Pagrindinis procesasSiCKristalų augimas skirstomas į žaliavų sublimaciją ir skaidymą aukštoje temperatūroje, dujų fazės medžiagų pernašą veikiant temperatūros gradientui ir dujų fazės medžiagų rekristalizacijos augimą sėklos kristale. Remiantis tuo, tiglio vidus yra padalintas į tris dalis: žaliavos sritį, augimo kamerą ir sėklos kristalą. Skaitmeninis modeliavimas buvo sudarytas remiantis faktine varžine verte.SiCmonokristalų auginimo įranga (žr. 1 pav.). Skaičiavime: apatinėtiglisyra 90 mm atstumu nuo šoninio šildytuvo dugno, tiglio viršutinė temperatūra yra 2100 ℃, žaliavos dalelių skersmuo yra 1000 μm, poringumas yra 0,6, augimo slėgis yra 300 Pa, o augimo laikas yra 100 val. PG storis yra 5 mm, skersmuo lygus tiglio vidiniam skersmeniui, ir jis yra 30 mm virš žaliavos. Skaičiavime atsižvelgiama į žaliavos zonos sublimacijos, karbonizacijos ir rekristalizacijos procesus, o PG ir dujų fazės medžiagų reakcija neatsižvelgiama. Su skaičiavimais susiję fizikinių savybių parametrai pateikti 1 lentelėje.
1 pav. Simuliacinio skaičiavimo modelis. (a) Kristalų augimo modeliavimo terminio lauko modelis; (b) Tiglio vidinio ploto padalijimas ir susijusios fizikinės problemos
1 lentelė. Kai kurie skaičiavime naudoti fizikiniai parametrai.
2(a) paveiksle parodyta, kad PG turinčios struktūros (žymimos 1 struktūra) temperatūra yra aukštesnė nei PG neturinčios struktūros (žymimos 0 struktūra) temperatūra žemiau PG ir žemesnė nei 0 struktūros temperatūra virš PG. Bendras temperatūros gradientas didėja, o PG veikia kaip šilumą izoliuojanti medžiaga. Remiantis 2(b) ir 2(c) paveikslais, 1 struktūros ašinis ir radialinis temperatūros gradientai žaliavos zonoje yra mažesni, temperatūros pasiskirstymas yra tolygesnis, o medžiagos sublimacija yra išsamesnė. Skirtingai nuo žaliavos zonos, 2(c) paveiksle parodyta, kad radialinis temperatūros gradientas ties 1 struktūros užsėjimo kristalu yra didesnis, o tai gali būti dėl skirtingų šilumos perdavimo režimų proporcijų, kurios padeda kristalui augti su išgaubta sąsaja. 2(d) paveiksle temperatūra skirtingose tiglio vietose rodo didėjimo tendenciją augimui progresuojant, tačiau temperatūrų skirtumas tarp 0 ir 1 struktūros palaipsniui mažėja žaliavos zonoje ir palaipsniui didėja augimo kameroje.
2 pav. Temperatūros pasiskirstymas ir pokyčiai tiglyje. (a) Temperatūros pasiskirstymas 0 struktūros (kairėje) ir 1 struktūros (dešinėje) tiglio viduje po 0 val., matavimo vienetas: ℃; (b) Temperatūros pasiskirstymas 0 ir 1 struktūros tiglio centrinėje linijoje nuo žaliavos dugno iki užkemšamo kristalo po 0 val.; (c) Temperatūros pasiskirstymas nuo centro iki tiglio krašto užkemšamo kristalo paviršiuje (A) ir žaliavos paviršiuje (B), viduryje (C) ir apačioje (D) po 0 val., horizontali ašis r yra užkemšamo kristalo spindulys A atveju, o žaliavos ploto spindulys B~D atveju; (d) Temperatūros pokyčiai 0 ir 1 struktūros augimo kameros viršutinės dalies centre (A), žaliavos paviršiuje (B) ir viduryje (C) po 0, 30, 60 ir 100 val.
