Pamata processSiCKristālu augšana tiek iedalīta izejvielu sublimācijā un sadalīšanās procesā augstā temperatūrā, gāzes fāzes vielu transportēšanā temperatūras gradienta ietekmē un gāzes fāzes vielu rekristalizācijas augšanā sēklas kristālā. Pamatojoties uz to, tīģeļa iekšpuse ir sadalīta trīs daļās: izejvielu zonā, augšanas kamerā un sēklas kristālā. Pamatojoties uz faktisko pretestību, tika izveidots skaitlisks simulācijas modelis.SiCmonokristālu audzēšanas iekārta (sk. 1. attēlu). Aprēķinā: apakšdaļatīģelisatrodas 90 mm attālumā no sānu sildītāja apakšas, tīģeļa augšējā temperatūra ir 2100 ℃, izejmateriāla daļiņu diametrs ir 1000 μm, porainība ir 0,6, augšanas spiediens ir 300 Pa un augšanas laiks ir 100 h. PG biezums ir 5 mm, diametrs ir vienāds ar tīģeļa iekšējo diametru, un tas atrodas 30 mm virs izejmateriāla. Aprēķinā tiek ņemti vērā izejmateriāla zonas sublimācijas, karbonizācijas un rekristalizācijas procesi, un reakcija starp PG un gāzes fāzes vielām netiek ņemta vērā. Ar aprēķinu saistītie fizikālo īpašību parametri ir parādīti 1. tabulā.
1. attēls. Simulācijas aprēķina modelis. (a) Termiskā lauka modelis kristālu augšanas simulācijai; (b) Tīģeļa iekšējā laukuma sadalījums un saistītās fizikālās problēmas
1. tabula. Daži aprēķinā izmantotie fizikālie parametri.
2. attēlā (a) redzams, ka PG saturošās struktūras (apzīmētas kā 1. struktūra) temperatūra ir augstāka nekā PG nesaturošas struktūras (apzīmētas kā 0. struktūra) temperatūra zem PG un zemāka nekā 0. struktūras temperatūra virs PG. Kopējais temperatūras gradients palielinās, un PG darbojas kā siltumizolējošs līdzeklis. Saskaņā ar 2. attēlu (b) un 2. attēlu (c) 1. struktūras aksiālais un radiālais temperatūras gradients izejvielu zonā ir mazāks, temperatūras sadalījums ir vienmērīgāks un materiāla sublimācija ir pilnīgāka. Atšķirībā no izejvielu zonas, 2. attēlā (c) redzams, ka radiālais temperatūras gradients pie 1. struktūras sēklas kristāla ir lielāks, ko var izraisīt dažādu siltuma pārneses režīmu atšķirīgās proporcijas, kas palīdz kristālam augt ar izliektu saskarni. 2. attēlā (d) temperatūra dažādās tīģeļa pozīcijās uzrāda pieaugošu tendenci, augšanai progresējot, bet temperatūras starpība starp 0. struktūru un 1. struktūru pakāpeniski samazinās izejvielu zonā un pakāpeniski palielinās augšanas kamerā.
2. attēls. Temperatūras sadalījums un izmaiņas tīģelī. (a) Temperatūras sadalījums 0. struktūras (pa kreisi) un 1. struktūras (pa labi) tīģelī pie 0 h, mērvienība: ℃; (b) Temperatūras sadalījums uz 0. un 1. struktūras tīģeļa centra līnijas no izejmateriāla apakšas līdz sēklas kristālam pie 0 h; (c) Temperatūras sadalījums no tīģeļa centra līdz malai uz sēklas kristāla virsmas (A) un izejmateriāla virsmas (B), vidū (C) un apakšā (D) pie 0 h, horizontālā ass r ir sēklas kristāla rādiuss A un izejmateriāla laukuma rādiuss B~D; (d) Temperatūras izmaiņas 0. struktūras un 1. struktūras augšanas kameras augšējās daļas centrā (A), izejmateriāla virsmā (B) un vidū (C) pie 0, 30, 60 un 100 h.
