Het basisproces vanSiCKristalgroei is onderverdeeld in sublimatie en ontleding van grondstoffen bij hoge temperatuur, transport van gasvormige stoffen onder invloed van een temperatuurgradiënt, en herkristallisatiegroei van gasvormige stoffen in het zaadkristal. Op basis hiervan is de binnenkant van de smeltkroes verdeeld in drie delen: het grondstofgebied, de groeikamer en het zaadkristal. Een numeriek simulatiemodel is ontwikkeld op basis van de werkelijke weerstand.SiCapparatuur voor de groei van enkelkristallen (zie figuur 1). In de berekening: de onderkant van desmeltkroesDe PG-laag bevindt zich op 90 mm afstand van de onderkant van de zijverwarmer, de boventemperatuur van de smeltkroes is 2100 ℃, de deeltjesdiameter van het ruwe materiaal is 1000 μm, de porositeit is 0,6, de groeidruk is 300 Pa en de groeitijd is 100 uur. De PG-laag heeft een dikte van 5 mm, een diameter gelijk aan de binnendiameter van de smeltkroes en bevindt zich 30 mm boven het ruwe materiaal. In de berekening wordt rekening gehouden met de sublimatie-, carbonisatie- en herkristallisatieprocessen van de ruwe materiaalzone, maar niet met de reactie tussen de PG-laag en gasvormige stoffen. De voor de berekening relevante fysische eigenschappen zijn weergegeven in Tabel 1.
Figuur 1 Simulatieberekeningsmodel. (a) Thermisch veldmodel voor kristalgroeisimulatie; (b) Indeling van het interne gebied van de smeltkroes en bijbehorende fysische problemen
Tabel 1 Enkele fysische parameters die in de berekening zijn gebruikt.
Figuur 2(a) laat zien dat de temperatuur van de PG-houdende 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-isolator. Volgens figuren 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 kiemkristal van structuur 1 groter is. Dit kan worden veroorzaakt door de verschillende verhoudingen van de verschillende warmteoverdrachtsmechanismen, waardoor het kristal met een convexe interface kan groeien. In figuur 2(d) is te zien dat de temperatuur op verschillende posities in de smeltkroes een stijgende trend vertoont naarmate de groei vordert, maar het temperatuurverschil tussen structuur 0 en structuur 1 neemt geleidelijk af in de grondstofzone en geleidelijk toe in de groeikamer.
Figuur 2 Temperatuurverdeling en -veranderingen in de smeltkroes. (a) Temperatuurverdeling in de smeltkroes van structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) na 0 uur, eenheid: ℃; (b) Temperatuurverdeling op de middellijn van de smeltkroes van structuur 0 en structuur 1 vanaf de bodem van het ruwe materiaal tot het zaadkristal na 0 uur; (c) Temperatuurverdeling van het midden naar de rand van de smeltkroes op het oppervlak van het zaadkristal (A) en het oppervlak van het ruwe materiaal (B), het midden (C) en de bodem (D) na 0 uur, waarbij de horizontale as r de straal van het zaadkristal is voor A en de straal van het ruwe materiaalgebied voor B~D; (d) Temperatuurveranderingen in het midden van het bovenste deel (A), het oppervlak van het ruwe materiaal (B) en het midden (C) van de groeikamer van structuur 0 en structuur 1 na 0, 30, 60 en 100 uur.
Figuur 3 toont het materiaaltransport op verschillende tijdstippen in de smeltkroes van structuur 0 en structuur 1. De gasfase-materiaalstroom in het grondstofgebied en de groeikamer neemt toe met 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 smeltkroes en vervolgens op de bodem. Daarnaast vindt er herkristallisatie plaats op het oppervlak van de grondstof, dat geleidelijk dikker wordt naarmate de groei vordert. Figuren 4(a) en 4(b) tonen aan dat de materiaalstroom in de grondstof afneemt naarmate de groei vordert, en dat de materiaalstroom na 100 uur ongeveer 50% van de beginwaarde bedraagt. De stroom is echter relatief groot aan de rand vanwege de grafitisatie van de grondstof, en is na 100 uur meer dan tien keer zo groot als in het midden. 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) is te zien dat de materiaalstroom in zowel het grondstofgebied als de groeikamer geleidelijk afneemt naarmate de groei vordert. De materiaalstroom in het grondstofgebied blijft afnemen, wat wordt veroorzaakt door de opening van het luchtstroomkanaal aan de rand van de smeltkroes en de belemmering van de herkristallisatie aan de bovenzijde. In de groeikamer neemt de materiaalstroom van structuur 0 in de eerste 30 uur snel af tot 16% en daalt daarna slechts met 3%, terwijl structuur 1 gedurende het gehele groeiproces relatief stabiel blijft. PG draagt dus bij aan de stabilisatie van de materiaalstroom in de groeikamer. Figuur 4(d) vergelijkt de materiaalstroom aan het kristalgroeifront. In de beginfase 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 een 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 gasvormig materiaaltransport in structuren 0 en 1 op verschillende tijdstippen, eenheid van de snelheidsvector: m/s.
Figuur 4 Veranderingen in de materiaalstroom. (a) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroom in het midden van het ruwe materiaal van structuur 0 na 0, 30, 60 en 100 uur, waarbij r de straal van het ruwe materiaalgebied is; (b) Veranderingen in de verdeling van de materiaalstroom in het midden van het ruwe materiaal van structuur 1 na 0, 30, 60 en 100 uur, waarbij r de straal van het ruwe materiaalgebied is; (c) Veranderingen in de materiaalstroom 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 materiaalstroom nabij het oppervlak van het zaadkristal van structuren 0 en 1 na 0 en 100 uur, waarbij r de straal van het zaadkristal is.