3 paveiksle parodytas medžiagos pernašos mastas skirtingu metu 0 ir 1 struktūros tiglyje. Dujinės fazės medžiagos srauto greitis žaliavos srityje ir augimo kameroje didėja didėjant padėčiai, o medžiagos pernaša silpnėja augimui progresuojant. 3 paveiksle taip pat parodyta, kad modeliavimo sąlygomis žaliava pirmiausia grafitizuojasi ant tiglio šoninės sienelės, o po to – ant tiglio dugno. Be to, žaliavos paviršiuje vyksta rekristalizacijos procesas, kuris palaipsniui tirštėja augimui progresuojant. 4(a) ir 4(b) paveiksluose parodyta, kad medžiagos srauto greitis žaliavos viduje mažėja augimui progresuojant, o medžiagos srauto greitis po 100 val. yra apie 50 % pradinio momento; tačiau srauto greitis krašte yra santykinai didelis dėl žaliavos grafitizacijos, o srauto greitis krašte yra daugiau nei 10 kartų didesnis nei srauto greitis vidurinėje srityje po 100 val. Be to, PG poveikis 1 struktūroje sumažina medžiagos srauto greitį 1 struktūros žaliavos srityje, palyginti su 0 struktūros. 4(c) paveiksle medžiagos srautas tiek žaliavos srityje, tiek augimo kameroje palaipsniui silpnėja augimui progresuojant, o medžiagos srautas žaliavos srityje toliau mažėja dėl oro srauto kanalo atsidarymo tiglio krašte ir rekristalizacijos kliūties viršuje; augimo kameroje 0 struktūros medžiagos srauto greitis per pirmąsias 30 val. sparčiai sumažėja iki 16 %, o vėliau sumažėja tik 3 %, tuo tarpu 1 struktūra išlieka santykinai stabili viso augimo proceso metu. Todėl PG padeda stabilizuoti medžiagos srauto greitį augimo kameroje. 4(d) paveiksle palyginamas medžiagos srauto greitis kristalų augimo fronte. Pradiniu momentu ir po 100 val. medžiagos pernaša 0 struktūros augimo zonoje yra stipresnė nei 1 struktūroje, tačiau 0 struktūros pakraštyje visada yra didelio srauto greičio sritis, dėl kurios krašte vyksta per didelis augimas. PG buvimas 1 struktūroje efektyviai slopina šį reiškinį.
3 pav. Medžiagos srautas tiglyje. Dujų medžiagos judėjimo 0 ir 1 struktūrose skirtingu laiku vaizduojamos srauto linijos (kairėje) ir greičio vektoriai (dešinėje), greičio vektoriaus vienetas: m/s.
4 pav. Medžiagos srauto greičio pokyčiai. (a) Medžiagos srauto greičio pasiskirstymo pokyčiai 0 struktūros žaliavos viduryje ties 0, 30, 60 ir 100 h, r yra žaliavos srities spindulys; (b) Medžiagos srauto greičio pasiskirstymo pokyčiai 1 struktūros žaliavos viduryje ties 0, 30, 60 ir 100 h, r yra žaliavos srities spindulys; (c) Medžiagos srauto greičio pokyčiai 0 ir 1 struktūrų auginimo kameroje (A, B) ir žaliavos viduje (C, D) laikui bėgant; (d) Medžiagos srauto greičio pasiskirstymas šalia 0 ir 1 struktūrų užsėjimo kristalo paviršiaus ties 0 ir 100 h, r yra užsėjimo kristalo spindulys.
C/Si turi įtakos SiC kristalų augimo kristaliniam stabilumui ir defektų tankiui. 5(a) paveiksle palyginamas dviejų struktūrų C/Si santykio pasiskirstymas pradiniu momentu. C/Si santykis palaipsniui mažėja nuo tiglio apačios iki viršaus, o 1 struktūros C/Si santykis skirtingose pozicijose visada yra didesnis nei 0 struktūros. 5(b) ir 5(c) paveiksluose parodyta, kad C/Si santykis palaipsniui didėja augant, o tai susiję su vidinės temperatūros padidėjimu vėlesniame augimo etape, žaliavos grafitizacijos padidėjimu ir Si komponentų reakcija dujų fazėje su grafitiniu tigliu. 5(d) paveiksle 0 ir 1 struktūros C/Si santykiai yra gana skirtingi žemiau PG (0, 25 mm), tačiau šiek tiek skiriasi virš PG (50 mm), ir skirtumas palaipsniui didėja artėjant prie kristalo. Apskritai 1 struktūros C/Si santykis yra didesnis, o tai padeda stabilizuoti kristalo formą ir sumažinti fazinio virsmo tikimybę.
5 pav. C/Si santykio pasiskirstymas ir pokyčiai. (a) C/Si santykio pasiskirstymas 0 struktūros tigliuose (kairėje) ir 1 struktūros tigliuose po 0 val.; (b) C/Si santykis skirtingais atstumais nuo 0 struktūros tiglio centrinės linijos skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 val.); (c) C/Si santykis skirtingais atstumais nuo 1 struktūros tiglio centrinės linijos skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 val.); (d) C/Si santykio palyginimas skirtingais atstumais (0, 25, 50, 75, 100 mm) nuo 0 struktūros (ištisinė linija) ir 1 struktūros (punktyrinė linija) tiglio centrinės linijos skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 val.).
