Het basisproces vanSiCKristalgroei wordt onderverdeeld in sublimatie en ontleding van grondstoffen bij hoge temperatuur, transport van gasfasestoffen onder invloed van een temperatuurgradiënt, en rekristallisatiegroei van gasfasestoffen in het entkristal. Op basis hiervan wordt de binnenkant van de kroes in drie delen verdeeld: het grondstofgebied, de groeikamer en het entkristal. Er is een numeriek simulatiemodel getekend op basis van de werkelijke weerstand.SiCApparatuur voor de groei van een enkel kristal (zie figuur 1). In de berekening: de onderkant van desmeltkroesDe afstand tot de onderkant van de zijverwarmer bedraagt 90 mm, de temperatuur van de bovenkant van de kroes is 2100 °C, de diameter van de grondstofdeeltjes is 1000 μm, de porositeit is 0,6, de groeidruk is 300 Pa en de groeitijd is 100 uur. De PG-dikte is 5 mm, de diameter is gelijk aan de binnendiameter van de kroes en deze bevindt zich 30 mm boven de grondstof. De sublimatie-, carbonisatie- en herkristallisatieprocessen van de grondstofzone worden in de berekening meegenomen, maar de reactie tussen PG en gasvormige stoffen wordt niet meegenomen. De parameters van de fysische eigenschappen die relevant zijn voor de berekening, worden weergegeven in Tabel 1.
Figuur 1 Simulatieberekeningsmodel. (a) Thermisch veldmodel voor de simulatie van kristalgroei; (b) Verdeling van het interne oppervlak van de kroes en gerelateerde fysieke problemen
Tabel 1 Enkele fysieke parameters die bij de berekening zijn gebruikt
Figuur 2(a) laat zien dat de temperatuur van de PG-bevattende structuur (aangeduid als structuur 1) hoger is dan die van de PG-vrije structuur (aangeduid als structuur 0) onder PG, en lager dan die van structuur 0 boven PG. De algehele temperatuurgradiënt neemt toe en PG fungeert als warmte-isolerend middel. Volgens figuur 2(b) en 2(c) zijn de axiale en radiale temperatuurgradiënten van structuur 1 in de grondstofzone kleiner, is de temperatuurverdeling gelijkmatiger en is de sublimatie van het materiaal vollediger. In tegenstelling tot de grondstofzone laat figuur 2(c) zien dat de radiale temperatuurgradiënt bij het entkristal van structuur 1 groter is, wat mogelijk wordt veroorzaakt door de verschillende verhoudingen van verschillende warmteoverdrachtsmodi, waardoor het kristal met een convex grensvlak kan groeien. In figuur 2(d) vertoont de temperatuur op verschillende plaatsen in de smeltkroes een stijgende trend naarmate de groei vordert, maar het temperatuurverschil tussen structuur 0 en structuur 1 neemt geleidelijk af in de grondstofzone en neemt geleidelijk toe in de groeikamer.
Figuur 2 Temperatuurverdeling en veranderingen in de kroes. (a) Temperatuurverdeling binnen de kroes van structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) op 0 uur, eenheid: ℃; (b) Temperatuurverdeling op de middenlijn van de kroes van structuur 0 en structuur 1 van de onderkant van het ruwe materiaal tot het entkristal op 0 uur; (c) Temperatuurverdeling van het midden tot de rand van de kroes op het entkristaloppervlak (A) en het ruwe materiaaloppervlak (B), het midden (C) en de onderkant (D) op 0 uur, de horizontale as r is de entkristalstraal voor A en de ruwe materiaaloppervlakstraal voor B~D; (d) Temperatuurveranderingen in het midden van het bovenste gedeelte (A), het ruwe materiaaloppervlak (B) en het midden (C) van de groeikamer van structuur 0 en structuur 1 op 0, 30, 60 en 100 uur.
