Негізгі процессSiCКристаллдың өсуі шикізаттың жоғары температурада сублимациялануы және ыдырауы, температура градиентінің әсерінен газ фазалы заттардың тасымалдануы және тұқым кристалында газ фазалы заттардың қайта кристалдану өсуі болып бөлінеді. Осыған сүйене отырып, тигельдің ішкі бөлігі үш бөлікке бөлінеді: шикізат ауданы, өсу камерасы және тұқым кристалы. Нақты кедергіге негізделген сандық модельдеу моделі жасалды.SiCмонокристалды өсіру жабдығы (1-суретті қараңыз). Есептеуде: төменгі жағытигельбүйірлік қыздырғыштың түбінен 90 мм қашықтықта орналасқан, тигельдің жоғарғы температурасы 2100 ℃, шикі зат бөлшектерінің диаметрі 1000 мкм, кеуектілігі 0,6, өсу қысымы 300 Па, ал өсу уақыты 100 сағат. PG қалыңдығы 5 мм, диаметрі тигельдің ішкі диаметріне тең және ол шикі заттан 30 мм жоғары орналасқан. Шикізат аймағының сублимация, көміртектену және қайта кристалдану процестері есептеу кезінде ескеріледі, ал PG мен газ фазасындағы заттар арасындағы реакция ескерілмейді. Есептеуге қатысты физикалық қасиеттер параметрлері 1-кестеде көрсетілген.
1-сурет Модельдеуді есептеу моделі. (a) Кристаллдың өсуін модельдеуге арналған жылу өрісінің моделі; (b) Тигельдің ішкі ауданын бөлу және онымен байланысты физикалық есептер
1-кесте Есептеуде қолданылатын кейбір физикалық параметрлер
2(a) суретте PG бар құрылымның (1-құрылым деп белгіленген) температурасы PG-ден төмен PG-сіз құрылымның (0-құрылым деп белгіленген) температурасынан жоғары және PG-ден жоғары 0 құрылымның температурасынан төмен екені көрсетілген. Жалпы температура градиенті артады, ал PG жылу оқшаулағыш агент ретінде әрекет етеді. 2(b) және 2(c) суреттеріне сәйкес, шикізат аймағындағы 1-құрылымның осьтік және радиалды температура градиенттері кішірек, температураның таралуы біркелкі және материалдың сублимациясы толық. Шикізат аймағынан айырмашылығы, 2(c) суретте 1-құрылымның тұқым кристалындағы радиалды температура градиенті үлкенірек екені көрсетілген, бұл әртүрлі жылу беру режимдерінің әртүрлі пропорцияларынан туындауы мүмкін, бұл кристалдың дөңес интерфейспен өсуіне көмектеседі. 2(d) суретте тигельдегі әртүрлі позициялардағы температура өсу барысында өсу үрдісін көрсетеді, бірақ 0-құрылым мен 1-құрылым арасындағы температура айырмашылығы шикізат аймағында біртіндеп төмендейді және өсу камерасында біртіндеп артады.
2-сурет. Тигельдегі температураның таралуы және өзгерістері. (a) 0 құрылымының (сол жақта) және 1 құрылымының (оң жақта) тигель ішіндегі температураның таралуы 0 сағатта, өлшем бірлігі: ℃; (b) 0 сағатта 0 құрылымының және 1 құрылымының тигельінің ортаңғы сызығы бойынша шикізаттың түбінен тұқым кристалына дейін температураның таралуы; (c) 0 сағатта тигельдің ортасынан шетіне дейін тұқым кристалының бетінде (A) және шикізат бетінде (B), ортаңғы (C) және төменгі (D) температураның таралуы, көлденең осі r - A үшін тұқым кристалының радиусы, ал B~D үшін шикізат ауданының радиусы; (d) 0 құрылымының және 1 құрылымының өсу камерасының жоғарғы бөлігінің (A), шикізат бетінің (B) және ортаңғы (C) ортасындағы температураның 0, 30, 60 және 100 сағатта өзгеруі.