6 paveiksle parodyti dviejų struktūrų žaliavos sričių dalelių skersmens ir poringumo pokyčiai. Paveiksle parodyta, kad žaliavos skersmuo mažėja, o poringumas didėja prie tiglio sienelės, o krašto poringumas toliau didėja, o dalelių skersmuo toliau mažėja, augimui progresuojant. Didžiausias krašto poringumas yra apie 0,99 po 100 val., o mažiausias dalelių skersmuo yra apie 300 μm. Žaliavos viršutiniame paviršiuje dalelių skersmuo didėja, o poringumas mažėja, tai atitinka rekristalizaciją. Rekristalizacijos srities storis didėja augimui progresuojant, o dalelių dydis ir poringumas toliau kinta. Didžiausias dalelių skersmuo siekia daugiau nei 1500 μm, o mažiausias poringumas yra 0,13. Be to, kadangi PG didina žaliavos srities temperatūrą ir dujų persisotinimas yra mažas, 1 struktūros žaliavos viršutinės dalies rekristalizacijos storis yra mažas, o tai pagerina žaliavos panaudojimo rodiklį.
6 pav. Žaliavos ploto dalelių skersmens (kairėje) ir poringumo (dešinėje) pokyčiai 0 ir 1 struktūrose skirtingu laiku, dalelių skersmens vienetas: μm
7 paveiksle parodyta, kad 0 struktūra augimo pradžioje deformuojasi, o tai gali būti susiję su per dideliu medžiagos srauto greičiu, kurį sukelia žaliavos krašto grafitizacija. Vėlesnio augimo proceso metu deformacijos laipsnis susilpnėja, o tai atitinka medžiagos srauto greičio pokytį 0 struktūros kristalo augimo priekyje, kaip parodyta 4 paveiksle (d). 1 struktūroje dėl PG poveikio kristalo sąsaja nedeformuojasi. Be to, PG taip pat žymiai sumažina 1 struktūros augimo greitį, palyginti su 0 struktūros. 1 struktūros kristalo centrinis storis po 100 val. sudaro tik 68 % 0 struktūros kristalo storio.
7 pav. 0 ir 1 struktūros kristalų sąsajos pokyčiai po 30, 60 ir 100 val.
Kristalų auginimas buvo atliktas skaitmeninio modeliavimo sąlygomis. 0 ir 1 struktūros išauginti kristalai parodyti atitinkamai 8(a) ir 8(b) paveiksluose. 0 struktūros kristalas turi įgaubtą sąsają su banguotomis centrinėje srityje ir faziniu virsmu krašte. Paviršiaus išgaubtumas rodo tam tikrą dujų fazės medžiagų pernašos nehomogeniškumo laipsnį, o fazinio virsmo atsiradimas atitinka mažą C/Si santykį. 1 struktūros išauginto kristalo sąsaja yra šiek tiek išgaubta, fazinio virsmo nerasta, o storis sudaro 65 % kristalo be PG storio. Apskritai kristalų augimo rezultatai atitinka modeliavimo rezultatus, esant didesniam radialiniam temperatūrų skirtumui 1 struktūros kristalo sąsajoje, greitas augimas krašte yra slopinamas, o bendras medžiagos srauto greitis yra lėtesnis. Bendra tendencija atitinka skaitmeninio modeliavimo rezultatus.
8 pav. SiC kristalai, išauginti esant 0 ir 1 struktūrai.
Išvada
PG padeda pagerinti bendrą žaliavos ploto temperatūrą ir ašinį bei radialinį temperatūros vienodumą, skatinant visišką žaliavos sublimaciją ir panaudojimą; padidėja viršutinės ir apatinės temperatūrų skirtumas, padidėja sėklos kristalo paviršiaus radialinis gradientas, o tai padeda išlaikyti išgaubtą sąsajos augimą. Kalbant apie masės perdavimą, PG įvedimas sumažina bendrą masės perdavimo greitį, medžiagos srauto greitis augimo kameroje, kurioje yra PG, laikui bėgant mažiau kinta, o visas augimo procesas tampa stabilesnis. Tuo pačiu metu PG taip pat veiksmingai slopina per didelį masės perdavimą kraštuose. Be to, PG taip pat padidina augimo aplinkos C/Si santykį, ypač sėklos kristalo sąsajos priekiniame krašte, o tai padeda sumažinti fazės kitimą augimo proceso metu. Tuo pačiu metu PG šilumos izoliacijos efektas tam tikru mastu sumažina rekristalizacijos atsiradimą viršutinėje žaliavos dalyje. Kristalų augimui PG sulėtina kristalo augimo greitį, tačiau augimo sąsaja yra labiau išgaubta. Todėl PG yra veiksminga priemonė SiC kristalų augimo aplinkai pagerinti ir kristalų kokybei optimizuoti.
Įrašo laikas: 2024 m. birželio 18 d.