan areon, kreskokameron kaj semkristalon. Nombra simuladmodelo estis desegnita surbaze de la fakta rezistanco.SiCekipaĵo por kresko de unu-kristaloj (vidu Figuron 1). En la kalkulo: la fundo de lakrisoloestas 90 mm for de la fundo de la flanka hejtilo, la supra temperaturo de la krisolo estas 2100 ℃, la diametro de la kruda materialo estas 1000 μm, la poreco estas 0.6, la kreskopremo estas 300 Pa, kaj la kreskotempo estas 100 h. La PG-dikeco estas 5 mm, la diametro egalas al la interna diametro de la krisolo, kaj ĝi situas 30 mm super la kruda materialo. La sublimadaj, karbigaj kaj rekristaligaj procezoj de la kruda materiala zono estas konsiderataj en la kalkulo, kaj la reakcio inter PG kaj gasfazaj substancoj ne estas konsiderata. La kalkul-rilataj fizikaj ecoj-parametroj estas montritaj en Tabelo 1.
Figuro 1 Simulada kalkulmodelo. (a) Termika kampa modelo por kristala kreskosimulado; (b) Divido de la interna areo de la krisolo kaj rilataj fizikaj problemoj
Tabelo 1 Kelkaj fizikaj parametroj uzitaj en la kalkulo
Figuro 2(a) montras, ke la temperaturo de la PG-entenanta strukturo (nomata strukturo 1) estas pli alta ol tiu de la PG-libera strukturo (nomata strukturo 0) sub PG, kaj pli malalta ol tiu de strukturo 0 super PG. La ĝenerala temperaturgradiento pliiĝas, kaj PG agas kiel varmoizolilo. Laŭ Figuroj 2(b) kaj 2(c), la aksaj kaj radialaj temperaturgradientoj de strukturo 1 en la kruda materiala zono estas pli malgrandaj, la temperaturdistribuo estas pli uniforma, kaj la sublimiĝo de la materialo estas pli kompleta. Male al la kruda materiala zono, Figuro 2(c) montras, ke la radiala temperaturgradiento ĉe la semkristalo de strukturo 1 estas pli granda, kio povas esti kaŭzita de la malsamaj proporcioj de malsamaj varmotransigaj reĝimoj, kio helpas la kristalon kreski kun konveksa interfaco. En Figuro 2(d), la temperaturo ĉe malsamaj pozicioj en la krisolo montras kreskantan tendencon dum la kresko progresas, sed la temperaturdiferenco inter strukturo 0 kaj strukturo 1 iom post iom malpliiĝas en la kruda materiala zono kaj iom post iom pliiĝas en la kreskokamero.
Figuro 2 Temperaturdistribuo kaj ŝanĝoj en la krisolo. (a) Temperaturdistribuo ene de la krisolo de strukturo 0 (maldekstre) kaj strukturo 1 (dekstre) je 0 h, unuo: ℃; (b) Temperaturdistribuo sur la centra linio de la krisolo de strukturo 0 kaj strukturo 1 de la fundo de la kruda materialo ĝis la semkristalo je 0 h; (c) Temperaturdistribuo de la centro ĝis la rando de la krisolo sur la semkristala surfaco (A) kaj la kruda materiala surfaco (B), mezo (C) kaj fundo (D) je 0 h, la horizontala akso r estas la semkristala radiuso por A, kaj la kruda materiala areoradiuso por B~D; (d) Temperaturŝanĝoj ĉe la centro de la supra parto (A), kruda materiala surfaco (B) kaj mezo (C) de la kreskokamero de strukturo 0 kaj strukturo 1 je 0, 30, 60 kaj 100 h.
