Основной процессSiCРост кристаллов подразделяется на сублимацию и разложение исходных материалов при высокой температуре, перенос веществ в газовой фазе под действием температурного градиента и рекристаллизационное выращивание веществ в газовой фазе на затравке. Исходя из этого, внутреннее пространство тигля разделено на три части: зону исходных материалов, камеру роста и затравку. На основе реальных данных по сопротивлению была построена численная имитационная модель.SiCОборудование для выращивания монокристаллов (см. рис. 1). В расчете: нижняя частьтигельТолщина слоя PG составляет 90 мм от дна бокового нагревателя, температура верхней части тигля — 2100 ℃, диаметр частиц сырья — 1000 мкм, пористость — 0,6, давление роста — 300 Па, время роста — 100 ч. Толщина слоя PG составляет 5 мм, диаметр равен внутреннему диаметру тигля, и он расположен на высоте 30 мм над сырьем. В расчете учитываются процессы сублимации, карбонизации и рекристаллизации в зоне сырья, а реакция между PG и газообразными веществами не учитывается. Физические свойства, необходимые для расчета, приведены в таблице 1.
Рисунок 1. Модель расчета моделирования. (а) Модель теплового поля для моделирования роста кристаллов; (б) Разделение внутренней площади тигля и связанные с этим физические задачи.
Таблица 1. Некоторые физические параметры, использованные в расчете.
На рисунке 2(а) показано, что температура структуры, содержащей ПГ (обозначенной как структура 1), выше, чем температура структуры без ПГ (обозначенной как структура 0) ниже ПГ, и ниже, чем температура структуры 0 выше ПГ. Общий температурный градиент увеличивается, и ПГ действует как теплоизолирующий агент. Согласно рисункам 2(б) и 2(в), осевой и радиальный температурные градиенты структуры 1 в зоне исходного материала меньше, распределение температуры более равномерное, а сублимация материала более полная. В отличие от зоны исходного материала, на рисунке 2(в) показано, что радиальный температурный градиент в затравочном кристалле структуры 1 больше, что может быть вызвано различным соотношением различных режимов теплопередачи, что способствует росту кристалла с выпуклой границей раздела. На рисунке 2(г) температура в разных точках тигля демонстрирует тенденцию к увеличению по мере роста, но разница температур между структурой 0 и структурой 1 постепенно уменьшается в зоне исходного материала и постепенно увеличивается в камере роста.
Рисунок 2. Распределение и изменение температуры в тигле. (a) Распределение температуры внутри тигля структуры 0 (слева) и структуры 1 (справа) в момент времени 0 ч, единица измерения: ℃; (b) Распределение температуры по центральной линии тигля структуры 0 и структуры 1 от дна исходного материала до затравки в момент времени 0 ч; (c) Распределение температуры от центра к краю тигля на поверхности затравки (A) и поверхности исходного материала (B), в середине (C) и внизу (D) в момент времени 0 ч, горизонтальная ось r — радиус затравки для A, а радиус площади исходного материала для B~D; (d) Изменение температуры в центре верхней части (A), на поверхности исходного материала (B) и в середине (C) камеры роста структуры 0 и структуры 1 в моменты времени 0, 30, 60 и 100 ч.
