Osnovni postopekSiCRast kristalov je razdeljena na sublimacijo in razgradnjo surovin pri visoki temperaturi, transport snovi v plinski fazi pod vplivom temperaturnega gradienta in rekristalizacijsko rast snovi v plinski fazi na kalilnem kristalu. Na podlagi tega je notranjost lončka razdeljena na tri dele: območje surovin, rastno komoro in kalilni kristal. Na podlagi dejanske upornosti je bil narisan numerični simulacijski model.SiCoprema za rast monokristalov (glej sliko 1). Pri izračunu: dnolončekje 90 mm oddaljen od dna stranskega grelnika, zgornja temperatura lončka je 2100 ℃, premer delcev surovine je 1000 μm, poroznost je 0,6, rastni tlak je 300 Pa, čas rasti pa 100 ur. Debelina PG je 5 mm, premer je enak notranjemu premeru lončka in se nahaja 30 mm nad surovino. Pri izračunu so upoštevani procesi sublimacije, karbonizacije in rekristalizacije območja surovine, reakcija med PG in snovmi v plinski fazi pa ni upoštevana. Z izračunom povezani parametri fizikalnih lastnosti so prikazani v tabeli 1.
Slika 1 Simulacijski računski model. (a) Model toplotnega polja za simulacijo rasti kristalov; (b) Razdelitev notranje površine lončka in s tem povezani fizikalni problemi
Tabela 1 Nekateri fizikalni parametri, uporabljeni pri izračunu
Slika 2(a) kaže, da je temperatura strukture, ki vsebuje PG (označene kot struktura 1), višja od temperature strukture brez PG (označene kot struktura 0) pod PG in nižja od temperature strukture 0 nad PG. Skupni temperaturni gradient se poveča, PG pa deluje kot toplotnoizolacijsko sredstvo. Glede na sliki 2(b) in 2(c) sta aksialni in radialni temperaturni gradient strukture 1 v območju surovine manjša, porazdelitev temperature je bolj enakomerna in sublimacija materiala je popolnejša. Za razliko od območja surovine slika 2(c) kaže, da je radialni temperaturni gradient pri semenskem kristalu strukture 1 večji, kar je lahko posledica različnih razmerij različnih načinov prenosa toplote, kar pomaga kristalu rasti s konveksnim vmesnikom. Na sliki 2(d) temperatura na različnih položajih v lončku kaže naraščajoč trend z napredovanjem rasti, vendar se temperaturna razlika med strukturo 0 in strukturo 1 v območju surovine postopoma zmanjšuje in v rastni komori postopoma povečuje.
Slika 2 Porazdelitev temperature in spremembe v lončku. (a) Porazdelitev temperature znotraj lončka strukture 0 (levo) in strukture 1 (desno) pri 0 h, enota: ℃; (b) Porazdelitev temperature na središčnici lončka strukture 0 in strukture 1 od dna surovine do kalnega kristala pri 0 h; (c) Porazdelitev temperature od središča do roba lončka na površini kalnega kristala (A) in površini surovine (B), sredini (C) in dnu (D) pri 0 h, vodoravna os r je polmer kalnega kristala za A in polmer površine surovine za B~D; (d) Spremembe temperature v središču zgornjega dela (A), na površini surovine (B) in na sredini (C) rastne komore strukture 0 in strukture 1 pri 0, 30, 60 in 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materiala v različnih časih v lončku strukture 0 in strukture 1. Pretok plinske faze v območju surovine in rastni komori se povečuje z naraščanjem položaja, transport materiala pa se z napredovanjem rasti slabi. Slika 3 tudi kaže, da se surovina v simulacijskih pogojih najprej grafitizira na stranski steni lončka in nato na dnu lončka. Poleg tega pride do rekristalizacije na površini surovine, ki se postopoma zgosti z napredovanjem rasti. Sliki 4(a) in 4(b) kažeta, da se pretok materiala v surovini z napredovanjem rasti zmanjšuje, pretok materiala pri 100 urah pa znaša približno 50 % začetnega trenutka; vendar je pretok na robu relativno velik zaradi grafitizacije surovine, pretok na robu pa je več kot 10-krat večji od pretoka v srednjem območju pri 100 urah; Poleg tega učinek PG v strukturi 1 zmanjša pretok materiala v območju surovine strukture 1 v primerjavi s strukturo 0. Na sliki 4(c) se pretok materiala tako v območju surovine kot v rastni komori postopoma zmanjšuje z napredovanjem rasti, pretok materiala v območju surovine pa se še naprej zmanjšuje, kar je posledica odprtja kanala za pretok zraka na robu lončka in oviranja rekristalizacije na vrhu; v rastni komori se pretok materiala strukture 0 v prvih 30 urah hitro zmanjša na 16 %, v nadaljnjem času pa se zmanjša le za 3 %, medtem ko struktura 1 ostane relativno stabilna skozi ves proces rasti. Zato PG pomaga stabilizirati pretok materiala v rastni komori. Slika 4(d) primerja pretok materiala na fronti rasti kristalov. V začetnem trenutku in po 100 urah je transport materiala v rastni coni strukture 0 močnejši kot v strukturi 1, vendar je na robu strukture 0 vedno območje z visoko hitrostjo pretoka, kar vodi do prekomerne rasti na robu. Prisotnost PG v strukturi 1 ta pojav učinkovito zavira.
