기본 과정SiC결정 성장은 고온에서의 원료 물질의 승화 및 분해, 온도 구배 작용에 의한 기체상 물질의 이동, 그리고 종자 결정에서의 기체상 물질의 재결정 성장으로 나뉜다. 이를 바탕으로 도가니 내부는 원료 영역, 성장실, 종자 결정 영역의 세 부분으로 구분된다. 실제 저항값을 기반으로 수치 시뮬레이션 모델을 구축하였다.SiC단결정 성장 장비(그림 1 참조). 계산에서: 바닥면도가니도가니 상단 온도는 2100℃, 원료 입자 직경은 1000μm, 기공률은 0.6, 성장 압력은 300Pa, 성장 시간은 100시간입니다. PG(폴리글리세리드)의 두께는 5mm이고 직경은 도가니 내경과 같으며, 원료 표면에서 30mm 위에 위치합니다. 계산에는 원료 영역의 승화, 탄화 및 재결정 과정이 고려되었으며, PG와 기체상 물질 간의 반응은 고려되지 않았습니다. 계산 관련 물리적 특성 매개변수는 표 1에 제시되어 있습니다.
그림 1. 시뮬레이션 계산 모델. (a) 결정 성장 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 1)의 온도가 PG 아래에서는 PG가 없는 구조(구조 0)보다 높고, PG 위에서는 구조 0보다 낮다는 것을 보여줍니다. 전체적인 온도 구배가 증가하며, PG는 단열재 역할을 합니다. 그림 2(b)와 2(c)에 따르면, 원료 영역에서 구조 1의 축 방향 및 반경 방향 온도 구배가 더 작고, 온도 분포가 더 균일하며, 물질의 승화가 더 완전하게 일어납니다. 원료 영역과 달리, 그림 2(c)는 구조 1의 종자 결정에서 반경 방향 온도 구배가 더 큰 것을 보여주는데, 이는 서로 다른 열 전달 모드의 비율 차이로 인해 발생할 수 있으며, 이는 결정이 볼록한 계면을 가지고 성장하는 데 도움이 됩니다. 그림 2(d)에서 도가니 내 여러 위치의 온도는 성장이 진행됨에 따라 증가하는 경향을 보이지만, 구조 0과 구조 1 사이의 온도 차이는 원료 영역에서는 점차 감소하고 성장 챔버에서는 점차 증가한다.
그림 2. 도가니 내부 온도 분포 및 변화. (a) 0시간에서의 구조 0(왼쪽)과 구조 1(오른쪽) 도가니 내부 온도 분포(단위: ℃); (b) 0시간에서의 구조 0과 구조 1 도가니 중심선상의 온도 분포(원료 바닥에서 종자 결정까지); (c) 0시간에서의 종자 결정 표면(A), 원료 표면(B), 중간(C), 바닥(D)에서 도가니 중심에서 가장자리까지의 온도 분포(가로축 r은 A의 경우 종자 결정 반경, B~D의 경우 원료 영역 반경); (d) 0, 30, 60, 100시간에서의 구조 0과 구조 1 성장실 상부 중심(A), 원료 표면(B), 중간(C)에서의 온도 변화.
