基本的なプロセスSiC結晶成長は、高温での原料の昇華と分解、温度勾配作用下での気相物質の輸送、種結晶での気相物質の再結晶成長に分けられます。これに基づいて、るつぼ内部は原料領域、成長室、種結晶の3つの部分に分けられます。実際の抵抗に基づいて数値シミュレーションモデルが作成されました。SiC単結晶成長装置（図1参照）。計算では、坩堝側部ヒーターの底から 90 mm 離れた位置、るつぼの上部温度は 2100 ℃、原料粒子径は 1000 μm、気孔率は 0.6、成長圧力は 300 Pa、成長時間は 100 時間である。PG の厚さは 5 mm、直径はるつぼの内径と同じで、原料の上 30 mm の位置にある。原料ゾーンの昇華、炭化、再結晶化プロセスは計算で考慮され、PG と気相物質との反応は考慮されない。計算に関連する物性パラメータは表 1 に示す。
図1 シミュレーション計算モデル。(a) 結晶成長シミュレーションのための熱場モデル。(b) るつぼ内部領域の分割と関連する物理的問題。
表1 計算に使用した物理パラメータの一部
図2(a)は、PGを含む構造（構造1と表記）の温度が、PGより下ではPGを含まない構造（構造0と表記）よりも高く、PGより上では構造0よりも低いことを示している。全体の温度勾配は増加し、PGは断熱材として作用する。図2(b)および2(c)によれば、原料ゾーンにおける構造1の軸方向および半径方向の温度勾配は小さく、温度分布はより均一であり、材料の昇華はより完全である。原料ゾーンとは異なり、図2(c)は、構造1の種結晶における半径方向の温度勾配が大きいことを示している。これは、異なる熱伝達モードの割合が異なるためと考えられ、凸状の界面を持つ結晶の成長を助ける。図2(d)では、るつぼ内の異なる位置における温度は、成長が進むにつれて上昇傾向を示すが、原料ゾーンでは構造0と構造1の間の温度差は徐々に減少し、成長チャンバーでは徐々に増加する。
図2 るつぼ内の温度分布と変化。(a) 0時間における構造0（左）と構造1（右）のるつぼ内部の温度分布、単位：℃。(b) 0時間における、原料底部から種結晶までの、構造0と構造1のるつぼの中心線上の温度分布。(c) 0時間における、種結晶表面（A）、原料表面（B）、中央部（C）、底部（D）のるつぼの中心から端までの温度分布。横軸rは、Aの場合は種結晶の半径、B～Dの場合は原料領域の半径。(d) 0、30、60、100時間における、構造0と構造1の成長室の上部（A）の中心、原料表面（B）、中央部（C）の温度変化。
図3は、構造0と構造1のるつぼ内の異なる時間における材料輸送を示しています。原料領域と成長チャンバー内の気相材料流量は位置の増加とともに増加し、成長が進むにつれて材料輸送は弱まります。図3はまた、シミュレーション条件下では、原料が最初にるつぼの側壁で黒鉛化し、次にるつぼの底で黒鉛化することを示しています。さらに、原料の表面には再結晶があり、成長が進むにつれて徐々に厚くなります。図4(a)と4(b)は、原料内部の材料流量が成長の進行とともに減少し、100時間後の材料流量が初期時点の約50%であることを示しています。ただし、原料の黒鉛化により端部での流量は比較的大きく、100時間後の端部での流量は中央領域の流量の10倍以上です。さらに、構造 1 における PG の効果により、構造 1 の原料領域の材料流量は構造 0 よりも低くなります。図 4(c) では、原料領域と成長チャンバーの両方で、成長が進むにつれて材料流量が徐々に弱まり、原料領域の材料流量は減少し続けます。これは、るつぼの端にある空気流路の開口と上部での再結晶の阻害が原因です。成長チャンバーでは、構造 0 の材料流量は最初の 30 時間で急速に 16% まで減少し、その後は 3% しか減少しませんが、構造 1 は成長プロセス全体を通して比較的安定しています。したがって、PG は成長チャンバー内の材料流量を安定させるのに役立ちます。図 4(d) は、結晶成長前線での材料流量を比較したものです。初期段階および100時間後において、構造0の成長領域における物質輸送は構造1よりも強いが、構造0の端部には常に高流量領域が存在し、端部での過剰な成長を引き起こす。構造1におけるPGの存在は、この現象を効果的に抑制する。
図3 るつぼ内の物質の流れ。構造0および1におけるガス状物質輸送の流線（左）と速度ベクトル（右）、速度ベクトルの単位：m/s
図4 材料流量の変化。(a) 構造0の原料中央部における材料流量分布の変化（0、30、60、100時間後、rは原料領域の半径）；(b) 構造1の原料中央部における材料流量分布の変化（0、30、60、100時間後、rは原料領域の半径）；(c) 構造0および1の成長チャンバー内（A、B）と原料内部（C、D）における材料流量の時間変化；(d) 構造0および1の種結晶表面付近における材料流量分布（0および100時間後、rは種結晶の半径）