3-суретте 0 құрылымы мен 1 құрылымының тигельдегі әртүрлі уақыттағы материалдың тасымалдануы көрсетілген. Шикізат аймағындағы және өсу камерасындағы газ фазасындағы материал ағынының жылдамдығы позицияның артуымен артады, ал өсу барысында материалдың тасымалдануы әлсірейді. 3-суретте сонымен қатар модельдеу жағдайында шикізат алдымен тигельдің бүйір қабырғасында, содан кейін тигельдің түбінде графиттелетіні көрсетілген. Сонымен қатар, шикізат бетінде қайта кристалдану жүреді және өсу барысында ол біртіндеп қоюланады. 4(a) және 4(b) суреттерінде шикізат ішіндегі материал ағынының жылдамдығы өсу барысында төмендейтіні және 100 сағаттағы материал ағынының жылдамдығы бастапқы моменттің шамамен 50%-ын құрайтыны көрсетілген; дегенмен, шикізаттың графиттелуіне байланысты шетінде ағын жылдамдығы салыстырмалы түрде үлкен, ал шетінде ағын жылдамдығы 100 сағаттағы ортаңғы аймақтағы ағын жылдамдығынан 10 еседен астам; Сонымен қатар, 1-құрылымдағы PG әсері 1-құрылымның шикізат аймағындағы материал ағынының жылдамдығын 0-құрылымға қарағанда төмен етеді. 4(c)-суретте шикізат аймағындағы да, өсу камерасындағы да материал ағыны өсу барысында біртіндеп әлсірейді, ал шикізат аймағындағы материал ағыны төмендей береді, бұл тигельдің шетіндегі ауа ағыны арнасының ашылуына және жоғарғы жағында қайта кристалданудың бітелуіне байланысты; өсу камерасында 0-құрылымның материал ағынының жылдамдығы бастапқы 30 сағат ішінде 16%-ға дейін тез төмендейді және кейінгі уақытта тек 3%-ға төмендейді, ал 1-құрылым өсу процесінде салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Сондықтан, PG өсу камерасындағы материал ағынының жылдамдығын тұрақтандыруға көмектеседі. 4(d)-суретте кристалдың өсу фронтындағы материал ағынының жылдамдығы салыстырылады. Бастапқы сәтте және 100 сағатта 0 құрылымының өсу аймағындағы материалдық тасымал 1 құрылымындағыға қарағанда күштірек, бірақ 0 құрылымының шетінде әрқашан жоғары ағын жылдамдығы бар аймақ болады, бұл шетінде шамадан тыс өсуге әкеледі. 1 құрылымында PG болуы бұл құбылысты тиімді түрде басады.
