Le processus de base deSiCLa croissance cristalline se divise en trois phases : sublimation et décomposition des matières premières à haute température, transport des substances en phase gazeuse sous l'effet du gradient de température, et croissance par recristallisation des substances en phase gazeuse au niveau du germe cristallin. L'intérieur du creuset est donc divisé en trois parties : la zone de la matière première, la chambre de croissance et le germe cristallin. Un modèle de simulation numérique a été élaboré à partir de la résistance réelle.SiCéquipement de croissance monocristalline (voir figure 1). Dans le calcul : le bas de lacreusetLe creuset est situé à 90 mm du fond du réchauffeur latéral, sa température de fusion est de 2 100 °C, son diamètre de particules est de 1 000 µm, sa porosité est de 0,6, sa pression de croissance est de 300 Pa et sa durée de croissance est de 100 h. L'épaisseur du PG est de 5 mm, son diamètre est égal au diamètre intérieur du creuset et il est situé à 30 mm au-dessus de la matière première. Les processus de sublimation, de carbonisation et de recristallisation de la zone de matière première sont pris en compte dans le calcul, et la réaction entre le PG et les substances en phase gazeuse n'est pas prise en compte. Les paramètres des propriétés physiques liés au calcul sont présentés dans le tableau 1.
Figure 1 Modèle de calcul de simulation. (a) Modèle de champ thermique pour la simulation de la croissance cristalline ; (b) Division de la surface interne du creuset et problèmes physiques associés
Tableau 1 Quelques paramètres physiques utilisés dans le calcul
La figure 2(a) montre que la température de la structure contenant du PG (appelée structure 1) est supérieure à celle de la structure sans PG (appelée structure 0) située sous le PG, et inférieure à celle de la structure 0 située au-dessus du PG. Le gradient de température global augmente et le PG agit comme un isolant thermique. D'après les figures 2(b) et 2(c), les gradients de température axiaux et radiaux de la structure 1 dans la zone de matière première sont plus faibles, la distribution de température est plus uniforme et la sublimation du matériau est plus complète. Contrairement à la zone de matière première, la figure 2(c) montre que le gradient de température radial au niveau du germe cristallin de la structure 1 est plus important, ce qui peut être dû aux différentes proportions des différents modes de transfert thermique, ce qui favorise la croissance du cristal avec une interface convexe. Dans la figure 2(d), la température à différentes positions dans le creuset montre une tendance à la hausse à mesure que la croissance progresse, mais la différence de température entre la structure 0 et la structure 1 diminue progressivement dans la zone de matière première et augmente progressivement dans la chambre de croissance.
Figure 2 Distribution de température et changements dans le creuset. (a) Distribution de température à l'intérieur du creuset de structure 0 (à gauche) et de structure 1 (à droite) à 0 h, unité : ℃ ; (b) Distribution de température sur la ligne centrale du creuset de structure 0 et de structure 1 du bas de la matière première au cristal germe à 0 h ; (c) Distribution de température du centre au bord du creuset sur la surface du cristal germe (A) et la surface de la matière première (B), le milieu (C) et le fond (D) à 0 h, l'axe horizontal r est le rayon du cristal germe pour A, et le rayon de la zone de la matière première pour B~D ; (d) Changements de température au centre de la partie supérieure (A), de la surface de la matière première (B) et du milieu (C) de la chambre de croissance de structure 0 et de structure 1 à 0, 30, 60 et 100 h.
