Podstawowy procesSiCwzrost kryształu dzieli się na sublimację i rozkład surowców w wysokiej temperaturze, transport substancji fazy gazowej pod wpływem gradientu temperatury oraz wzrost rekrystalizacyjny substancji fazy gazowej w krysztale zarodkowym. Na tej podstawie wnętrze tygla dzieli się na trzy części: obszar surowca, komorę wzrostu i kryształ zarodkowy. Na podstawie rzeczywistego rezystancyjnego modelu symulacyjnego narysowano numeryczny modelSiCsprzęt do wzrostu pojedynczego kryształu (patrz rysunek 1). W obliczeniach: dnotygieljest 90 mm od dna bocznego podgrzewacza, górna temperatura tygla wynosi 2100 ℃, średnica cząstek surowca wynosi 1000 μm, porowatość wynosi 0,6, ciśnienie wzrostu wynosi 300 Pa, a czas wzrostu wynosi 100 h. Grubość PG wynosi 5 mm, średnica jest równa średnicy wewnętrznej tygla i znajduje się 30 mm nad surowcem. Procesy sublimacji, karbonizacji i rekrystalizacji strefy surowca są uwzględniane w obliczeniach, a reakcja między PG a substancjami fazy gazowej nie jest uwzględniana. Parametry właściwości fizycznych związane z obliczeniami przedstawiono w tabeli 1.
Rysunek 1 Model obliczeniowy symulacji. (a) Model pola cieplnego do symulacji wzrostu kryształów; (b) Podział powierzchni wewnętrznej tygla i związane z nim problemy fizyczne
Tabela 1 Niektóre parametry fizyczne wykorzystane w obliczeniach
Rysunek 2(a) pokazuje, że temperatura struktury zawierającej PG (oznaczonej jako struktura 1) jest wyższa niż temperatura struktury bez PG (oznaczonej jako struktura 0) poniżej PG i niższa niż temperatura struktury 0 powyżej PG. Całkowity gradient temperatury wzrasta, a PG działa jako środek termoizolacyjny. Zgodnie z rysunkami 2(b) i 2(c) osiowe i promieniowe gradienty temperatury struktury 1 w strefie surowca są mniejsze, rozkład temperatury jest bardziej równomierny, a sublimacja materiału jest bardziej kompletna. W przeciwieństwie do strefy surowca, rysunek 2(c) pokazuje, że promieniowy gradient temperatury w krysztale zarodkowym struktury 1 jest większy, co może być spowodowane różnymi proporcjami różnych trybów przenoszenia ciepła, co pomaga kryształowi rosnąć z wypukłym interfejsem. Na rysunku 2(d) temperatura w różnych miejscach tygla wykazuje tendencję wzrostową w miarę postępu wzrostu, ale różnica temperatur między strukturą 0 i strukturą 1 stopniowo maleje w strefie surowca i stopniowo rośnie w komorze wzrostu.
Rysunek 2 Rozkład temperatury i zmiany w tyglu. (a) Rozkład temperatury wewnątrz tygla struktury 0 (po lewej) i struktury 1 (po prawej) po 0 h, jednostka: ℃; (b) Rozkład temperatury na linii środkowej tygla struktury 0 i struktury 1 od dna surowca do kryształu zarodkowego po 0 h; (c) Rozkład temperatury od środka do krawędzi tygla na powierzchni kryształu zarodkowego (A) i powierzchni surowca (B), środku (C) i dnie (D) po 0 h, oś pozioma r jest promieniem kryształu zarodkowego dla A i promieniem obszaru surowca dla B~D; (d) Zmiany temperatury w środku górnej części (A), powierzchni surowca (B) i środku (C) komory wzrostu struktury 0 i struktury 1 po 0, 30, 60 i 100 h.