Slika 3 Tok materiala v lončku. Linije toka (levo) in vektorji hitrosti (desno) transporta plinastega materiala v strukturah 0 in 1 v različnih časih, enota vektorja hitrosti: m/s
Slika 4 Spremembe pretoka materiala. (a) Spremembe porazdelitve pretoka materiala na sredini surovine strukture 0 pri 0, 30, 60 in 100 h, r je polmer območja surovine; (b) Spremembe porazdelitve pretoka materiala na sredini surovine strukture 1 pri 0, 30, 60 in 100 h, r je polmer območja surovine; (c) Spremembe pretoka materiala znotraj rastne komore (A, B) in znotraj surovine (C, D) struktur 0 in 1 skozi čas; (d) Porazdelitev pretoka materiala v bližini površine kalilnega kristala struktur 0 in 1 pri 0 in 100 h, r je polmer kalilnega kristala
C/Si vpliva na kristalno stabilnost in gostoto defektov pri rasti kristalov SiC. Slika 5(a) primerja porazdelitev razmerja C/Si obeh struktur v začetnem trenutku. Razmerje C/Si se postopoma zmanjšuje od dna do vrha lončka, razmerje C/Si strukture 1 pa je na različnih položajih vedno višje od razmerja strukture 0. Sliki 5(b) in 5(c) kažeta, da se razmerje C/Si z rastjo postopoma povečuje, kar je povezano z zvišanjem notranje temperature v poznejši fazi rasti, izboljšanjem grafitizacije surovine in reakcijo komponent Si v plinski fazi z grafitnim lončkom. Na sliki 5(d) se razmerja C/Si strukture 0 in strukture 1 precej razlikujeta pod PG (0, 25 mm), nekoliko pa nad PG (50 mm), razlika pa se postopoma povečuje, ko se približuje kristalu. Na splošno je razmerje C/Si strukture 1 višje, kar pomaga stabilizirati kristalno obliko in zmanjšati verjetnost faznega prehoda.
Slika 5 Porazdelitev in spremembe razmerja C/Si. (a) Porazdelitev razmerja C/Si v lončkih strukture 0 (levo) in strukture 1 (desno) pri 0 h; (b) Razmerje C/Si na različnih razdaljah od središčne črte lončka strukture 0 ob različnih časih (0, 30, 60, 100 h); (c) Razmerje C/Si na različnih razdaljah od središčne črte lončka strukture 1 ob različnih časih (0, 30, 60, 100 h); (d) Primerjava razmerja C/Si na različnih razdaljah (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središčne črte lončka strukture 0 (polna črta) in strukture 1 (črtkana črta) ob različnih časih (0, 30, 60, 100 h).