La figure 3 illustre le transport de matière à différents instants dans le creuset des structures 0 et 1. Le débit de matière en phase gazeuse dans la zone de matière première et dans la chambre de croissance augmente avec la position, et le transport de matière diminue à mesure que la croissance progresse. La figure 3 montre également que, dans les conditions de simulation, la matière première se graphitise d'abord sur la paroi latérale du creuset, puis au fond. De plus, une recristallisation se produit à la surface de la matière première et celle-ci s'épaissit progressivement à mesure que la croissance progresse. Les figures 4(a) et 4(b) montrent que le débit de matière à l'intérieur de la matière première diminue à mesure que la croissance progresse, et qu'il est d'environ 50 % du moment initial à 100 h. Cependant, il est relativement important au bord en raison de la graphitisation de la matière première, et il est plus de 10 fois supérieur au débit dans la zone centrale à 100 h. de plus, l'effet du PG dans la structure 1 rend le débit de matière dans la zone de matière première de la structure 1 inférieur à celui de la structure 0. Dans la figure 4(c), le débit de matière dans la zone de matière première et la chambre de croissance s'affaiblit progressivement à mesure que la croissance progresse, et le débit de matière dans la zone de matière première continue de diminuer, ce qui est causé par l'ouverture du canal de flux d'air au bord du creuset et l'obstruction de la recristallisation au sommet ; dans la chambre de croissance, le débit de matière de la structure 0 diminue rapidement dans les 30 h initiales à 16 %, et ne diminue que de 3 % dans le temps suivant, tandis que la structure 1 reste relativement stable tout au long du processus de croissance. Par conséquent, le PG aide à stabiliser le débit de matière dans la chambre de croissance. La figure 4(d) compare le débit de matière au front de croissance cristalline. Au moment initial et à 100 h, le transport de matière dans la zone de croissance de la structure 0 est plus important que dans la structure 1, mais il existe toujours une zone de débit élevé au bord de la structure 0, ce qui entraîne une croissance excessive au bord. La présence de PG dans la structure 1 supprime efficacement ce phénomène.
Figure 3 Écoulement de matière dans le creuset. Lignes de courant (à gauche) et vecteurs vitesse (à droite) du transport de matière gazeuse dans les structures 0 et 1 à différents instants, unité du vecteur vitesse : m/s.
Figure 4 Évolution du débit de matière. (a) Évolution de la distribution du débit de matière au milieu de la matière première de la structure 0 à 0, 30, 60 et 100 h, r étant le rayon de la zone de la matière première ; (b) Évolution de la distribution du débit de matière au milieu de la matière première de la structure 1 à 0, 30, 60 et 100 h, r étant le rayon de la zone de la matière première ; (c) Évolution du débit de matière à l'intérieur de la chambre de croissance (A, B) et à l'intérieur de la matière première (C, D) des structures 0 et 1 au fil du temps ; (d) Distribution du débit de matière près de la surface du cristal germe des structures 0 et 1 à 0 et 100 h, r étant le rayon du cristal germe
Le rapport C/Si affecte la stabilité cristalline et la densité de défauts lors de la croissance des cristaux de SiC. La figure 5(a) compare la distribution du rapport C/Si des deux structures au moment initial. Le rapport C/Si diminue progressivement du bas vers le haut du creuset, et le rapport C/Si de la structure 1 est toujours supérieur à celui de la structure 0 à différentes positions. Les figures 5(b) et 5(c) montrent que le rapport C/Si augmente progressivement avec la croissance, ce qui est lié à l'augmentation de la température interne à un stade ultérieur de la croissance, à l'intensification de la graphitisation de la matière première et à la réaction des composants du Si en phase gazeuse avec le creuset en graphite. Sur la figure 5(d), les rapports C/Si des structures 0 et 1 sont très différents en dessous de PG (0, 25 mm), mais légèrement différents au-dessus de PG (50 mm), et la différence augmente progressivement à mesure que l'on se rapproche du cristal. En général, le rapport C/Si de la structure 1 est plus élevé, ce qui contribue à stabiliser la forme cristalline et à réduire la probabilité de transition de phase.
Figure 5 Distribution et changements du rapport C/Si. (a) Distribution du rapport C/Si dans les creusets de structure 0 (à gauche) et de structure 1 (à droite) à 0 h ; (b) Rapport C/Si à différentes distances de la ligne centrale du creuset de structure 0 à différents moments (0, 30, 60, 100 h) ; (c) Rapport C/Si à différentes distances de la ligne centrale du creuset de structure 1 à différents moments (0, 30, 60, 100 h) ; (d) Comparaison du rapport C/Si à différentes distances (0, 25, 50, 75, 100 mm) de la ligne centrale du creuset de structure 0 (ligne continue) et de structure 1 (ligne pointillée) à différents moments (0, 30, 60, 100 h).