Rysunek 3 przedstawia transport materiału w różnych momentach w tyglu struktury 0 i struktury 1. Szybkość przepływu materiału fazy gazowej w obszarze surowca i komorze wzrostu wzrasta wraz ze wzrostem położenia, a transport materiału słabnie w miarę postępu wzrostu. Rysunek 3 pokazuje również, że w warunkach symulacji surowiec najpierw grafituje na ścianie bocznej tygla, a następnie na dnie tygla. Ponadto na powierzchni surowca następuje rekrystalizacja, która stopniowo gęstnieje w miarę postępu wzrostu. Rysunki 4(a) i 4(b) pokazują, że szybkość przepływu materiału wewnątrz surowca maleje w miarę postępu wzrostu, a szybkość przepływu materiału po 100 h wynosi około 50% momentu początkowego; jednak szybkość przepływu jest stosunkowo duża na krawędzi ze względu na grafityzację surowca, a szybkość przepływu na krawędzi jest ponad 10 razy większa od szybkości przepływu w obszarze środkowym po 100 h; ponadto wpływ PG w strukturze 1 sprawia, że natężenie przepływu materiału w obszarze surowca struktury 1 jest niższe niż w strukturze 0. Na rysunku 4(c) przepływ materiału zarówno w obszarze surowca, jak i w komorze wzrostu stopniowo słabnie w miarę postępu wzrostu, a przepływ materiału w obszarze surowca nadal maleje, co jest spowodowane otwarciem kanału przepływu powietrza na krawędzi tygla i zablokowaniem rekrystalizacji na górze; w komorze wzrostu natężenie przepływu materiału struktury 0 szybko spada w początkowych 30 h do 16% i spada tylko o 3% w późniejszym czasie, podczas gdy struktura 1 pozostaje stosunkowo stabilna przez cały proces wzrostu. Dlatego PG pomaga ustabilizować natężenie przepływu materiału w komorze wzrostu. Rysunek 4(d) porównuje natężenie przepływu materiału na froncie wzrostu kryształu. W chwili początkowej i po 100 h transport materiału w strefie wzrostu struktury 0 jest silniejszy niż w strukturze 1, ale na krawędzi struktury 0 zawsze występuje obszar o dużej szybkości przepływu, co prowadzi do nadmiernego wzrostu na krawędzi. Obecność PG w strukturze 1 skutecznie tłumi to zjawisko.
Rysunek 3 Przepływ materiału w tyglu. Linie prądu (po lewej) i wektory prędkości (po prawej) transportu materiału gazowego w strukturach 0 i 1 w różnych momentach, jednostka wektora prędkości: m/s
Rysunek 4 Zmiany szybkości przepływu materiału. (a) Zmiany rozkładu szybkości przepływu materiału w środku surowca struktury 0 w godzinach 0, 30, 60 i 100, r jest promieniem obszaru surowca; (b) Zmiany rozkładu szybkości przepływu materiału w środku surowca struktury 1 w godzinach 0, 30, 60 i 100, r jest promieniem obszaru surowca; (c) Zmiany szybkości przepływu materiału wewnątrz komory wzrostu (A, B) i wewnątrz surowca (C, D) struktur 0 i 1 w czasie; (d) Rozkład szybkości przepływu materiału w pobliżu powierzchni kryształu zarodkowego struktur 0 i 1 w godzinach 0 i 100, r jest promieniem kryształu zarodkowego
C/Si wpływa na stabilność krystaliczną i gęstość defektów wzrostu kryształu SiC. Rysunek 5(a) porównuje rozkład stosunku C/Si obu struktur w momencie początkowym. Stosunek C/Si stopniowo maleje od dołu do góry tygla, a stosunek C/Si struktury 1 jest zawsze wyższy niż stosunek struktury 0 w różnych pozycjach. Rysunki 5(b) i 5(c) pokazują, że stosunek C/Si stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem, co jest związane ze wzrostem temperatury wewnętrznej w późniejszym etapie wzrostu, zwiększeniem grafityzacji surowca i reakcją składników Si w fazie gazowej z tyglem grafitowym. Na rysunku 5(d) stosunki C/Si struktury 0 i struktury 1 są dość różne poniżej PG (0, 25 mm), ale nieznacznie różne powyżej PG (50 mm), a różnica stopniowo wzrasta w miarę zbliżania się do kryształu. Ogólnie rzecz biorąc, stosunek C/Si w strukturze 1 jest wyższy, co pomaga ustabilizować formę krystaliczną i zmniejszyć prawdopodobieństwo przejścia fazowego.
Rysunek 5. Rozkład i zmiany stosunku C/Si. (a) Rozkład stosunku C/Si w tyglach struktury 0 (po lewej) i struktury 1 (po prawej) po 0 h; (b) Stosunek C/Si w różnych odległościach od linii środkowej tygla struktury 0 w różnych momentach (0, 30, 60, 100 h); (c) Stosunek C/Si w różnych odległościach od linii środkowej tygla struktury 1 w różnych momentach (0, 30, 60, 100 h); (d) Porównanie stosunku C/Si w różnych odległościach (0, 25, 50, 75, 100 mm) od linii środkowej tygla struktury 0 (linia ciągła) i struktury 1 (linia przerywana) w różnych momentach (0, 30, 60, 100 h).