Slika 6 prikazuje spremembe premera delcev in poroznosti območij surovine obeh struktur. Slika kaže, da se premer surovine zmanjšuje in poroznost povečuje blizu stene lončka, robna poroznost pa se še naprej povečuje in premer delcev se še naprej zmanjšuje z rastjo. Največja robna poroznost je pri 100 urah približno 0,99, najmanjši premer delcev pa približno 300 μm. Premer delcev se poveča in poroznost se zmanjša na zgornji površini surovine, kar ustreza rekristalizaciji. Debelina območja rekristalizacije se z rastjo povečuje, velikost in poroznost delcev pa se še naprej spreminjata. Največji premer delcev doseže več kot 1500 μm, najmanjša poroznost pa 0,13. Poleg tega, ker PG zvišuje temperaturo območja surovine in je prenasičenost s plinom majhna, je debelina rekristalizacije zgornjega dela surovine strukture 1 majhna, kar izboljša stopnjo izkoriščenosti surovine.
Slika 6 Spremembe premera delcev (levo) in poroznosti (desno) območja surovine strukture 0 in strukture 1 v različnih časih, enota premera delcev: μm
Slika 7 kaže, da se struktura 0 na začetku rasti ukrivi, kar je lahko povezano s prekomernim pretokom materiala, ki ga povzroča grafitizacija roba surovine. Stopnja ukrivljanja se med nadaljnjim procesom rasti oslabi, kar ustreza spremembi pretoka materiala na začetku rasti kristala strukture 0 na sliki 4 (d). V strukturi 1 se zaradi vpliva PG na kristalnem vmesniku ne pojavlja ukrivljanje. Poleg tega PG znatno zmanjša hitrost rasti strukture 1 v primerjavi s strukturo 0. Debelina središča kristala strukture 1 po 100 urah je le 68 % debeline strukture 0.
Slika 7 Spremembe vmesnika kristalov strukture 0 in strukture 1 po 30, 60 in 100 urah
Rast kristalov je bila izvedena v procesnih pogojih numerične simulacije. Kristali, vzgojeni s strukturo 0 in strukturo 1, so prikazani na sliki 8(a) oziroma sliki 8(b). Kristal strukture 0 kaže konkavno vmesnik z valovi v osrednjem območju in faznim prehodom na robu. Površinska konveksnost predstavlja določeno stopnjo nehomogenosti pri transportu plinskofaznih materialov, pojav faznega prehoda pa ustreza nizkemu razmerju C/Si. Vmesni sloj kristala, vzgojenega s strukturo 1, je rahlo konveksen, faznega prehoda ni, debelina pa je 65 % debeline kristala brez PG. Na splošno rezultati rasti kristalov ustrezajo rezultatom simulacije, z večjo radialno temperaturno razliko na kristalnem vmesniku strukture 1 je hitra rast na robu zadušena, celotna hitrost pretoka materiala pa je počasnejša. Splošni trend je skladen z rezultati numerične simulacije.
Slika 8 Kristali SiC, vzgojeni pod strukturo 0 in strukturo 1
Zaključek
PG prispeva k izboljšanju celotne temperature območja surovine in izboljšanju aksialne in radialne enakomernosti temperature, kar spodbuja popolno sublimacijo in izkoriščanje surovine; poveča se zgornja in spodnja temperaturna razlika, poveča se tudi radialni gradient površine semenskega kristala, kar pomaga ohranjati rast konveksne vmesnika. Kar zadeva prenos mase, uvedba PG zmanjša celotno hitrost prenosa mase, pretok materiala v rastni komori, ki vsebuje PG, se sčasoma manj spreminja in celoten proces rasti je bolj stabilen. Hkrati PG učinkovito zavira tudi pojav prekomernega prenosa mase na robovih. Poleg tega PG poveča tudi razmerje C/Si v rastnem okolju, zlasti na sprednjem robu vmesnika semenskega kristala, kar pomaga zmanjšati pojav faznih sprememb med procesom rasti. Hkrati toplotnoizolacijski učinek PG do neke mere zmanjša pojav rekristalizacije v zgornjem delu surovine. Pri rasti kristalov PG upočasni hitrost rasti kristalov, vendar je rastni vmesnik bolj konveksen. Zato je PG učinkovito sredstvo za izboljšanje rastnega okolja kristalov SiC in optimizacijo kakovosti kristalov.
Čas objave: 18. junij 2024