기본 프로세스SiC결정 성장은 고온에서 원료의 승화 및 분해, 온도 구배 작용에 의한 기체 상태 물질의 이동, 그리고 종자 결정에서의 기체 상태 물질의 재결정 성장으로 구분됩니다. 이를 바탕으로 도가니 내부는 원료 영역, 성장 챔버, 종자 결정의 세 부분으로 나뉩니다. 실제 저항을 기반으로 수치 시뮬레이션 모델을 도출했습니다.SiC단결정 성장 장비(그림 1 참조). 계산에서: 하단도가니측면 히터 바닥에서 90mm 떨어져 있으며, 도가니 상단 온도는 2100℃, 원료 입자 직경은 1000μm, 기공률은 0.6, 성장 압력은 300Pa, 성장 시간은 100시간입니다. PG 두께는 5mm이고, 직경은 도가니 내경과 같으며, 원료에서 30mm 위에 위치합니다. 계산에는 원료 영역의 승화, 탄화, 재결정 과정이 고려되며, PG와 기상 물질 간의 반응은 고려되지 않습니다. 계산 관련 물성 매개변수는 표 1에 제시되어 있습니다.
그림 1 시뮬레이션 계산 모델. (a) 결정성장 시뮬레이션을 위한 열장 모델; (b) 도가니 내부 면적 분할 및 관련 물리적 문제
표 1 계산에 사용된 일부 물리적 매개변수
그림 2(a)는 PG를 포함하는 구조(구조 1로 표시)의 온도가 PG 아래에서 PG가 없는 구조(구조 0으로 표시)의 온도보다 높고, PG 위에서는 구조 0의 온도보다 낮음을 보여줍니다. 전체적인 온도 기울기가 증가하고 PG는 단열제 역할을 합니다. 그림 2(b)와 2(c)에 따르면 원료 영역에서 구조 1의 축 방향 및 반경 방향 온도 기울기가 더 작고 온도 분포가 더 균일하며 재료의 승화가 더 완전합니다. 원료 영역과 달리 그림 2(c)는 구조 1의 종자 결정에서 반경 방향 온도 기울기가 더 크다는 것을 보여주는데, 이는 다양한 열 전달 모드의 비율이 다르기 때문에 발생하며, 이는 결정이 볼록한 계면으로 성장하는 데 도움이 됩니다. 그림 2(d)에서 도가니 내 다른 위치의 온도는 성장이 진행됨에 따라 증가하는 경향을 보이지만, 구조 0과 구조 1의 온도 차이는 원료 영역에서 점차 감소하고 성장 챔버에서 점차 증가합니다.
그림 2 도가니 내부의 온도 분포와 변화. (a) 구조 0(좌)과 구조 1(우)의 도가니 내부에서 0시간째의 온도 분포, 단위: ℃; (b) 구조 0과 구조 1의 도가니 중심선에서 원료 바닥에서 종자 결정까지의 0시간째의 온도 분포; (c) 도가니 중심에서 가장자리까지의 종자 결정 표면(A)과 원료 표면(B), 중앙(C), 바닥(D)까지의 온도 분포, 수평축 r은 A의 종자 결정 반경, B~D의 원료 면적 반경; (d) 구조 0과 구조 1의 성장실 상부(A) 중심, 원료 표면(B), 중앙(C)에서 0, 30, 60, 100시간째의 온도 변화.