На рисунке 3 показан перенос материала в тиглях структур 0 и 1 в разные моменты времени. Скорость потока газообразного материала в области исходного материала и камере роста увеличивается с увеличением положения, а перенос материала ослабевает по мере развития роста. На рисунке 3 также показано, что в условиях моделирования исходный материал сначала графитизируется на боковой стенке тигля, а затем на его дне. Кроме того, на поверхности исходного материала происходит рекристаллизация, и он постепенно утолщается по мере развития роста. На рисунках 4(а) и 4(б) показано, что скорость потока материала внутри исходного материала уменьшается по мере развития роста, и скорость потока материала через 100 ч составляет около 50% от начального момента; однако скорость потока относительно велика на краю из-за графитизации исходного материала, и скорость потока на краю более чем в 10 раз превышает скорость потока в средней области через 100 ч; Кроме того, эффект ПГ в структуре 1 приводит к тому, что скорость потока материала в области исходного материала структуры 1 ниже, чем в структуре 0. На рисунке 4(c) видно, что поток материала как в области исходного материала, так и в камере роста постепенно ослабевает по мере роста, при этом поток материала в области исходного материала продолжает уменьшаться, что вызвано открытием канала для воздушного потока на краю тигля и препятствием рекристаллизации в верхней части; в камере роста скорость потока материала структуры 0 быстро снижается в первые 30 часов до 16%, а затем уменьшается всего на 3%, в то время как структура 1 остается относительно стабильной на протяжении всего процесса роста. Таким образом, ПГ способствует стабилизации скорости потока материала в камере роста. На рисунке 4(d) сравнивается скорость потока материала на фронте роста кристалла. В начальный момент и через 100 часов перенос материала в зоне роста структуры 0 сильнее, чем в структуре 1, но на краю структуры 0 всегда присутствует зона с высокой скоростью потока, что приводит к чрезмерному росту на краю. Присутствие ПГ в структуре 1 эффективно подавляет это явление.
Рисунок 3. Поток вещества в тигле. Линии тока (слева) и векторы скорости (справа) переноса газообразного вещества в структурах 0 и 1 в разные моменты времени, единица измерения вектора скорости: м/с.
Рисунок 4. Изменения скорости потока материала. (а) Изменения распределения скорости потока материала в середине исходного материала структуры 0 через 0, 30, 60 и 100 ч, r — радиус области исходного материала; (б) Изменения распределения скорости потока материала в середине исходного материала структуры 1 через 0, 30, 60 и 100 ч, r — радиус области исходного материала; (в) Изменения скорости потока материала внутри камеры роста (A, B) и внутри исходного материала (C, D) структур 0 и 1 с течением времени; (г) Распределение скорости потока материала вблизи поверхности затравки структур 0 и 1 через 0 и 100 ч, r — радиус затравки.
Соотношение C/Si влияет на кристаллическую стабильность и плотность дефектов при росте кристаллов SiC. На рисунке 5(а) сравнивается распределение соотношения C/Si для двух структур в начальный момент времени. Соотношение C/Si постепенно уменьшается от дна к вершине тигля, и соотношение C/Si структуры 1 всегда выше, чем у структуры 0 в разных положениях. На рисунках 5(б) и 5(в) показано, что соотношение C/Si постепенно увеличивается по мере роста, что связано с повышением внутренней температуры на более поздней стадии роста, усилением графитизации исходного материала и реакцией компонентов Si в газовой фазе с графитовым тиглем. На рисунке 5(г) соотношения C/Si структуры 0 и структуры 1 значительно различаются ниже PG (0, 25 мм), но незначительно различаются выше PG (50 мм), и разница постепенно увеличивается по мере приближения к кристаллу. В целом, соотношение C/Si структуры 1 выше, что способствует стабилизации кристаллической формы и снижению вероятности фазового перехода.
Рисунок 5. Распределение и изменения отношения C/Si. (a) Распределение отношения C/Si в тиглях структуры 0 (слева) и структуры 1 (справа) в момент времени 0 ч; (b) отношение C/Si на разных расстояниях от центральной линии тигля структуры 0 в разные моменты времени (0, 30, 60, 100 ч); (c) отношение C/Si на разных расстояниях от центральной линии тигля структуры 1 в разные моменты времени (0, 30, 60, 100 ч); (d) Сравнение отношения C/Si на разных расстояниях (0, 25, 50, 75, 100 мм) от центральной линии тигля структуры 0 (сплошная линия) и структуры 1 (пунктирная линия) в разные моменты времени (0, 30, 60, 100 ч).