3. attēlā parādīta materiāla transportēšana dažādos laikos 0. un 1. struktūras tīģelī. Gāzes fāzes materiāla plūsmas ātrums izejmateriāla zonā un augšanas kamerā palielinās, palielinoties pozīcijai, un materiāla transportēšana vājinās, augšanai progresējot. 3. attēlā parādīts arī, ka simulācijas apstākļos izejmateriāls vispirms grafitizējas uz tīģeļa sānu sienas un pēc tam uz tīģeļa apakšas. Turklāt izejmateriāla virsmā notiek pārkristalizācija, un tas pakāpeniski sabiezē, augšanai progresējot. 4.(a) un 4.(b) attēlā parādīts, ka materiāla plūsmas ātrums izejmateriāla iekšpusē samazinās, augšanai progresējot, un materiāla plūsmas ātrums 100 h laikā ir aptuveni 50% no sākotnējā momenta; tomēr plūsmas ātrums malā ir relatīvi liels izejmateriāla grafitizācijas dēļ, un plūsmas ātrums malā ir vairāk nekā 10 reizes lielāks nekā plūsmas ātrums vidējā zonā 100 h laikā; Turklāt PG ietekme uz 1. struktūru samazina materiāla plūsmas ātrumu 1. struktūras izejvielu zonā salīdzinājumā ar 0. struktūru. 4.(c) attēlā materiāla plūsma gan izejvielu zonā, gan augšanas kamerā pakāpeniski vājinās, augšanai progresējot, un materiāla plūsma izejvielu zonā turpina samazināties, ko izraisa gaisa plūsmas kanāla atvēršanās tīģeļa malā un pārkristalizācijas aizsprostojums augšpusē; augšanas kamerā 0. struktūras materiāla plūsmas ātrums strauji samazinās pirmajās 30 stundās līdz 16% un turpmākajā laikā samazinās tikai par 3%, savukārt 1. struktūra visā augšanas procesā saglabājas relatīvi stabila. Tādēļ PG palīdz stabilizēt materiāla plūsmas ātrumu augšanas kamerā. 4.(d) attēlā salīdzināts materiāla plūsmas ātrums kristālu augšanas frontē. Sākotnējā brīdī un pēc 100 stundām materiāla transports 0. struktūras augšanas zonā ir spēcīgāks nekā 1. struktūrā, bet 0. struktūras malā vienmēr ir liela plūsmas ātruma zona, kas noved pie pārmērīgas augšanas malā. PG klātbūtne 1. struktūrā efektīvi nomāc šo parādību.
3. attēls. Materiāla plūsma tīģelī. Gāzveida materiāla transportēšanas plūsmas (pa kreisi) un ātruma vektori (pa labi) 0. un 1. struktūrā dažādos laikos, ātruma vektora mērvienība: m/s
4. attēls. Materiāla plūsmas ātruma izmaiņas. (a) Materiāla plūsmas ātruma sadalījuma izmaiņas 0. struktūras izejmateriāla vidū pie 0, 30, 60 un 100 h, kur r ir izejmateriāla laukuma rādiuss; (b) Materiāla plūsmas ātruma sadalījuma izmaiņas 1. struktūras izejmateriāla vidū pie 0, 30, 60 un 100 h, kur r ir izejmateriāla laukuma rādiuss; (c) Materiāla plūsmas ātruma izmaiņas 0. un 1. struktūras augšanas kamerā (A, B) un izejmateriālā (C, D) laika gaitā; (d) Materiāla plūsmas ātruma sadalījums pie 0. un 1. struktūras sēklas kristāla virsmas pie 0 un 100 h, kur r ir sēklas kristāla rādiuss.
C/Si ietekmē SiC kristāla augšanas kristālisko stabilitāti un defektu blīvumu. 5.(a) attēlā ir salīdzināts abu struktūru C/Si attiecības sadalījums sākotnējā brīdī. C/Si attiecība pakāpeniski samazinās no tīģeļa apakšas uz augšu, un 1. struktūras C/Si attiecība dažādās pozīcijās vienmēr ir augstāka nekā 0. struktūrai. 5.(b) un 5.(c) attēlā redzams, ka C/Si attiecība pakāpeniski palielinās līdz ar augšanu, kas ir saistīts ar iekšējās temperatūras paaugstināšanos vēlākā augšanas stadijā, izejmateriāla grafitizācijas uzlabošanos un Si komponentu reakciju gāzes fāzē ar grafīta tīģeli. 5.(d) attēlā 0. un 1. struktūras C/Si attiecības ir diezgan atšķirīgas zem PG (0, 25 mm), bet nedaudz atšķiras virs PG (50 mm), un atšķirība pakāpeniski palielinās, tuvojoties kristālam. Kopumā 1. struktūras C/Si attiecība ir augstāka, kas palīdz stabilizēt kristāla formu un samazināt fāžu pārejas varbūtību.
5. attēls. C/Si attiecības sadalījums un izmaiņas. (a) C/Si attiecības sadalījums 0. struktūras tīģeļos (pa kreisi) un 1. struktūras tīģeļos (pa labi) pēc 0 h; (b) C/Si attiecība dažādos attālumos no 0. struktūras tīģeļa centra līnijas dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si attiecība dažādos attālumos no 1. struktūras tīģeļa centra līnijas dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h); (d) C/Si attiecības salīdzinājums dažādos attālumos (0, 25, 50, 75, 100 mm) no 0. struktūras tīģeļa (nepārtrauktā līnija) un 1. struktūras tīģeļa (punktētā līnija) centra līnijas dažādos laikos (0, 30, 60, 100 h).