그림 3은 구조 0과 구조 1의 도가니에서 다른 시간에 따른 물질 수송을 보여줍니다. 원료 영역과 성장 챔버에서 기체 상태의 물질 유량은 위치가 증가함에 따라 증가하고, 성장이 진행됨에 따라 물질 수송이 약해집니다. 그림 3은 또한 시뮬레이션 조건에서 원료가 먼저 도가니 측벽에서 흑연화되고 그 다음 도가니 바닥에서 흑연화되는 것을 보여줍니다. 또한 원료 표면에 재결정이 일어나고 성장이 진행됨에 따라 점차 두꺼워집니다. 그림 4(a)와 4(b)는 성장이 진행됨에 따라 원료 내부의 물질 유량이 감소하고 100h에서의 물질 유량은 초기 순간의 약 50%임을 보여줍니다. 그러나 원료의 흑연화로 인해 가장자리에서의 유량이 비교적 크고 가장자리에서의 유량은 100h에서의 중간 영역 유량의 10배 이상입니다. 또한 구조 1의 PG 효과로 인해 구조 1의 원료 영역에서 재료 흐름 속도가 구조 0보다 낮아집니다.그림 4(c)에서 원료 영역과 성장 챔버 모두의 재료 흐름은 성장이 진행됨에 따라 점차 약해지고 원료 영역에서의 재료 흐름은 계속 감소하는데, 이는 도가니 가장자리의 공기 흐름 채널이 열리고 상단에서 재결정이 방해받기 때문입니다.성장 챔버에서 구조 0의 재료 흐름 속도는 초기 30시간 동안 16%로 급격히 감소하고 그 이후에는 3%만 감소하는 반면, 구조 1은 성장 과정 전반에 걸쳐 비교적 안정적으로 유지됩니다.따라서 PG는 성장 챔버에서 재료 흐름 속도를 안정화하는 데 도움이 됩니다.그림 4(d)는 결정 성장 전면의 재료 흐름 속도를 비교합니다. 초기 및 100시간 동안, 구조 0의 성장 영역에서 물질 이동은 구조 1보다 강하지만, 구조 0의 가장자리에는 항상 높은 유동 속도 영역이 존재하여 가장자리에서 과도한 성장이 발생합니다. 구조 1에 PG가 존재하면 이러한 현상이 효과적으로 억제됩니다.
그림 3 도가니 내 물질 흐름. 구조물 0과 1에서 서로 다른 시간에 나타난 기체 물질 수송의 유선(왼쪽)과 속도 벡터(오른쪽), 속도 벡터 단위: m/s
그림 4 물질 흐름 속도의 변화. (a) 0, 30, 60, 100시간에 구조 0의 원료 중간에서 물질 흐름 속도 분포의 변화, r은 원료 영역의 반경이다. (b) 0, 30, 60, 100시간에 구조 1의 원료 중간에서 물질 흐름 속도 분포의 변화, r은 원료 영역의 반경이다. (c) 시간에 따른 구조 0과 1의 성장 챔버 내부(A, B)와 원료 내부(C, D)의 물질 흐름 속도의 변화. (d) 0과 1의 종자 결정 표면 근처의 물질 흐름 속도 분포, r은 종자 결정의 반경이다.
C/Si는 SiC 결정 성장의 결정 안정성과 결함 밀도에 영향을 미칩니다.그림 5(a)는 초기 순간에 두 구조의 C/Si 비율 분포를 비교합니다.C/Si 비율은 도가니 바닥에서 위로 점차 감소하고 구조 1의 C/Si 비율은 다른 위치에서 항상 구조 0의 C/Si 비율보다 높습니다.그림 5(b)와 5(c)는 C/Si 비율이 성장과 함께 점차 증가함을 보여주는데, 이는 성장 후반 단계에서 내부 온도의 증가, 원료 흑연화의 향상, 기체 상태의 Si 성분과 흑연 도가니의 반응과 관련이 있습니다.그림 5(d)에서 구조 0과 구조 1의 C/Si 비율은 PG(0, 25mm) 아래에서는 상당히 다르지만 PG(50mm) 위에서는 약간 다르며 결정에 가까워질수록 차이가 점차 커집니다.일반적으로 구조 1의 C/Si 비율이 더 높아 결정 형태를 안정화하고 상 전이 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
그림 5 C/Si 비율의 분포 및 변화. (a) 구조 0(좌) 및 구조 1(우)의 도가니에서 0시간에 C/Si 비율 분포; (b) 구조 0의 도가니 중심선으로부터 다른 거리에서 다른 시간(0, 30, 60, 100시간)에 C/Si 비율; (c) 구조 1의 도가니 중심선으로부터 다른 거리에서 다른 시간(0, 30, 60, 100시간)에 C/Si 비율; (d) 구조 0(실선) 및 구조 1(점선)의 도가니 중심선으로부터 다른 거리(0, 25, 50, 75, 100mm)에서 다른 시간(0, 30, 60, 100시간)에 C/Si 비율을 비교.