3-сурет. Тигельдегі материал ағыны. 0 және 1 құрылымдарындағы газ материалының тасымалдануының әр түрлі уақыттағы ағын сызықтары (сол жақта) және жылдамдық векторлары (оң жақта), жылдамдық векторының бірлігі: м/с
4-сурет. Материал ағынының жылдамдығының өзгеруі. (a) 0 құрылымының шикізатының ортасындағы материал ағынының таралуының 0, 30, 60 және 100 сағаттағы өзгерістері, r - шикізат ауданының радиусы; (b) 1 құрылымының шикізатының ортасындағы материал ағынының таралуының 0, 30, 60 және 100 сағаттағы өзгерістері, r - шикізат ауданының радиусы; (c) 0 және 1 құрылымдарының өсу камерасының ішіндегі (A, B) және шикізаттың ішіндегі (C, D) материал ағынының жылдамдығының уақыт өте келе өзгеруі; (d) 0 және 1 құрылымдарының тұқым кристалының бетіне жақын жердегі материал ағынының таралуы, r - тұқым кристалының радиусы
C/Si SiC кристалының өсуінің кристалдық тұрақтылығы мен ақау тығыздығына әсер етеді. 5(a) суретте бастапқы сәтте екі құрылымның C/Si қатынасының таралуы салыстырылады. C/Si қатынасы тигельдің төменгі жағынан жоғарғы жағына қарай біртіндеп төмендейді, ал 1-құрылымның C/Si қатынасы әр түрлі позицияларда әрқашан 0-құрылымның қатынасынан жоғары болады. 5(b) және 5(c) суреттерінде C/Si қатынасы өсумен бірге біртіндеп артатыны көрсетілген, бұл өсудің кейінгі кезеңінде ішкі температураның жоғарылауымен, шикізаттың графиттенуінің күшеюімен және газ фазасындағы Si компоненттерінің графит тигельмен реакциясымен байланысты. 5(d) суретте 0-құрылым мен 1-құрылымның C/Si қатынасы PG (0, 25 мм) төмен айтарлықтай ерекшеленеді, бірақ PG (50 мм) жоғарыда сәл өзгеше, ал айырмашылық кристалға жақындаған сайын біртіндеп артады. Жалпы, 1-құрылымның C/Si қатынасы жоғарырақ, бұл кристалдық пішінді тұрақтандыруға және фазалық ауысу ықтималдығын азайтуға көмектеседі.
5-сурет. C/Si қатынасының таралуы және өзгерістері. (a) 0 құрылымының (сол жақта) және 1 құрылымының (оң жақта) тигельдеріндегі 0 сағатта C/Si қатынасының таралуы; (b) 0 құрылымының тигельінің ортаңғы сызығынан әртүрлі уақытта (0, 30, 60, 100 сағат) әртүрлі қашықтықтағы C/Si қатынасы; (c) 1 құрылымының тигельінің ортаңғы сызығынан әртүрлі уақытта (0, 30, 60, 100 сағат) әртүрлі қашықтықтағы C/Si қатынасы; (d) 0 құрылымының (тұтас сызық) және 1 құрылымының (үзік сызық) тигельінің ортаңғы сызығынан әртүрлі уақытта (0, 30, 60, 100 сағат) әртүрлі қашықтықтағы (0, 25, 50, 75, 100 мм) C/Si қатынасын салыстыру.
6-суретте екі құрылымның шикізат аймақтарының бөлшектер диаметрі мен кеуектілігінің өзгерістері көрсетілген. Суретте шикізат диаметрі азайып, тигель қабырғасының жанында кеуектілік артатыны, ал шеткі кеуектілік өсу барысында артып, бөлшектер диаметрі төмендей беретіні көрсетілген. Шеткі кеуектіліктің максималды мәні 100 сағатта шамамен 0,99 құрайды, ал бөлшектің минималды диаметрі шамамен 300 мкм. Бөлшектің диаметрі артып, шикізаттың жоғарғы бетіндегі кеуектілік азаяды, бұл қайта кристалдануға сәйкес келеді. Қайта кристалдану аймағының қалыңдығы өсу барысында артады, ал бөлшектердің өлшемі мен кеуектілігі өзгере береді. Бөлшектің максималды диаметрі 1500 мкм-ден асады, ал минималды кеуектілік 0,13 құрайды. Сонымен қатар, PG шикізат аймағының температурасын арттыратындықтан және газдың асқын қанығуы аз болғандықтан, 1-құрылым шикізатының жоғарғы бөлігінің қайта кристалдану қалыңдығы аз, бұл шикізатты пайдалану жылдамдығын жақсартады.