Figuur 3 toont het materiaaltransport op verschillende tijdstippen in de kroes van structuur 0 en structuur 1. De gasfase-materiaalstroomsnelheid in het grondstofgebied en de groeikamer neemt toe met de toename van de positie, en het materiaaltransport verzwakt naarmate de groei vordert. Figuur 3 laat ook zien dat onder de simulatieomstandigheden de grondstof eerst grafitiseert op de zijwand van de kroes en vervolgens op de bodem van de kroes. Daarnaast vindt er herkristallisatie plaats op het oppervlak van de grondstof en wordt deze geleidelijk dikker naarmate de groei vordert. Figuren 4(a) en 4(b) laten zien dat de materiaalstroomsnelheid in de grondstof afneemt naarmate de groei vordert, en de materiaalstroomsnelheid na 100 uur is ongeveer 50% van het beginmoment; de stroomsnelheid is echter relatief groot aan de rand vanwege de grafitisering van de grondstof, en de stroomsnelheid aan de rand is meer dan 10 keer zo groot als de stroomsnelheid in het middengebied na 100 uur; Bovendien zorgt het effect van PG in structuur 1 ervoor dat de materiaalstroom in het grondstofgebied van structuur 1 lager is dan die van structuur 0. In figuur 4(c) verzwakt de materiaalstroom in zowel het grondstofgebied als de groeikamer geleidelijk naarmate de groei vordert, en blijft de materiaalstroom in het grondstofgebied afnemen, wat wordt veroorzaakt door het openen van het luchtstroomkanaal aan de rand van de kroes en de obstructie van de rekristallisatie aan de bovenkant; in de groeikamer neemt de materiaalstroom van structuur 0 snel af in de eerste 30 uur tot 16%, en neemt deze slechts met 3% af in de daaropvolgende tijd, terwijl structuur 1 relatief stabiel blijft gedurende het groeiproces. Daarom helpt PG de materiaalstroom in de groeikamer te stabiliseren. Figuur 4(d) vergelijkt de materiaalstroom aan het kristalgroeifront. In het begin en na 100 uur is het materiaaltransport in de groeizone van structuur 0 sterker dan in structuur 1, maar er is altijd een gebied met hoge stroomsnelheid aan de rand van structuur 0, wat leidt tot overmatige groei aan de rand. De aanwezigheid van PG in structuur 1 onderdrukt dit fenomeen effectief.
Figuur 3 Materiaalstroom in de smeltkroes. Stroomlijnen (links) en snelheidsvectoren (rechts) van gastransport in structuren 0 en 1 op verschillende tijdstippen, eenheid van snelheidsvector: m/s
Figuur 4 Veranderingen in de materiaalstroomsnelheid. (a) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroomsnelheid in het midden van het ruwe materiaal van structuur 0 op 0, 30, 60 en 100 uur, r is de straal van het ruwe materiaaloppervlak; (b) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroomsnelheid in het midden van het ruwe materiaal van structuur 1 op 0, 30, 60 en 100 uur, r is de straal van het ruwe materiaaloppervlak; (c) Veranderingen in de materiaalstroomsnelheid in de groeikamer (A, B) en in het ruwe materiaal (C, D) van structuren 0 en 1 in de loop van de tijd; (d) Verdeling van de materiaalstroomsnelheid nabij het oppervlak van het zaadkristal van structuren 0 en 1 op 0 en 100 uur, r is de straal van het zaadkristal
C/Si beïnvloedt de kristallijne stabiliteit en defectdichtheid van SiC-kristalgroei. Figuur 5(a) vergelijkt de C/Si-verhoudingsverdeling van de twee structuren op het beginpunt. De C/Si-verhouding neemt geleidelijk af van onder naar boven in de kroes, en de C/Si-verhouding van structuur 1 is op verschillende posities altijd hoger dan die van structuur 0. Figuren 5(b) en 5(c) laten zien dat de C/Si-verhouding geleidelijk toeneemt met de groei, wat verband houdt met de stijging van de interne temperatuur in de latere groeifase, de verbetering van de grafitisering van de grondstof en de reactie van Si-componenten in de gasfase met de grafietkroes. In Figuur 5(d) zijn de C/Si-verhoudingen van structuur 0 en structuur 1 aanzienlijk verschillend onder PG (0, 25 mm), maar licht verschillend boven PG (50 mm), en het verschil neemt geleidelijk toe naarmate het kristal dichterbij komt. Over het algemeen is de C/Si-verhouding van structuur 1 hoger, wat helpt bij het stabiliseren van de kristalvorm en de kans op faseovergang verkleint.
Figuur 5 Verdeling en veranderingen van de C/Si-verhouding. (a) Verdeling van de C/Si-verhouding in smeltkroezen met structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) op 0 uur; (b) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de middenlijn van smeltkroes met structuur 0 op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur); (c) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de middenlijn van smeltkroes met structuur 1 op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur); (d) Vergelijking van de C/Si-verhouding op verschillende afstanden (0, 25, 50, 75, 100 mm) van de middenlijn van smeltkroes met structuur 0 (doorgetrokken lijn) en structuur 1 (stippellijn) op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur).