그림 3은 구조 0과 구조 1의 도가니 내부에서 시간에 따른 물질 이동을 보여준다. 원료 영역과 성장 챔버에서 기체상 물질의 유속은 위치가 증가함에 따라 증가하고, 성장이 진행됨에 따라 물질 이동은 약해진다. 그림 3은 또한 시뮬레이션 조건에서 원료가 도가니 측벽에서 먼저 흑연화되고 그 다음 도가니 바닥에서 흑연화됨을 보여준다. 또한, 원료 표면에서 재결정이 일어나고 성장이 진행됨에 따라 점차 두꺼워진다. 그림 4(a)와 4(b)는 원료 내부의 물질 유속이 성장이 진행됨에 따라 감소하고, 100시간 후의 물질 유속은 초기 시점의 약 50% 수준임을 보여준다. 그러나 원료의 흑연화로 인해 가장자리 부분의 유속은 상대적으로 크며, 100시간 후 가장자리 부분의 유속은 중앙 부분의 유속보다 10배 이상 높다. 또한, 구조 1에서 PG의 효과는 구조 1의 원료 영역에서 물질 유속을 구조 0보다 낮게 만듭니다. 그림 4(c)에서 원료 영역과 성장 챔버 모두에서 물질 유속은 성장이 진행됨에 따라 점차 약해지는데, 원료 영역에서의 물질 유속은 도가니 가장자리의 공기 흐름 채널 개방과 상부에서의 재결정화 방해로 인해 지속적으로 감소합니다. 성장 챔버에서 구조 0의 물질 유속은 초기 30시간 동안 16%까지 급격히 감소한 후 이후에는 3%만 감소하는 반면, 구조 1은 성장 과정 전반에 걸쳐 비교적 안정적으로 유지됩니다. 따라서 PG는 성장 챔버 내 물질 유속을 안정화하는 데 도움이 됩니다. 그림 4(d)는 결정 성장 전면에서의 물질 유속을 비교한 것입니다. 초기 시점과 100시간 후, 구조 0의 성장 영역에서 물질 이동은 구조 1보다 강하지만, 구조 0의 가장자리에는 항상 높은 유속 영역이 존재하여 가장자리에서 과도한 성장이 발생합니다. 구조 1에 PG가 존재하면 이러한 현상이 효과적으로 억제됩니다.
그림 3. 도가니 내부 물질 흐름. 구조 0과 1에서 서로 다른 시간에 따른 기체 물질 이동의 유선(왼쪽) 및 속도 벡터(오른쪽). 속도 벡터 단위: m/s
그림 4. 물질 유량 변화. (a) 구조 0의 원료 중앙부에서 0, 30, 60, 100시간 후의 물질 유량 분포 변화 (r은 원료 영역의 반지름); (b) 구조 1의 원료 중앙부에서 0, 30, 60, 100시간 후의 물질 유량 분포 변화 (r은 원료 영역의 반지름); (c) 구조 0과 1의 성장 챔버 내부(A, B) 및 원료 내부(C, D)의 물질 유량 변화 (시간 경과에 따른 변화); (d) 구조 0과 1의 종자 결정 표면 부근에서 0, 100시간 후의 물질 유량 분포 (r은 종자 결정의 반지름);
C/Si 비율은 SiC 결정 성장의 결정 안정성과 결함 밀도에 영향을 미칩니다. 그림 5(a)는 초기 시점에서 두 구조의 C/Si 비율 분포를 비교한 것입니다. C/Si 비율은 도가니 바닥에서 상단으로 갈수록 점차 감소하며, 구조 1의 C/Si 비율은 모든 위치에서 구조 0보다 항상 높습니다. 그림 5(b)와 5(c)는 성장이 진행됨에 따라 C/Si 비율이 점차 증가하는 것을 보여줍니다. 이는 성장 후반부의 내부 온도 상승, 원료의 흑연화 촉진, 그리고 기체 상태의 Si 성분이 흑연 도가니와 반응하는 것과 관련이 있습니다. 그림 5(d)에서 구조 0과 구조 1의 C/Si 비율은 PG(0, 25mm) 아래에서는 상당히 차이가 나지만, PG(50mm) 위에서는 약간의 차이만 보이며, 결정에 가까워질수록 그 차이가 점차 커집니다. 일반적으로 구조 1의 C/Si 비율이 더 높으므로 결정 형태를 안정화하고 상전이 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
그림 5. C/Si 비율의 분포 및 변화. (a) 0시간에서의 구조 0(왼쪽)과 구조 1(오른쪽) 도가니 내 C/Si 비율 분포; (b) 구조 0 도가니 중심선으로부터의 거리에 따른 시간별(0, 30, 60, 100시간) C/Si 비율; (c) 구조 1 도가니 중심선으로부터의 거리에 따른 시간별(0, 30, 60, 100시간) C/Si 비율; (d) 구조 0(실선)과 구조 1(점선) 도가니 중심선으로부터의 거리(0, 25, 50, 75, 100 mm)에서의 시간별(0, 30, 60, 100시간) C/Si 비율 비교.