6. attēlā redzamas abu struktūru izejvielu reģionu daļiņu diametra un porainības izmaiņas. Attēlā redzams, ka izejvielu diametrs samazinās un porainība palielinās pie tīģeļa sienas, un malu porainība turpina palielināties, un daļiņu diametrs turpina samazināties, augšanai progresējot. Maksimālā malu porainība ir aptuveni 0,99 pie 100 stundām, un minimālais daļiņu diametrs ir aptuveni 300 μm. Daļiņu diametrs palielinās un porainība samazinās izejvielu augšējā virsmā, kas atbilst pārkristalizācijai. Pārkristalizācijas zonas biezums palielinās, augšanai progresējot, un daļiņu izmērs un porainība turpina mainīties. Maksimālais daļiņu diametrs sasniedz vairāk nekā 1500 μm, un minimālā porainība ir 0,13. Turklāt, tā kā PG palielina izejvielu zonas temperatūru un gāzes pārsātinājums ir mazs, 1. struktūras izejvielu augšējās daļas pārkristalizācijas biezums ir mazs, kas uzlabo izejvielu izmantošanas līmeni.
6. attēls. Izejmateriāla laukuma daļiņu diametra (pa kreisi) un porainības (pa labi) izmaiņas struktūrā 0 un struktūrā 1 dažādos laikos, daļiņu diametra mērvienība: μm.
7. attēlā redzams, ka 0. struktūra augšanas sākumā deformējas, kas var būt saistīts ar pārmērīgu materiāla plūsmas ātrumu, ko izraisa izejmateriāla malas grafitizācija. Turpmākā augšanas procesa laikā deformācijas pakāpe samazinās, kas atbilst materiāla plūsmas ātruma izmaiņām 0. struktūras kristāla augšanas priekšpusē 4. attēlā (d). 1. struktūrā PG ietekmes dēļ kristāla saskarne neuzrāda deformāciju. Turklāt PG arī ievērojami samazina 1. struktūras augšanas ātrumu nekā 0. struktūrai. 1. struktūras kristāla centra biezums pēc 100 stundām ir tikai 68% no 0. struktūras biezuma.
7. attēls. Struktūras 0 un struktūras 1 kristālu saskarnes izmaiņas 30, 60 un 100 stundu laikā.
Kristālu audzēšana tika veikta skaitliskās simulācijas procesa apstākļos. Ar 0. struktūru un 1. struktūru audzētie kristāli ir parādīti attiecīgi 8.(a) un 8.(b) attēlā. 0. struktūras kristālam ir ieliekta saskarne ar viļņošanos centrālajā zonā un fāžu pāreju malā. Virsmas izliekums norāda uz zināmu nehomogēnuma pakāpi gāzes fāzes materiālu transportā, un fāžu pārejas rašanās atbilst zemajai C/Si attiecībai. Ar 1. struktūru audzētā kristāla saskarne ir nedaudz izliekta, fāžu pāreja nav konstatēta, un biezums ir 65% no kristāla biezuma bez PG. Kopumā kristālu augšanas rezultāti atbilst simulācijas rezultātiem, ar lielāku radiālo temperatūras starpību 1. struktūras kristālu saskarnē straujā augšana malā ir nomākta, un kopējais materiāla plūsmas ātrums ir lēnāks. Kopējā tendence atbilst skaitliskās simulācijas rezultātiem.
8. attēls. SiC kristāli, kas audzēti 0. un 1. struktūrā.
Secinājums
PG veicina izejmateriāla laukuma kopējās temperatūras uzlabošanos un aksiālās un radiālās temperatūras vienmērīguma uzlabošanos, veicinot izejmateriāla pilnīgu sublimāciju un izmantošanu; palielinās augšējās un apakšējās temperatūras starpība, un palielinās sēklas kristāla virsmas radiālais gradients, kas palīdz uzturēt izliektu saskarnes augšanu. Masas pārneses ziņā PG ievadīšana samazina kopējo masas pārneses ātrumu, materiāla plūsmas ātrums augšanas kamerā, kas satur PG, laika gaitā mainās mazāk, un viss augšanas process ir stabilāks. Vienlaikus PG arī efektīvi kavē pārmērīgas malas masas pārneses rašanos. Turklāt PG arī palielina augšanas vides C/Si attiecību, īpaši sēklas kristāla saskarnes priekšējā malā, kas palīdz samazināt fāzes maiņas rašanos augšanas procesā. Vienlaikus PG siltumizolācijas efekts zināmā mērā samazina pārkristalizācijas rašanos izejmateriāla augšējā daļā. Kristālu augšanā PG palēnina kristāla augšanas ātrumu, bet augšanas saskarne ir izliektāka. Tāpēc PG ir efektīvs līdzeklis SiC kristālu augšanas vides uzlabošanai un kristālu kvalitātes optimizēšanai.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 18. jūnijs