C/Si比は、SiC結晶成長の結晶安定性と欠陥密度に影響を与えます。図5(a)は、初期段階における2つの構造のC/Si比分布を比較したものです。C/Si比はるつぼの底から上部に向かって徐々に減少し、構造1のC/Si比はどの位置でも構造0よりも常に高くなっています。図5(b)と5(c)は、成長に伴ってC/Si比が徐々に増加することを示しており、これは成長後期における内部温度の上昇、原料の黒鉛化の促進、および気相中のSi成分と黒鉛るつぼとの反応に関連しています。図5(d)では、PG(0, 25 mm)より下では構造0と構造1のC/Si比が大きく異なりますが、PG(50 mm)より上ではわずかに異なり、結晶に近づくにつれてその差は徐々に大きくなります。一般的に、構造1のC/Si比は高く、結晶形態の安定化と相転移の確率の低減に役立ちます。
図5 C/Si比の分布と変化。(a) 0時間における構造0（左）と構造1（右）のるつぼ内のC/Si比の分布。(b) 異なる時間（0、30、60、100時間）における構造0のるつぼの中心線からの異なる距離でのC/Si比。(c) 異なる時間（0、30、60、100時間）における構造1のるつぼの中心線からの異なる距離でのC/Si比。(d) 異なる時間（0、30、60、100時間）における構造0（実線）と構造1（破線）のるつぼの中心線からの異なる距離（0、25、50、75、100 mm）でのC/Si比の比較。
図6は、2つの構造の原料領域の粒子径と多孔度の変化を示しています。図から、原料の直径はるつぼ壁付近で減少し、多孔度が増加し、成長が進むにつれて端部の多孔度は増加し続け、粒子径は減少し続けることがわかります。最大端部多孔度は100時間で約0.99、最小粒子径は約300μmです。原料の上面では、再結晶に対応して粒子径が増加し、多孔度が減少します。成長が進むにつれて再結晶領域の厚さが増加し、粒子サイズと多孔度は変化し続けます。最大粒子径は1500μmを超え、最小多孔度は0.13です。さらに、PGは原料領域の温度を上昇させ、ガスの過飽和度が小さいため、構造1の原料上部の再結晶厚さは小さく、原料利用率が向上します。
図6 構造0および構造1の原料領域の粒子径（左）と多孔度（右）の異なる時点での変化、粒子径の単位：μm
図7は、構造0が成長開始時に反り返ることを示しており、これは原料端部の黒鉛化によって引き起こされる過剰な材料流量に関連している可能性がある。反りの程度は、その後の成長プロセス中に弱まり、これは図4（d）の構造0の結晶成長前面における材料流量の変化に対応する。構造1では、PGの影響により、結晶界面に反りは見られない。さらに、PGは構造1の成長速度を構造0の成長速度よりも大幅に低下させる。100時間後の構造1の結晶の中心厚さは、構造0のわずか68%である。
図7 構造0および構造1結晶の界面変化（30、60、100時間後）
結晶成長は数値シミュレーションのプロセス条件下で行われた。構造0と構造1で成長させた結晶をそれぞれ図8(a)と図8(b)に示す。構造0の結晶は凹面界面を示し、中央領域に波状構造があり、端部で相転移が見られる。表面の凸状構造は気相物質の輸送における不均一性を示しており、相転移の発生はC/Si比が低いことに対応している。構造1で成長させた結晶の界面はわずかに凸状であり、相転移は見られず、厚さはPGなしの結晶の65%である。概して、結晶成長の結果はシミュレーション結果と一致しており、構造1の結晶界面における半径方向の温度差が大きいため、端部での急速な成長が抑制され、全体の物質流量が遅くなっている。全体的な傾向は数値シミュレーション結果と一致している。
図8 構造0および構造1の下で成長したSiC結晶
結論
PGは、原料領域全体の温度向上と軸方向および半径方向の温度均一性の向上に寄与し、原料の完全な昇華と利用を促進します。上下の温度差が大きくなり、種結晶表面の半径方向の勾配が大きくなるため、凸状の界面成長を維持するのに役立ちます。物質移動に関しては、PGの導入により全体の物質移動速度が低下し、PGを含む成長チャンバー内の物質流量は時間とともに変化しにくくなり、成長プロセス全体がより安定します。同時に、PGは過剰なエッジ物質移動の発生を効果的に抑制します。さらに、PGは成長環境のC/Si比、特に種結晶界面の先端部におけるC/Si比を増加させ、成長プロセス中の相変化の発生を低減するのに役立ちます。同時に、PGの断熱効果により、原料の上部での再結晶の発生が一定程度低減されます。結晶成長に関しては、PGは結晶成長速度を遅くしますが、成長界面はより凸状になります。したがって、PGはSiC結晶の成長環境を改善し、結晶品質を最適化するための効果的な手段である。
投稿日時：2024年6月18日