Den grundläggande processen förSicKristalltillväxt delas in i sublimering och sönderdelning av råmaterial vid hög temperatur, transport av gasfasämnen under inverkan av temperaturgradienter och omkristallisationstillväxt av gasfasämnen vid ympkristallen. Baserat på detta delas degelns insida in i tre delar: råmaterialområde, tillväxtkammare och ympkristall. En numerisk simuleringsmodell ritades baserat på den faktiska resistivaSicutrustning för enkristalltillväxt (se figur 1). I beräkningen: botten avdegelär 90 mm från botten av sidovärmaren, degelns topptemperatur är 2100 ℃, råmaterialets partikeldiameter är 1000 μm, porositeten är 0,6, tillväxttrycket är 300 Pa och tillväxttiden är 100 timmar. PG-tjockleken är 5 mm, diametern är lika med degelns innerdiameter och den är belägen 30 mm ovanför råmaterialet. Sublimerings-, karboniserings- och omkristallisationsprocesserna i råmaterialzonen beaktas i beräkningen, och reaktionen mellan PG och gasfasämnen beaktas inte. De beräkningsrelaterade fysikaliska egenskapsparametrarna visas i tabell 1.
Figur 1 Simuleringsberäkningsmodell. (a) Termisk fältmodell för kristalltillväxtsimulering; (b) Indelning av degelns inre area och relaterade fysikaliska problem
Tabell 1 Några fysikaliska parametrar som används i beräkningen
Figur 2(a) visar att temperaturen hos den PG-innehållande strukturen (betecknad som struktur 1) är högre än den hos den PG-fria strukturen (betecknad som struktur 0) under PG, och lägre än den hos struktur 0 ovanför PG. Den totala temperaturgradienten ökar, och PG fungerar som ett värmeisolerande medel. Enligt figur 2(b) och 2(c) är de axiella och radiella temperaturgradienterna för struktur 1 i råmaterialzonen mindre, temperaturfördelningen är mer enhetlig och sublimeringen av materialet är mer fullständig. Till skillnad från råmaterialzonen visar figur 2(c) att den radiella temperaturgradienten vid ympkristallen i struktur 1 är större, vilket kan orsakas av de olika proportionerna av olika värmeöverföringslägen, vilket hjälper kristallen att växa med ett konvext gränssnitt. I figur 2(d) visar temperaturen vid olika positioner i degeln en ökande trend allt eftersom tillväxten fortskrider, men temperaturskillnaden mellan struktur 0 och struktur 1 minskar gradvis i råmaterialzonen och ökar gradvis i tillväxtkammaren.
Figur 2 Temperaturfördelning och förändringar i degeln. (a) Temperaturfördelning inuti degeln för struktur 0 (vänster) och struktur 1 (höger) vid 0 timmar, enhet: ℃; (b) Temperaturfördelning på degelns mittlinje för struktur 0 och struktur 1 från råmaterialets botten till ympkristallen vid 0 timmar; (c) Temperaturfördelning från centrum till degelns kant på ympkristallens yta (A) och råmaterialytan (B), mitten (C) och botten (D) vid 0 timmar, den horisontella axeln r är ympkristallens radie för A och råmaterialareans radie för B~D; (d) Temperaturförändringar i mitten av den övre delen (A), råmaterialytan (B) och mitten (C) av tillväxtkammaren för struktur 0 och struktur 1 vid 0, 30, 60 och 100 timmar.