На рисунке 6 показаны изменения диаметра частиц и пористости в областях исходного материала двух структур. Рисунок показывает, что диаметр исходного материала уменьшается, а пористость увеличивается вблизи стенки тигля, при этом краевая пористость продолжает увеличиваться, а диаметр частиц продолжает уменьшаться по мере роста. Максимальная краевая пористость составляет около 0,99 через 100 ч, а минимальный диаметр частиц — около 300 мкм. Диаметр частиц увеличивается, а пористость уменьшается на верхней поверхности исходного материала, что соответствует рекристаллизации. Толщина зоны рекристаллизации увеличивается по мере роста, а размер частиц и пористость продолжают изменяться. Максимальный диаметр частиц достигает более 1500 мкм, а минимальная пористость составляет 0,13. Кроме того, поскольку ПГ повышает температуру в области исходного материала, а пересыщение газа невелико, толщина зоны рекристаллизации в верхней части исходного материала структуры 1 невелика, что повышает коэффициент использования исходного материала.
Рисунок 6. Изменения диаметра частиц (слева) и пористости (справа) исходного материала структуры 0 и структуры 1 в разные моменты времени, единица измерения диаметра частиц: мкм.
На рисунке 7 показано, что структура 0 деформируется в начале роста, что может быть связано с чрезмерной скоростью потока материала, вызванной графитизацией края исходного материала. Степень деформации ослабевает в процессе последующего роста, что соответствует изменению скорости потока материала на переднем крае роста кристалла структуры 0 на рисунке 4 (d). В структуре 1, благодаря эффекту ПГ, граница кристалла не деформируется. Кроме того, ПГ также значительно снижает скорость роста структуры 1 по сравнению со структурой 0. Толщина в центре кристалла структуры 1 после 100 ч составляет всего 68% от толщины структуры 0.
Рисунок 7. Изменения межфазной границы кристаллов структуры 0 и структуры 1 через 30, 60 и 100 ч.
Выращивание кристаллов проводилось в условиях процесса численного моделирования. Кристаллы, выращенные по структуре 0 и структуре 1, показаны на рисунках 8(а) и 8(б) соответственно. Кристалл структуры 0 имеет вогнутую границу раздела с неровностями в центральной области и фазовым переходом на краю. Выпуклость поверхности указывает на определенную степень неоднородности в переносе газообразных материалов, а возникновение фазового перехода соответствует низкому соотношению C/Si. Граница раздела кристалла, выращенного по структуре 1, слегка выпуклая, фазового перехода не обнаружено, а толщина составляет 65% от толщины кристалла без PG. В целом, результаты выращивания кристаллов соответствуют результатам моделирования, при этом на границе раздела кристалла структуры 1 наблюдается большая радиальная разница температур, быстрый рост на краю подавляется, а общая скорость потока материала ниже. Общая тенденция согласуется с результатами численного моделирования.
Рисунок 8. Кристаллы SiC, выращенные в условиях структуры 0 и структуры 1.
Заключение
PG способствует улучшению общей температуры в области исходного материала и повышению равномерности осевой и радиальной температуры, способствуя полной сублимации и использованию исходного материала; увеличивается разница температур сверху и снизу, а также радиальный градиент поверхности затравочного кристалла, что помогает поддерживать рост с выпуклой границей раздела. С точки зрения массопереноса, введение PG снижает общую скорость массопереноса, скорость потока материала в камере роста, содержащей PG, изменяется меньше со временем, и весь процесс роста становится более стабильным. В то же время PG также эффективно подавляет возникновение чрезмерного краевого массопереноса. Кроме того, PG также увеличивает соотношение C/Si в среде роста, особенно на переднем крае границы раздела затравочного кристалла, что помогает уменьшить возникновение фазовых переходов в процессе роста. В то же время, теплоизоляционный эффект PG в определенной степени снижает вероятность рекристаллизации в верхней части исходного материала. Что касается роста кристаллов, PG замедляет скорость роста кристаллов, но граница раздела становится более выпуклой. Таким образом, ПГ является эффективным средством для улучшения условий роста кристаллов SiC и оптимизации их качества.
Дата публикации: 18 июня 2024 г.