6-сурет. 0 құрылымы мен 1 құрылымының шикізат ауданының бөлшектер диаметрінің (сол жақта) және кеуектілігінің (оң жақта) әртүрлі уақыттағы өзгерістері, бөлшектер диаметрінің бірлігі: мкм
7-суретте 0 құрылымының өсу басында майысатыны көрсетілген, бұл шикізат жиегінің графиттенуінен туындаған материал ағынының шамадан тыс жылдамдығымен байланысты болуы мүмкін. Майысу дәрежесі кейінгі өсу процесінде әлсірейді, бұл 4-суреттегі (d) 0 құрылымының кристалдық өсуінің алдыңғы жағындағы материал ағынының жылдамдығының өзгеруіне сәйкес келеді. 1 құрылымында PG әсерінен кристалдық интерфейс майысуды көрсетпейді. Сонымен қатар, PG 1 құрылымының өсу жылдамдығын 0 құрылымының өсу жылдамдығынан айтарлықтай төмен етеді. 100 сағаттан кейін 1 құрылымының кристалының орталық қалыңдығы 0 құрылымының қалыңдығының тек 68%-ын құрайды.
7-сурет. 0 құрылымы мен 1 құрылымы кристалдарының 30, 60 және 100 сағаттағы интерфейс өзгерістері
Кристаллдың өсуі сандық модельдеу процесінің шарттары бойынша жүргізілді. 0 құрылымы және 1 құрылымы бойынша өсірілген кристалдар сәйкесінше 8(a) және 8(b) суреттерінде көрсетілген. 0 құрылымының кристалы орталық аймақта толқынды және шетінде фазалық ауысу бар ойыс интерфейсті көрсетеді. Беткі дөңестік газ фазалы материалдардың тасымалдануындағы белгілі бір дәрежедегі біртекті еместікті білдіреді, ал фазалық ауысудың пайда болуы төмен C/Si қатынасына сәйкес келеді. 1 құрылымы бойынша өсірілген кристалдың интерфейсі сәл дөңес, фазалық ауысу табылмайды және қалыңдығы PG-сіз кристалдың 65%-ын құрайды. Жалпы алғанда, кристалдың өсу нәтижелері модельдеу нәтижелеріне сәйкес келеді, 1 құрылымының кристалдық интерфейсінде радиалды температура айырмашылығы үлкен болған кезде, шетінде жылдам өсу басылады және жалпы материал ағынының жылдамдығы баяулайды. Жалпы үрдіс сандық модельдеу нәтижелеріне сәйкес келеді.
8-сурет 0 және 1 құрылымдарында өсірілген SiC кристалдары
Қорытынды
PG шикізат аймағының жалпы температурасын жақсартуға және осьтік және радиалды температураның біркелкілігін жақсартуға ықпал етеді, шикізаттың толық сублимациясы мен пайдаланылуына ықпал етеді; жоғарғы және төменгі температура айырмашылығы артады, ал тұқым кристалы бетінің радиалды градиенті артады, бұл дөңес интерфейстің өсуін сақтауға көмектеседі. Масса алмасу тұрғысынан PG енгізу жалпы масса алмасу жылдамдығын төмендетеді, PG бар өсу камерасындағы материал ағынының жылдамдығы уақыт өте келе аз өзгереді және бүкіл өсу процесі тұрақтырақ болады. Сонымен қатар, PG сонымен қатар шеткі масса алмасуының шамадан тыс болуын тиімді түрде тежейді. Сонымен қатар, PG сонымен қатар өсу ортасының C/Si қатынасын, әсіресе тұқым кристалы интерфейсінің алдыңғы шетінде арттырады, бұл өсу процесінде фазалық өзгерістің пайда болуын азайтуға көмектеседі. Сонымен қатар, PG жылу оқшаулау әсері шикізаттың жоғарғы бөлігінде қайта кристалданудың пайда болуын белгілі бір дәрежеде азайтады. Кристаллдың өсуі үшін PG кристалдың өсу жылдамдығын баяулатады, бірақ өсу интерфейсі дөңес болады. Сондықтан, PG SiC кристалдарының өсу ортасын жақсарту және кристалл сапасын оңтайландырудың тиімді құралы болып табылады.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 18 маусым