Figur 3 visar materialtransporten vid olika tidpunkter i degeln för struktur 0 och struktur 1. Gasfasmaterialets flödeshastighet i råmaterialområdet och tillväxtkammaren ökar med ökande position, och materialtransporten försvagas allt eftersom tillväxten fortskrider. Figur 3 visar också att råmaterialet under simuleringsförhållandena först grafitiserar på degelns sidovägg och sedan på degelns botten. Dessutom sker omkristallisation på råmaterialets yta och den tjocknar gradvis allt eftersom tillväxten fortskrider. Figur 4(a) och 4(b) visar att materialflödeshastigheten inuti råmaterialet minskar allt eftersom tillväxten fortskrider, och materialflödeshastigheten vid 100 timmar är cirka 50 % av det initiala momentet; flödeshastigheten är dock relativt stor vid kanten på grund av grafitiseringen av råmaterialet, och flödeshastigheten vid kanten är mer än 10 gånger högre än flödeshastigheten i mittområdet vid 100 timmar; Dessutom gör effekten av PG i struktur 1 att materialflödeshastigheten i råmaterialområdet i struktur 1 är lägre än i struktur 0. I figur 4(c) försvagas materialflödet i både råmaterialområdet och tillväxtkammaren gradvis allt eftersom tillväxten fortskrider, och materialflödet i råmaterialområdet fortsätter att minska, vilket orsakas av att luftflödeskanalen öppnas vid kanten av degeln och att omkristallisationen hindras i toppen. I tillväxtkammaren minskar materialflödeshastigheten i struktur 0 snabbt under de första 30 timmarna till 16 % och minskar endast med 3 % under den efterföljande tiden, medan struktur 1 förblir relativt stabil under hela tillväxtprocessen. Därför hjälper PG till att stabilisera materialflödeshastigheten i tillväxtkammaren. Figur 4(d) jämför materialflödeshastigheten vid kristalltillväxtfronten. Vid inledningsskedet och efter 100 timmar är materialtransporten i tillväxtzonen för struktur 0 starkare än i struktur 1, men det finns alltid ett område med hög flödeshastighet vid kanten av struktur 0, vilket leder till överdriven tillväxt vid kanten. Närvaron av PG i struktur 1 undertrycker effektivt detta fenomen.
Figur 3 Materialflöde i degeln. Strömlinjer (vänster) och hastighetsvektorer (höger) för gasmaterialtransport i strukturerna 0 och 1 vid olika tidpunkter, hastighetsvektorenhet: m/s
Figur 4 Förändringar i materialflödeshastighet. (a) Förändringar i materialflödesfördelningen mitt i råmaterialet i struktur 0 vid 0, 30, 60 och 100 timmar, r är råmaterialområdets radie; (b) Förändringar i materialflödesfördelningen mitt i råmaterialet i struktur 1 vid 0, 30, 60 och 100 timmar, r är råmaterialområdets radie; (c) Förändringar i materialflödeshastigheten inuti tillväxtkammaren (A, B) och inuti råmaterialet (C, D) i strukturerna 0 och 1 över tid; (d) Materialflödesfördelning nära ytkristallytan i strukturerna 0 och 1 vid 0 och 100 timmar, r är ytkristallens radie
C/Si påverkar den kristallina stabiliteten och defektdensiteten hos SiC-kristalltillväxten. Figur 5(a) jämför C/Si-förhållandets fördelning för de två strukturerna vid initialt tillfälle. C/Si-förhållandet minskar gradvis från botten till toppen av degeln, och C/Si-förhållandet för struktur 1 är alltid högre än för struktur 0 vid olika positioner. Figur 5(b) och 5(c) visar att C/Si-förhållandet gradvis ökar med tillväxten, vilket är relaterat till ökningen av den inre temperaturen i det senare tillväxtstadiet, förbättringen av råmaterialets grafitisering och reaktionen av Si-komponenter i gasfasen med grafitdegeln. I figur 5(d) är C/Si-förhållandena för struktur 0 och struktur 1 ganska olika under PG (0, 25 mm), men något annorlunda över PG (50 mm), och skillnaden ökar gradvis när den närmar sig kristallen. I allmänhet är C/Si-förhållandet för struktur 1 högre, vilket hjälper till att stabilisera kristallformen och minska sannolikheten för fasövergång.
Figur 5 Fördelning och förändringar av C/Si-förhållandet. (a) C/Si-förhållandets fördelning i deglar av struktur 0 (vänster) och struktur 1 (höger) vid 0 timmar; (b) C/Si-förhållande på olika avstånd från centrumlinjen för degeln av struktur 0 vid olika tidpunkter (0, 30, 60, 100 timmar); (c) C/Si-förhållande på olika avstånd från centrumlinjen för degeln av struktur 1 vid olika tidpunkter (0, 30, 60, 100 timmar); (d) Jämförelse av C/Si-förhållandet på olika avstånd (0, 25, 50, 75, 100 mm) från centrumlinjen för degeln av struktur 0 (heldragen linje) och struktur 1 (streckad linje) vid olika tidpunkter (0, 30, 60, 100 timmar).
