Podstawowy procesSiCWzrost kryształów 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 podzielono na trzy części: obszar surowca, komorę wzrostu i kryształ zarodkowy. Na podstawie rzeczywistego rezystancyjnego modelu opracowano model symulacji numerycznej.SiCsprzęt do wzrostu monokryształów (patrz rysunek 1). W obliczeniach: dnotygielznajduje się w odległości 90 mm od dna podgrzewacza bocznego, temperatura w górnej części tygla wynosi 2100°C, średnica cząstek surowca wynosi 1000 μm, porowatość wynosi 0,6, ciśnienie wzrostu wynosi 300 Pa, a czas wzrostu wynosi 100 godzin. Grubość PG wynosi 5 mm, średnica jest równa średnicy wewnętrznej tygla i znajduje się on 30 mm nad surowcem. W obliczeniach uwzględniono procesy sublimacji, karbonizacji i rekrystalizacji w strefie surowca, a reakcja między PG a substancjami w fazie gazowej nie jest uwzględniona. Parametry właściwości fizycznych związane z obliczeniami przedstawiono w tabeli 1.
Rysunek 1 Model obliczeniowy symulacji. (a) Model pola termicznego do symulacji wzrostu kryształów; (b) Podział powierzchni wewnętrznej tygla i związane z tym problemy fizyczne
Tabela 1 Niektóre parametry fizyczne stosowane 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 materiał termoizolacyjny. Zgodnie z rysunkami 2(b) i 2(c), osiowy i promieniowy gradient temperatury struktury 1 w strefie surowca jest mniejszy, 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 wymiany ciepła, co sprzyja wzrostowi kryształu 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 wzrasta 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) w godzinie 0, jednostka: ℃; (b) Rozkład temperatury na linii środkowej tygla struktury 0 i struktury 1 od dna surowca do kryształu zaszczepiającego w godzinie 0; (c) Rozkład temperatury od środka do krawędzi tygla na powierzchni kryształu zaszczepiającego (A) i powierzchni surowca (B), środku (C) i dnie (D) w godzinie 0, oś pozioma r jest promieniem kryształu zaszczepiającego 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 w godzinach 0, 30, 60 i 100.
Rysunek 3 przedstawia transport materiału w różnych momentach w tyglu struktury 0 i struktury 1. Natężenie przepływu materiału fazy gazowej w obszarze surowca i komory 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 bocznej ścianie tygla, a następnie na jego dnie. Ponadto na powierzchni surowca następuje rekrystalizacja, która stopniowo gęstnieje w miarę postępu wzrostu. Rysunki 4(a) i 4(b) pokazują, że natężenie przepływu materiału wewnątrz surowca maleje w miarę postępu wzrostu, a natężenie przepływu materiału po 100 h wynosi około 50% momentu początkowego; jednak natężenie przepływu jest stosunkowo duże na krawędzi ze względu na grafityzację surowca, a natężenie przepływu na krawędzi jest ponad 10 razy większe niż natężenie przepływu w obszarze środkowym po 100 h; Ponadto, wpływ PG w strukturze 1 powoduje, 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 wraz z postępem wzrostu, a przepływ materiału w obszarze surowca nadal spada, co jest spowodowane otwarciem kanału przepływu powietrza na krawędzi tygla i zablokowaniem rekrystalizacji u góry; w komorze wzrostu natężenie przepływu materiału struktury 0 gwałtownie spada w ciągu pierwszych 30 godzin do 16% i zmniejsza się tylko o 3% w późniejszym czasie, podczas gdy struktura 1 pozostaje względnie stabilna przez cały proces wzrostu. Zatem PG pomaga ustabilizować natężenie przepływu materiału w komorze wzrostu. Rysunek 4(d) porównuje natężenie przepływu materiału na froncie wzrostu kryształów. W chwili początkowej i po 100 godzinach transport materiału w strefie wzrostu struktury 0 jest silniejszy niż w strukturze 1, ale na krawędzi struktury 0 zawsze występuje obszar o dużej prędkości 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 h, r jest promieniem obszaru surowca; (b) Zmiany rozkładu szybkości przepływu materiału w środku surowca struktury 1 w godzinach 0, 30, 60 i 100 h, 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 h, r jest promieniem kryształu zarodkowego
C/Si wpływa na stabilność krystaliczną i gęstość defektów w procesie wzrostu kryształów SiC. Rysunek 5(a) porównuje rozkład stosunku C/Si dla 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 w strukturze 0 w różnych pozycjach. Rysunki 5(b) i 5(c) pokazują, że stosunek C/Si stopniowo rośnie wraz ze wzrostem, co jest związane ze wzrostem temperatury wewnętrznej w późniejszej fazie wzrostu, intensyfikacją grafityzacji surowca oraz reakcją składników Si w fazie gazowej z tyglem grafitowym. Na rysunku 5(d) stosunki C/Si dla struktury 0 i struktury 1 są dość różne poniżej PG (0, 25 mm), ale nieznacznie różne powyżej PG (50 mm), a różnica ta stopniowo rośnie w miarę zbliżania się do kryształu. Ogólnie rzecz biorąc, stosunek C/Si struktury 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 w obu strukturach. Rysunek pokazuje, że średnica surowca maleje, a porowatość rośnie w pobliżu ścianki tygla, a porowatość krawędziowa nadal rośnie, a średnica cząstek maleje wraz z postępem wzrostu. Maksymalna porowatość krawędziowa wynosi około 0,99 po 100 h, a minimalna średnica cząstek wynosi około 300 μm. Średnica cząstek rośnie, a porowatość maleje na górnej powierzchni surowca, co odpowiada rekrystalizacji. Grubość obszaru rekrystalizacji rośnie wraz z postępem 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 gazem jest niewielkie, grubość rekrystalizacji górnej części surowca struktury 1 jest mała, co poprawia wskaźnik wykorzystania surowca.