De C/Si-verhouding beïnvloedt de kristallijne stabiliteit en de defectdichtheid van SiC-kristalgroei. Figuur 5(a) vergelijkt de C/Si-verhoudingsverdeling van de twee structuren op het beginmoment. De C/Si-verhouding neemt geleidelijk af van de bodem naar de bovenkant van de smeltkroes, 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. Dit hangt samen met de stijging van de interne temperatuur in de latere groeifase, de verbetering van de grafitisatie van het ruwe materiaal 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 slechts licht verschillend boven PG (50 mm). Het verschil neemt geleidelijk toe naarmate het kristal wordt benaderd. Over het algemeen is de C/Si-verhouding van structuur 1 hoger, wat bijdraagt aan de stabilisatie van de kristalvorm en de kans op faseovergangen verkleint.
Figuur 5. Verspreiding en veranderingen van de C/Si-verhouding. (a) Verspreiding van de C/Si-verhouding in smeltkroezen van structuur 0 (links) en structuur 1 (rechts) na 0 uur; (b) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de middellijn van de smeltkroes van structuur 0 op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur); (c) C/Si-verhouding op verschillende afstanden van de middellijn van de smeltkroes van 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 middellijn van de smeltkroes van structuur 0 (doorgetrokken lijn) en structuur 1 (gestippelde lijn) op verschillende tijdstippen (0, 30, 60, 100 uur).
Figuur 6 toont de veranderingen in de 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 smeltkroeswand, terwijl de porositeit aan de rand blijft toenemen en de deeltjesdiameter blijft afnemen naarmate de groei vordert. De maximale porositeit aan de rand bedraagt ongeveer 0,99 na 100 uur, en de minimale deeltjesdiameter is ongeveer 300 μm. De deeltjesdiameter neemt toe en de porositeit neemt af op het bovenoppervlak 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, aangezien PG de temperatuur van het grondstofgebied verhoogt en de gasoververzadiging laag is, is de herkristallisatiedikte van het bovenste deel van de grondstof van structuur 1 klein, wat de benuttingsgraad van de grondstof verbetert.
Figuur 6. Veranderingen in de deeltjesdiameter (links) en porositeit (rechts) van het ruwe materiaalgebied van structuur 0 en structuur 1 op verschillende tijdstippen. Deeltjesdiameter: μm.
Figuur 7 laat zien dat structuur 0 aan het begin van de groei kromtrekt, wat mogelijk verband houdt met de te hoge materiaalstroom die wordt veroorzaakt door de grafitisatie van de rand van het ruwe materiaal. De mate van kromtrekking neemt af tijdens het daaropvolgende groeiproces, wat overeenkomt met de verandering in de materiaalstroom aan het begin van de kristalgroei van structuur 0 in figuur 4(d). In structuur 1 vertoont het kristalgrensvlak, dankzij het effect van PG, geen kromtrekking. Bovendien zorgt PG ervoor dat de groeisnelheid van structuur 1 aanzienlijk lager is dan die van structuur 0. De dikte van het kristalcentrum van structuur 1 na 100 uur is slechts 68% van die van structuur 0.
Figuur 7. Veranderingen in het grensvlak van kristallen met structuur 0 en structuur 1 na 30, 60 en 100 uur.
Kristalgroei werd uitgevoerd onder de procesomstandigheden van de numerieke simulatie. De kristallen die zijn gegroeid met 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 convexiteit van het oppervlak duidt op een zekere mate van inhomogeniteit in het transport van gasvormige materialen, en het optreden van de faseovergang komt overeen met de lage C/Si-verhouding. De interface van het kristal dat is gegroeid met structuur 1 is licht convex, er is geen faseovergang te vinden en de dikte bedraagt 65% van die 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, waardoor de snelle groei aan de rand wordt onderdrukt en de algehele materiaalstroom langzamer is. De algemene trend is consistent met de resultaten van de numerieke simulatie.
Figuur 8 SiC-kristallen gekweekt onder structuur 0 en structuur 1
Conclusie
PG draagt bij aan de verbetering van de algehele temperatuur in het gebied waar het ruwe materiaal zich bevindt en aan de verbetering van de axiale en radiale temperatuuruniformiteit, waardoor de volledige sublimatie en benutting van het ruwe materiaal wordt bevorderd. Het temperatuurverschil tussen de boven- en onderkant neemt toe, evenals de radiale gradiënt van het oppervlak van het zaadkristal, wat helpt om de convexe groei van het grensvlak te behouden. Wat betreft massatransport vermindert de introductie van PG de algehele massatransportsnelheid, de materiaalstroom in de groeikamer met PG verandert minder in de tijd en het gehele groeiproces is stabieler. Tegelijkertijd remt PG ook effectief het optreden van overmatig massatransport aan de randen. Bovendien verhoogt PG ook de C/Si-verhouding van de groeiomgeving, met name aan de voorrand van het grensvlak van het zaadkristal, wat helpt om faseveranderingen tijdens het groeiproces te verminderen. Tegelijkertijd vermindert het thermische isolerende effect van PG tot op zekere hoogte de herkristallisatie in het bovenste deel van het ruwe materiaal. Voor kristalgroei vertraagt PG de kristalgroeisnelheid, maar het groeigrensvlak wordt convexer. PG is daarom een effectief middel om de groeiomgeving van SiC-kristallen te verbeteren en de kristalkwaliteit te optimaliseren.
Geplaatst op: 18 juni 2024