Figur 6 visar förändringarna i partikeldiameter och porositet i råmaterialområdena i de två strukturerna. Figuren visar att råmaterialdiametern minskar och porositeten ökar nära degelväggen, och kantporositeten fortsätter att öka och partikeldiametern fortsätter att minska allt eftersom tillväxten fortskrider. Den maximala kantporositeten är cirka 0,99 vid 100 timmar, och den minsta partikeldiametern är cirka 300 μm. Partikeldiametern ökar och porositeten minskar på råmaterialets övre yta, vilket motsvarar omkristallisation. Tjockleken på omkristallisationsområdet ökar allt eftersom tillväxten fortskrider, och partikelstorleken och porositeten fortsätter att förändras. Den maximala partikeldiametern når mer än 1500 μm, och den minsta porositeten är 0,13. Eftersom PG ökar temperaturen i råmaterialområdet och gasövermättnaden är liten, är dessutom omkristallisationstjockleken på den övre delen av råmaterialet i struktur 1 liten, vilket förbättrar råmaterialutnyttjandegraden.
Figur 6 Förändringar i partikeldiameter (vänster) och porositet (höger) för råmaterialområdet för struktur 0 och struktur 1 vid olika tidpunkter, partikeldiameterenhet: μm
Figur 7 visar att struktur 0 vrider sig i början av tillväxten, vilket kan vara relaterat till det överdrivna materialflödet som orsakas av grafitiseringen av råmaterialkanten. Graden av vridning försvagas under den efterföljande tillväxtprocessen, vilket motsvarar förändringen i materialflödet i framsidan av kristalltillväxten i struktur 0 i figur 4 (d). I struktur 1, på grund av effekten av PG, uppvisar kristallgränssnittet ingen vridning. Dessutom gör PG också att tillväxthastigheten för struktur 1 är betydligt lägre än för struktur 0. Kristallens centrumtjocklek i struktur 1 efter 100 timmar är endast 68 % av den för struktur 0.
Figur 7 Gränssnittsförändringar mellan struktur 0- och struktur 1-kristaller vid 30, 60 och 100 timmar
Kristalltillväxten utfördes under processförhållandena för numerisk simulering. Kristallerna som odlats med struktur 0 och struktur 1 visas i figur 8(a) respektive figur 8(b). Kristallen med struktur 0 uppvisar ett konkavt gränssnitt, med vågor i det centrala området och en fasövergång vid kanten. Ytkonvexiteten representerar en viss grad av inhomogenitet i transporten av gasfasmaterial, och förekomsten av fasövergång motsvarar det låga C/Si-förhållandet. Gränssnittet för kristallen som odlats med struktur 1 är något konvext, ingen fasövergång har hittats och tjockleken är 65 % av kristallen utan PG. I allmänhet motsvarar kristalltillväxtresultaten simuleringsresultaten, med en större radiell temperaturskillnad vid kristallgränssnittet för struktur 1, den snabba tillväxten vid kanten undertrycks och det totala materialflödet är långsammare. Den övergripande trenden överensstämmer med de numeriska simuleringsresultaten.
Figur 8 SiC-kristaller odlade under struktur 0 och struktur 1
Slutsats
PG bidrar till att förbättra den totala temperaturen i råmaterialområdet och förbättra den axiella och radiella temperaturuniformiteten, vilket främjar fullständig sublimering och utnyttjande av råmaterialet; temperaturskillnaden mellan övre och nedre temperaturer ökar, och den radiella gradienten på ytkristallytan ökar, vilket bidrar till att bibehålla tillväxten av det konvexa gränssnittet. När det gäller massöverföring minskar införandet av PG den totala massöverföringshastigheten, materialflödeshastigheten i tillväxtkammaren som innehåller PG förändras mindre med tiden, och hela tillväxtprocessen är mer stabil. Samtidigt hämmar PG också effektivt förekomsten av överdriven kantmassöverföring. Dessutom ökar PG också C/Si-förhållandet i tillväxtmiljön, särskilt vid ytkristallgränssnittets främre kant, vilket bidrar till att minska förekomsten av fasförändringar under tillväxtprocessen. Samtidigt minskar PG:s värmeisoleringseffekt förekomsten av omkristallisation i den övre delen av råmaterialet i viss mån. För kristalltillväxt saktar PG ner kristalltillväxthastigheten, men tillväxtgränssnittet är mer konvext. Därför är PG ett effektivt sätt att förbättra tillväxtmiljön för SiC-kristaller och optimera kristallkvaliteten.
Publiceringstid: 18 juni 2024