Figuur 6 toont de veranderingen in deeltjesdiameter en porositeit van de grondstofgebieden van de twee structuren. De figuur laat zien dat de diameter van de grondstof afneemt en de porositeit toeneemt nabij de kroeswand, en dat de randporositeit blijft toenemen en de deeltjesdiameter blijft afnemen naarmate de groei vordert. De maximale randporositeit is ongeveer 0,99 na 100 uur en de minimale deeltjesdiameter is ongeveer 300 μm. De deeltjesdiameter neemt toe en de porositeit neemt af aan de bovenkant van de grondstof, wat overeenkomt met herkristallisatie. De dikte van het herkristallisatiegebied neemt toe naarmate de groei vordert, en de deeltjesgrootte en porositeit blijven veranderen. De maximale deeltjesdiameter bereikt meer dan 1500 μm en de minimale porositeit is 0,13. Bovendien is, omdat PG de temperatuur van het grondstofgebied verhoogt en de oververzadiging van het gas klein is, de rekristallisatiedikte van het bovenste gedeelte van de grondstof van structuur 1 klein, hetgeen de benuttingsgraad van de grondstof verbetert.
Figuur 6 Veranderingen in de deeltjesdiameter (links) en porositeit (rechts) van het grondstofgebied van structuur 0 en structuur 1 op verschillende tijdstippen, deeltjesdiameter-eenheid: μm
Figuur 7 laat zien dat structuur 0 kromtrekt aan het begin van de groei, wat mogelijk verband houdt met de overmatige materiaalstroomsnelheid veroorzaakt door de grafitisering van de rand van het ruwe materiaal. De kromtrekking neemt af tijdens het daaropvolgende groeiproces, wat overeenkomt met de verandering in materiaalstroomsnelheid aan de voorkant van de kristalgroei van structuur 0 in figuur 4 (d). In structuur 1 vertoont de kristalinterface geen kromtrekking dankzij PG. Bovendien zorgt PG ervoor dat de groeisnelheid van structuur 1 aanzienlijk lager is dan die van structuur 0. De centrale dikte van het kristal van structuur 1 bedraagt na 100 uur slechts 68% van die van structuur 0.
Figuur 7 Interfaceveranderingen van structuur 0- en structuur 1-kristallen op 30, 60 en 100 uur
De kristalgroei werd uitgevoerd onder de procesomstandigheden van numerieke simulatie. De kristallen gegroeid door structuur 0 en structuur 1 worden respectievelijk weergegeven in Figuur 8(a) en Figuur 8(b). Het kristal van structuur 0 vertoont een concave interface, met golvingen in het centrale gebied en een faseovergang aan de rand. De oppervlakteconvexiteit vertegenwoordigt een zekere mate van inhomogeniteit in het transport van gasfasematerialen, en het optreden van een faseovergang komt overeen met de lage C/Si-verhouding. De interface van het kristal gegroeid door structuur 1 is licht convex, er wordt geen faseovergang gevonden en de dikte bedraagt 65% van het kristal zonder PG. Over het algemeen komen de resultaten van de kristalgroei overeen met de simulatieresultaten, met een groter radiaal temperatuurverschil aan de kristalinterface van structuur 1, een onderdrukte snelle groei aan de rand en een lagere totale materiaalstroom. De algehele trend komt overeen met de resultaten van numerieke simulatie.
Figuur 8 SiC-kristallen gegroeid onder structuur 0 en structuur 1
Conclusie
PG bevordert de verbetering van de algehele temperatuur in het grondstofgebied en de axiale en radiale temperatuuruniformiteit, wat de volledige sublimatie en benutting van de grondstof bevordert; het temperatuurverschil tussen boven- en onderzijde neemt toe en de radiale gradiënt van het entkristaloppervlak neemt toe, wat bijdraagt aan het behoud van de convexe grensvlakgroei. Wat betreft massaoverdracht, verlaagt de introductie van PG de algehele massaoverdrachtssnelheid, verandert de materiaalstroomsnelheid in de groeikamer met PG minder in de loop van de tijd en is het gehele groeiproces stabieler. Tegelijkertijd remt PG ook effectief het optreden van overmatige randmassaoverdracht. Bovendien verhoogt PG ook de C/Si-verhouding van de groeiomgeving, met name aan de voorrand van het entkristalgrensvlak, wat helpt om het optreden van faseverandering tijdens het groeiproces te verminderen. Tegelijkertijd vermindert het thermisch isolerende effect van PG het optreden van herkristallisatie in het bovenste deel van het grondstofoppervlak tot op zekere hoogte. Voor kristalgroei vertraagt PG de kristalgroeisnelheid, maar het groeigrensvlak is convexer. Daarom is PG een effectief middel om de groeiomgeving van SiC-kristallen te verbeteren en de kristalkwaliteit te optimaliseren.
Plaatsingstijd: 18 juni 2024