Rysunek 6. Zmiany średnicy cząstek (po lewej) i porowatości (po prawej) obszaru surowca struktury 0 i struktury 1 w różnych momentach czasowych, jednostka średnicy cząstek: μm
Rysunek 7 pokazuje, że struktura 0 odkształca się na początku wzrostu, co może być związane z nadmiernym przepływem materiału spowodowanym grafityzacją krawędzi surowca. Stopień odkształcania ulega osłabieniu w trakcie późniejszego procesu wzrostu, co odpowiada zmianie przepływu materiału na froncie wzrostu kryształu struktury 0 na rysunku 4 (d). W strukturze 1, dzięki działaniu PG, powierzchnia międzykrystaliczna kryształu nie ulega odkształceniu. Ponadto PG powoduje również, że tempo wzrostu struktury 1 jest znacznie niższe niż w przypadku struktury 0. Grubość kryształu struktury 1 po 100 godzinach wynosi zaledwie 68% grubości struktury 0.
Rysunek 7 Zmiany interfejsu kryształów struktury 0 i struktury 1 po 30, 60 i 100 h
Wzrost kryształów przeprowadzono w warunkach symulacji numerycznej. Kryształy wyhodowane przez strukturę 0 i strukturę 1 przedstawiono odpowiednio na rysunku 8(a) i rysunku 8(b). Kryształ struktury 0 charakteryzuje się wklęsłą powierzchnią międzyfazową, falistością w części centralnej i przejściem fazowym na krawędzi. Wypukłość powierzchni odzwierciedla pewien stopień niejednorodności w transporcie materiałów w fazie gazowej, a występowanie przejścia fazowego odpowiada niskiemu stosunkowi C/Si. Powierzchnia międzyfazowa kryształu wyhodowanego przez strukturę 1 jest lekko wypukła, nie obserwuje się przejścia fazowego, a grubość kryształu wynosi 65% grubości kryształu bez PG. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wzrostu kryształów odpowiadają wynikom symulacji, przy czym przy większej radialnej różnicy temperatur na powierzchni międzyfazowej kryształu struktury 1, szybki wzrost na krawędzi jest zahamowany, a ogólna prędkość 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 w obszarze surowca oraz poprawie jednorodności temperatury osiowej i promieniowej, co sprzyja pełnej sublimacji i wykorzystaniu surowca; wzrasta różnica temperatur między górną a dolną krawędzią, a także wzrasta radialny gradient powierzchni zarodka kryształu, co pomaga utrzymać wypukły wzrost powierzchni międzyfazowej. Pod względem transportu masy, wprowadzenie PG zmniejsza całkowitą szybkość transportu masy, natężenie 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 krawędziowego transportu masy. Ponadto PG zwiększa również stosunek C/Si w środowisku wzrostu, szczególnie na przedniej krawędzi powierzchni międzyfazowej zarodka kryształu, co pomaga ograniczyć występowanie przemian fazowych podczas procesu wzrostu. Jednocześnie efekt izolacji termicznej PG w pewnym stopniu ogranicza występowanie rekrystalizacji w górnej części surowca. W przypadku wzrostu kryształów PG spowalnia tempo wzrostu kryształów, ale powierzchnia międzyfazowa wzrostu jest bardziej wypukła. Dlatego PG jest skutecznym sposobem na poprawę środowiska wzrostu kryształów SiC i optymalizację jakości kryształów.
Czas publikacji: 18-06-2024