그림 6은 두 구조의 원료 영역에서 입자 직경과 기공률의 변화를 보여줍니다. 그림에서 원료 직경은 감소하고 기공률은 도가니 벽 근처에서 증가하며, 성장이 진행됨에 따라 가장자리 기공률은 계속 증가하고 입자 직경은 계속 감소함을 보여줍니다. 최대 가장자리 기공률은 100시간에서 약 0.99이고, 최소 입자 직경은 약 300 μm입니다. 원료의 상부 표면에서는 입자 직경이 증가하고 기공률은 감소하며, 이는 재결정에 해당합니다. 재결정 영역의 두께는 성장이 진행됨에 따라 증가하고 입자 크기와 기공률은 계속 변화합니다. 최대 입자 직경은 1500 μm 이상에 도달하고 최소 기공률은 0.13입니다. 또한, PG는 원료 영역의 온도를 높이고 가스 과포화가 작기 때문에 구조 1의 원료 상부의 재결정 두께가 얇아 원료 이용률이 향상됩니다.
그림 6 구조 0과 구조 1의 원료 면적의 시간별 입자 직경(좌)과 기공률(우) 변화, 입자 직경 단위: μm
그림 7은 구조 0이 성장 초기에 휘어짐을 보여주는데, 이는 원료 가장자리의 흑연화로 인한 과도한 재료 흐름 속도와 관련이 있을 수 있습니다. 휘어짐 정도는 이후 성장 과정에서 약화되는데, 이는 그림 4(d)에서 구조 0의 결정 성장 초기에 나타나는 재료 흐름 속도 변화와 일치합니다. 구조 1에서는 PG의 효과로 인해 결정 계면에 휘어짐이 나타나지 않습니다. 또한, PG는 구조 1의 성장 속도를 구조 0보다 현저히 낮게 만듭니다. 100시간 후 구조 1의 결정 중심 두께는 구조 0의 68%에 불과합니다.
그림 7 구조 0과 구조 1 결정의 30, 60, 100시간에서의 계면 변화
결정 성장은 수치 시뮬레이션의 공정 조건 하에서 수행되었습니다. 구조 0과 구조 1에 의해 성장된 결정은 각각 그림 8(a)와 그림 8(b)에 나와 있습니다. 구조 0의 결정은 오목한 계면을 보이며 중앙 영역에는 물결 모양이 있고 가장자리에는 상 전이가 있습니다. 표면 볼록성은 기체 상태 재료의 수송에서 어느 정도 불균일성을 나타내며 상 전이의 발생은 낮은 C/Si 비율에 해당합니다. 구조 1에 의해 성장된 결정의 계면은 약간 볼록하고 상 전이가 발견되지 않으며 두께는 PG가 없는 결정의 65%입니다. 일반적으로 결정 성장 결과는 시뮬레이션 결과와 일치하며 구조 1의 결정 계면에서 더 큰 반경 방향 온도 차이가 있고 가장자리에서의 빠른 성장이 억제되며 전체 재료 흐름 속도가 느립니다. 전반적인 추세는 수치 시뮬레이션 결과와 일치합니다.
그림 8 구조 0과 구조 1에서 성장된 SiC 결정
결론
PG는 원료 영역의 전체 온도 향상과 축방향 및 반경방향 온도 균일성 개선에 기여하여 원료의 완전한 승화 및 활용을 촉진합니다. 상하 온도차가 증가하고, 종자 결정 표면의 반경 방향 기울기가 증가하여 볼록한 계면 성장을 유지하는 데 도움이 됩니다. 물질 전달 측면에서 PG를 도입하면 전체 물질 전달 속도가 감소하고, PG가 포함된 성장 챔버 내 물질 유량의 시간 경과에 따른 변화가 줄어들어 전체 성장 과정이 더욱 안정됩니다. 동시에 PG는 과도한 가장자리 물질 전달 발생을 효과적으로 억제합니다. 또한, PG는 성장 환경, 특히 종자 결정 계면의 앞쪽 가장자리에서 C/Si 비율을 증가시켜 성장 과정 중 상변화 발생을 줄이는 데 도움이 됩니다. 동시에 PG의 단열 효과는 원료 상부의 재결정 발생을 어느 정도 감소시킵니다. 결정 성장의 경우, PG는 결정 성장 속도를 늦추지만 성장 계면은 더욱 볼록해집니다. 따라서 PG는 SiC 결정의 성장 환경을 개선하고 결정 품질을 최적화하는 효과적인 수단이다.
게시 시간: 2024년 6월 18일