Figuro 3 montras la materialan transporton je malsamaj tempoj en la krisolo de strukturo 0 kaj strukturo 1. La gasfaza materiala flukvanto en la kruda materiala areo kaj la kreskokamero pliiĝas kun la pliiĝo de la pozicio, kaj la materiala transporto malfortiĝas dum la kresko progresas. Figuro 3 ankaŭ montras, ke sub la simulaj kondiĉoj, la kruda materialo unue grafitiĝas sur la flanka muro de la krisolo kaj poste sur la fundo de la krisolo. Krome, okazas rekristaliĝo sur la surfaco de la kruda materialo kaj ĝi iom post iom dikiĝas dum la kresko progresas. Figuroj 4(a) kaj 4(b) montras, ke la materiala flukvanto ene de la kruda materialo malpliiĝas dum la kresko progresas, kaj la materiala flukvanto je 100 h estas ĉirkaŭ 50% de la komenca momento; tamen, la flukvanto estas relative granda ĉe la rando pro la grafitiĝo de la kruda materialo, kaj la flukvanto ĉe la rando estas pli ol 10-oble pli granda ol la flukvanto en la meza areo je 100 h; krome, la efiko de PG en strukturo 1 igas la materialan flukvanton en la kruda materiala areo de strukturo 1 pli malalta ol tiu de strukturo 0. En Figuro 4(c), la materiala fluo kaj en la kruda materiala areo kaj en la kreskokamero iom post iom malfortiĝas dum la kresko progresas, kaj la materiala fluo en la kruda materiala areo daŭre malpliiĝas, kio estas kaŭzita de la malfermo de la aerflua kanalo ĉe la rando de la krisolo kaj la obstrukco de rekristaliĝo ĉe la supro; en la kreskokamero, la materiala flukvanto de strukturo 0 rapide malpliiĝas en la komencaj 30 horoj ĝis 16%, kaj nur malpliiĝas je 3% en la posta tempo, dum strukturo 1 restas relative stabila dum la tuta kreskoprocezo. Tial, PG helpas stabiligi la materialan flukvanton en la kreskokamero. Figuro 4(d) komparas la materialan flukvanton ĉe la kristala kreskofronto. En la komenca momento kaj post 100 horoj, la materiala transporto en la kreskozono de strukturo 0 estas pli forta ol tiu en strukturo 1, sed ĉiam ekzistas areo kun alta flukvanto ĉe la rando de strukturo 0, kio kondukas al troa kresko ĉe la rando. La ĉeesto de PG en strukturo 1 efike subpremas ĉi tiun fenomenon.
Figuro 3 Materialfluo en la krisolo. Flulinioj (maldekstre) kaj rapidecvektoroj (dekstre) de gasa materialtransporto en strukturoj 0 kaj 1 je malsamaj tempoj, rapidecvektora unuo: m/s
Figuro 4 Ŝanĝoj en la materiala flukvanto. (a) Ŝanĝoj en la distribuo de materiala flukvanto en la mezo de la kruda materialo de strukturo 0 je 0, 30, 60 kaj 100 horoj, r estas la radiuso de la kruda materiala areo; (b) Ŝanĝoj en la distribuo de materiala flukvanto en la mezo de la kruda materialo de strukturo 1 je 0, 30, 60 kaj 100 horoj, r estas la radiuso de la kruda materiala areo; (c) Ŝanĝoj en la materiala flukvanto ene de la kreskokamero (A, B) kaj ene de la kruda materialo (C, D) de strukturoj 0 kaj 1 laŭlonge de la tempo; (d) Distribuo de materiala flukvanto proksime al la semkristala surfaco de strukturoj 0 kaj 1 je 0 kaj 100 horoj, r estas la radiuso de la semkristalo.
C/Si influas la kristalan stabilecon kaj difektodensecon de SiC-kristala kresko. Figuro 5(a) komparas la distribuon de la C/Si-proporcio de la du strukturoj en la komenca momento. La C/Si-proporcio iom post iom malpliiĝas de la fundo ĝis la supro de la krisolo, kaj la C/Si-proporcio de strukturo 1 ĉiam estas pli alta ol tiu de strukturo 0 ĉe malsamaj pozicioj. Figuroj 5(b) kaj 5(c) montras, ke la C/Si-proporcio iom post iom pliiĝas kun kresko, kio rilatas al la pliiĝo de interna temperaturo en la pli posta stadio de kresko, la plifortigo de grafitigado de la kruda materialo, kaj la reakcio de Si-komponantoj en la gasa fazo kun la grafita krisolo. En Figuro 5(d), la C/Si-proporcioj de strukturo 0 kaj strukturo 1 estas sufiĉe malsamaj sub PG (0, 25 mm), sed iomete malsamaj super PG (50 mm), kaj la diferenco iom post iom pliiĝas dum ĝi alproksimiĝas al la kristalo. Ĝenerale, la C/Si-proporcio de strukturo 1 estas pli alta, kio helpas stabiligi la kristalan formon kaj redukti la probablecon de faztransiro.
Figuro 5 Distribuo kaj ŝanĝoj de la C/Si-proporcio. (a) Distribuo de la C/Si-proporcio en krisolo de strukturo 0 (maldekstre) kaj strukturo 1 (dekstre) je 0 h; (b) C/Si-proporcio je malsamaj distancoj de la centra linio de la krisolo de strukturo 0 je malsamaj tempoj (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-proporcio je malsamaj distancoj de la centra linio de la krisolo de strukturo 1 je malsamaj tempoj (0, 30, 60, 100 h); (d) Komparo de la C/Si-proporcio je malsamaj distancoj (0, 25, 50, 75, 100 mm) de la centra linio de la krisolo de strukturo 0 (kontinua linio) kaj strukturo 1 (strekita linio) je malsamaj tempoj (0, 30, 60, 100 h).