Rysunek 6 przedstawia zmiany średnicy cząstek i porowatości obszarów surowca dwóch struktur. Rysunek pokazuje, że średnica surowca maleje, a porowatość wzrasta w pobliżu ściany tygla, a porowatość krawędziowa nadal wzrasta, a średnica cząstek nadal maleje w miarę postępu wzrostu. Maksymalna porowatość krawędziowa wynosi około 0,99 po 100 h, a minimalna średnica cząstek wynosi około 300 μm. Średnica cząstek wzrasta, a porowatość maleje na górnej powierzchni surowca, co odpowiada rekrystalizacji. Grubość obszaru rekrystalizacji wzrasta w miarę postępu wzrostu, a rozmiar cząstek i porowatość nadal się zmieniają. Maksymalna średnica cząstek osiąga ponad 1500 μm, a minimalna porowatość wynosi 0,13. Ponadto, ponieważ PG podwyższa temperaturę obszaru surowca, a przesycenie gazu jest niewielkie, grubość rekrystalizacji górnej części surowca w strukturze 1 jest mała, co poprawia stopień wykorzystania surowca.
Rysunek 6. Zmiany średnicy cząstek (po lewej) i porowatości (po prawej) obszaru surowca struktury 0 i struktury 1 w różnym czasie, jednostka średnicy cząstek: μm
Rysunek 7 pokazuje, że struktura 0 wypacza się na początku wzrostu, co może być związane z nadmierną szybkością przepływu materiału spowodowaną grafityzacją krawędzi surowca. Stopień wypaczenia jest osłabiany podczas późniejszego procesu wzrostu, co odpowiada zmianie szybkości przepływu materiału na froncie wzrostu kryształu struktury 0 na rysunku 4 (d). W strukturze 1, ze względu na działanie PG, interfejs kryształu nie wykazuje wypaczenia. Ponadto PG sprawia również, że szybkość wzrostu struktury 1 jest znacznie niższa niż struktury 0. Grubość środkowa kryształu struktury 1 po 100 h wynosi tylko 68% grubości struktury 0.
Rysunek 7 Zmiany interfejsu kryształów struktury 0 i struktury 1 po 30, 60 i 100 godzinach
Wzrost kryształów przeprowadzono w warunkach procesu symulacji numerycznej. Kryształy wyhodowane przez strukturę 0 i strukturę 1 pokazano odpowiednio na rysunku 8(a) i rysunku 8(b). Kryształ struktury 0 wykazuje wklęsły interfejs, z falistością w obszarze centralnym i przejściem fazowym na krawędzi. Wypukłość powierzchni reprezentuje pewien stopień niejednorodności w transporcie materiałów w fazie gazowej, a występowanie przejścia fazowego odpowiada niskiemu stosunkowi C/Si. Interfejs kryształu wyhodowanego przez strukturę 1 jest lekko wypukły, nie stwierdzono przejścia fazowego, a grubość wynosi 65% grubości kryształu bez PG. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wzrostu kryształów odpowiadają wynikom symulacji, przy większej różnicy temperatur promieniowych na interfejsie kryształu struktury 1, szybki wzrost na krawędzi jest tłumiony, a ogólna szybkość przepływu materiału jest wolniejsza. Ogólny trend jest zgodny z wynikami symulacji numerycznej.
Rysunek 8 Kryształy SiC wyhodowane pod strukturą 0 i strukturą 1
Wniosek
PG sprzyja poprawie ogólnej temperatury obszaru surowca i poprawie jednorodności temperatury osiowej i promieniowej, promując pełną sublimację i wykorzystanie surowca; różnica temperatur u góry i u dołu wzrasta, a gradient promieniowy powierzchni kryształu zarodkowego wzrasta, co pomaga utrzymać wzrost wypukłego interfejsu. Pod względem przenoszenia masy wprowadzenie PG zmniejsza ogólną szybkość przenoszenia masy, szybkość przepływu materiału w komorze wzrostu zawierającej PG zmienia się mniej w czasie, a cały proces wzrostu jest bardziej stabilny. Jednocześnie PG skutecznie hamuje występowanie nadmiernego przenoszenia masy krawędziowej. Ponadto PG zwiększa również stosunek C/Si środowiska wzrostu, szczególnie na przedniej krawędzi interfejsu kryształu zarodkowego, co pomaga zmniejszyć występowanie zmiany fazy podczas procesu wzrostu. Jednocześnie efekt izolacji cieplnej PG zmniejsza występowanie rekrystalizacji w górnej części surowca do pewnego stopnia. W przypadku wzrostu kryształów PG spowalnia szybkość wzrostu kryształów, ale interfejs wzrostu jest bardziej wypukły. Dlatego PG jest skutecznym sposobem na poprawę środowiska wzrostu kryształów SiC i optymalizację jakości kryształów.
Czas publikacji: 18-06-2024