La figure 6 illustre l'évolution du diamètre des particules et de la porosité des zones de matière première des deux structures. On observe que le diamètre de la matière première diminue et que la porosité augmente près de la paroi du creuset. La porosité de bord continue d'augmenter et le diamètre des particules continue de diminuer à mesure que la croissance progresse. La porosité de bord maximale est d'environ 0,99 à 100 h, et le diamètre minimal des particules est d'environ 300 µm. Le diamètre des particules augmente et la porosité diminue à la surface supérieure de la matière première, ce qui correspond à la recristallisation. L'épaisseur de la zone de recristallisation augmente à mesure que la croissance progresse, tandis que la taille des particules et la porosité continuent de varier. Le diamètre maximal des particules dépasse 1 500 µm, et la porosité minimale est de 0,13. De plus, comme le PG augmente la température de la zone de matière première et que la sursaturation du gaz est faible, l'épaisseur de recristallisation de la partie supérieure de la matière première de la structure 1 est faible, ce qui améliore le taux d'utilisation de la matière première.
Figure 6 Évolution du diamètre des particules (à gauche) et de la porosité (à droite) de la zone de matière première de structure 0 et de structure 1 à différents moments, unité de diamètre des particules : μm
La figure 7 montre que la structure 0 se déforme au début de la croissance, ce qui pourrait être lié au débit de matière excessif causé par la graphitisation du bord de la matière première. Le degré de déformation est atténué au cours du processus de croissance ultérieur, ce qui correspond à la variation du débit de matière à l'avant de la croissance cristalline de la structure 0 sur la figure 4 (d). Dans la structure 1, sous l'effet du PG, l'interface cristalline ne présente pas de déformation. De plus, le PG rend également la vitesse de croissance de la structure 1 nettement inférieure à celle de la structure 0. L'épaisseur centrale du cristal de la structure 1 après 100 h ne représente que 68 % de celle de la structure 0.
Figure 7 Changements d'interface des cristaux de structure 0 et de structure 1 à 30, 60 et 100 h
La croissance cristalline a été réalisée dans les conditions de procédé de la simulation numérique. Les cristaux issus des structures 0 et 1 sont présentés respectivement sur les figures 8(a) et 8(b). Le cristal de structure 0 présente une interface concave, avec des ondulations dans la zone centrale et une transition de phase au bord. La convexité de surface traduit un certain degré d'inhomogénéité dans le transport des matériaux en phase gazeuse, et l'apparition d'une transition de phase correspond au faible rapport C/Si. L'interface du cristal issu de la structure 1 est légèrement convexe, aucune transition de phase n'est observée et l'épaisseur est de 65 % du cristal sans PG. En général, les résultats de croissance cristalline correspondent aux résultats de la simulation, avec une différence de température radiale plus importante à l'interface cristalline de la structure 1, la croissance rapide au bord est supprimée et le débit global de matière est plus lent. La tendance générale est cohérente avec les résultats de la simulation numérique.
Figure 8 Cristaux de SiC cultivés sous la structure 0 et la structure 1
Conclusion
Le PG favorise l'amélioration de la température globale de la zone de croissance et l'uniformité des températures axiale et radiale, favorisant ainsi la sublimation et l'utilisation complètes de la matière première. L'écart de température entre le haut et le bas augmente, ainsi que le gradient radial de la surface du germe cristallin, ce qui contribue à maintenir la croissance de l'interface convexe. En termes de transfert de masse, l'introduction de PG réduit le taux de transfert de masse global, le débit de matière dans la chambre de croissance contenant du PG varie moins au fil du temps et le processus de croissance est plus stable. Parallèlement, le PG inhibe efficacement l'apparition d'un transfert de masse excessif aux bords. De plus, le PG augmente le rapport C/Si de l'environnement de croissance, en particulier au bord avant de l'interface du germe cristallin, ce qui contribue à réduire l'apparition de changements de phase pendant le processus de croissance. Parallèlement, l'effet d'isolation thermique du PG réduit dans une certaine mesure la recristallisation dans la partie supérieure de la matière première. Pour la croissance cristalline, le PG ralentit la vitesse de croissance cristalline, mais l'interface de croissance est plus convexe. Par conséquent, le PG est un moyen efficace pour améliorer l’environnement de croissance des cristaux de SiC et optimiser la qualité des cristaux.
Date de publication : 18 juin 2024