Figuro 6 montras la ŝanĝojn en la diametro de la partiklo kaj poreco de la krudmaterialaj regionoj de la du strukturoj. La figuro montras, ke la diametro de la krudmaterialo malpliiĝas kaj la poreco pliiĝas proksime al la fandmuro, kaj la randa poreco daŭre pliiĝas kaj la partikla diametro daŭre malpliiĝas dum la kresko progresas. La maksimuma randa poreco estas ĉirkaŭ 0,99 je 100 horoj, kaj la minimuma partikla diametro estas ĉirkaŭ 300 μm. La diametro de la partiklo pliiĝas kaj la poreco malpliiĝas sur la supra surfaco de la krudmaterialo, kio korespondas al rekristaliĝo. La dikeco de la rekristaliĝa areo pliiĝas dum la kresko progresas, kaj la partikla grandeco kaj poreco daŭre ŝanĝiĝas. La maksimuma diametro de la partiklo atingas pli ol 1500 μm, kaj la minimuma poreco estas 0,13. Krome, ĉar PG pliigas la temperaturon de la krudmateriala areo kaj la gasa supersaturiĝo estas malgranda, la rekristaliĝa dikeco de la supra parto de la krudmaterialo de strukturo 1 estas malgranda, kio plibonigas la utiligoftecon de la krudmaterialo.
Figuro 6 Ŝanĝoj en partikla diametro (maldekstre) kaj poreco (dekstre) de la krudmateriala areo de strukturo 0 kaj strukturo 1 je malsamaj tempoj, partikla diametro-unuo: μm
Figuro 7 montras, ke strukturo 0 misformiĝas komence de kresko, kio eble rilatas al la troa materiala flurapido kaŭzita de la grafitiĝo de la kruda materiala rando. La grado de misformiĝo malfortiĝas dum la posta kreskoprocezo, kio korespondas al la ŝanĝo en la materiala flurapido ĉe la fronto de la kristala kresko de strukturo 0 en Figuro 4 (d). En strukturo 1, pro la efiko de PG, la kristala interfaco ne montras misformiĝon. Krome, PG ankaŭ igas la kreskorapidecon de strukturo 1 signife pli malalta ol tiu de strukturo 0. La centra dikeco de la kristalo de strukturo 1 post 100 horoj estas nur 68% de tiu de strukturo 0.
Figuro 7 Interfacaj ŝanĝoj de strukturo 0 kaj strukturo 1 kristaloj je 30, 60 kaj 100 horoj
Kristala kresko estis efektivigita sub la procezaj kondiĉoj de numera simulado. La kristaloj kreskigitaj per strukturo 0 kaj strukturo 1 estas montritaj en Figuro 8(a) kaj Figuro 8(b), respektive. La kristalo de strukturo 0 montras konkavan interfacon, kun ondaĵoj en la centra areo kaj faztransiro ĉe la rando. La surfaca konvekseco reprezentas certan gradon de malhomogeneco en la transporto de gasfazaj materialoj, kaj la okazo de faztransiro korespondas al la malalta C/Si-proporcio. La interfaco de la kristalo kreskigita per strukturo 1 estas iomete konveksa, neniu faztransiro estas trovita, kaj la dikeco estas 65% de la kristalo sen PG. Ĝenerale, la rezultoj de kristala kresko korespondas al la simuladaj rezultoj, kun pli granda radia temperaturdiferenco ĉe la kristala interfaco de strukturo 1, la rapida kresko ĉe la rando estas subpremita, kaj la ĝenerala materiala flurapido estas pli malrapida. La ĝenerala tendenco kongruas kun la numeraj simuladaj rezultoj.
Figuro 8 SiC-kristaloj kreskigitaj sub strukturo 0 kaj strukturo 1
Konkludo
PG helpas plibonigi la ĝeneralan temperaturon de la krudmateriala areo kaj plibonigi la aksan kaj radian temperaturhomogenecon, antaŭenigante plenan sublimadon kaj utiligon de la krudmaterialo; la supra kaj malsupra temperaturdiferenco pliiĝas, kaj la radia gradiento de la semkristala surfaco pliiĝas, kio helpas konservi la konveksan interfacan kreskon. Rilate al amastranslokigo, la enkonduko de PG reduktas la ĝeneralan amastranslokigan rapidecon, la materiala flukvanto en la kreskokamero enhavanta PG malpli ŝanĝiĝas kun la tempo, kaj la tuta kreskoprocezo estas pli stabila. Samtempe, PG ankaŭ efike inhibas la okazon de troa randa amastranslokigo. Krome, PG ankaŭ pliigas la C/Si-rilatumon de la kreskomedio, precipe ĉe la antaŭa rando de la semkristala interfaco, kio helpas redukti la okazon de fazŝanĝo dum la kreskoprocezo. Samtempe, la termika izola efiko de PG reduktas la okazon de rekristaliĝo en la supra parto de la krudmaterialo ĝis ia grado. Por kristala kresko, PG malrapidigas la kristalan kreskorapidecon, sed la kreskointerfaco estas pli konveksa. Tial, PG estas efika rimedo por plibonigi la kreskomedion de SiC-kristaloj kaj optimumigi la kristalan kvaliton.
Afiŝtempo: 18-a de junio 2024