그림 6은 두 구조의 원료 영역에서 입자 직경과 기공률의 변화를 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이, 도가니 벽 부근에서는 원료 직경이 감소하고 기공률이 증가하며, 성장이 진행됨에 따라 가장자리 기공률은 계속 증가하고 입자 직경은 계속 감소한다. 최대 가장자리 기공률은 100시간에서 약 0.99이고, 최소 입자 직경은 약 300μm이다. 원료의 상부 표면에서는 입자 직경이 증가하고 기공률이 감소하는데, 이는 재결정화에 해당한다. 재결정화 영역의 두께는 성장이 진행됨에 따라 증가하고, 입자 크기와 기공률은 계속 변화한다. 최대 입자 직경은 1500μm 이상에 도달하고, 최소 기공률은 0.13이다. 또한, PG 공정은 원료 영역의 온도를 상승시키고 가스 과포화도를 낮추기 때문에 구조 1의 원료 상부의 재결정화 두께가 작아 원료 이용률이 향상된다.
그림 6. 구조 0과 구조 1의 원료 영역에서 시간에 따른 입자 직경(왼쪽) 및 다공성(오른쪽)의 변화. 입자 직경 단위: μm
그림 7은 구조 0이 성장 초기에 휘어지는 현상을 보여주는데, 이는 원료 가장자리의 흑연화로 인한 과도한 물질 유동 속도와 관련이 있을 수 있습니다. 휘어짐 정도는 후속 성장 과정에서 약화되는데, 이는 그림 4(d)에서 구조 0의 결정 성장 전면에서의 물질 유동 속도 변화와 일치합니다. 구조 1에서는 PG의 효과로 인해 결정 계면에서 휘어짐이 나타나지 않습니다. 또한, PG는 구조 1의 성장 속도를 구조 0보다 현저히 낮추는 효과도 있습니다. 100시간 후 구조 1 결정의 중심 두께는 구조 0의 68%에 불과합니다.
그림 7. 30시간, 60시간, 100시간 후 구조 0과 구조 1 결정의 계면 변화
수치 시뮬레이션의 공정 조건 하에서 결정 성장을 수행했습니다. 구조 0과 구조 1로 성장시킨 결정은 각각 그림 8(a)와 그림 8(b)에 나타냈습니다. 구조 0의 결정은 중앙 부분에 굴곡이 있고 가장자리에서 상전이가 발생하는 오목한 계면을 보입니다. 표면의 볼록함은 기체상 물질 수송의 불균일성을 나타내며, 상전이 발생은 낮은 C/Si 비율과 관련이 있습니다. 구조 1로 성장시킨 결정의 계면은 약간 볼록하고 상전이는 관찰되지 않았으며, 두께는 PG가 없는 결정의 65%입니다. 전반적으로 결정 성장 결과는 시뮬레이션 결과와 일치하며, 구조 1의 결정 계면에서 더 큰 반경 방향 온도 차이가 나타나고, 가장자리에서의 급속 성장이 억제되며, 전체적인 물질 유속이 더 느립니다. 이러한 전반적인 경향은 수치 시뮬레이션 결과와 일치합니다.
그림 8. 구조 0과 구조 1에서 성장된 SiC 결정
결론
PG는 원료 영역의 전체 온도 향상과 축 방향 및 반경 방향 온도 균일성 개선에 도움이 되어 원료의 완전한 승화 및 활용을 촉진합니다. 또한 상하 온도 차이가 증가하고 종자 결정 표면의 반경 방향 온도 구배가 커져 볼록한 계면 성장을 유지하는 데 도움이 됩니다. 물질 전달 측면에서 PG를 도입하면 전체 물질 전달 속도가 감소하고, PG가 포함된 성장 챔버 내 물질 유속의 시간 경과에 따른 변화가 줄어들어 전체 성장 과정이 더욱 안정됩니다. 동시에 PG는 과도한 가장자리 물질 전달 발생을 효과적으로 억제합니다. 뿐만 아니라 PG는 성장 환경, 특히 종자 결정 계면의 전면 가장자리에서 C/Si 비율을 증가시켜 성장 과정 중 상변화 발생을 줄이는 데 도움을 줍니다. 또한 PG의 단열 효과는 원료 상부에서의 재결정 발생을 어느 정도 감소시킵니다. 결정 성장 측면에서 PG는 결정 성장 속도를 늦추지만 성장 계면은 더욱 볼록해집니다. 따라서 PG는 SiC 결정의 성장 환경을 개선하고 결정 품질을 최적화하는 효과적인 수단입니다.
게시 시간: 2024년 6월 18일