SiC 단결정 용액성장법은 Si 또는 Si 합금을 용융시켜 융액을 담는 흑연도가니에서 C을 공급받아 종자결정으로부터 SiC 단결정을 성장시키는 방법으로서, 열평형에 가까운 조건에서 결정성장이 가능하기 때문에 다결정의 생성을 제어할 수 있고 성장과정 중 발생하는 결함을 배제할 수 있는 장점이 있어 고품질의 단결정성장이 가능하다. SiC 단결정을 용액성장법을 이용하여 ...
SiC 단결정 용액성장법은 Si 또는 Si 합금을 용융시켜 융액을 담는 흑연도가니에서 C을 공급받아 종자결정으로부터 SiC 단결정을 성장시키는 방법으로서, 열평형에 가까운 조건에서 결정성장이 가능하기 때문에 다결정의 생성을 제어할 수 있고 성장과정 중 발생하는 결함을 배제할 수 있는 장점이 있어 고품질의 단결정성장이 가능하다. SiC 단결정을 용액성장법을 이용하여 잉곳으로 성장시키기 위해서는 Si 융액에 C을 용해시켜야 하나, Si-C 이성분계에서 C의 용해도는 매우 낮아 결정성장속도가 극히 느린 문제가 있다. Si 융액에 용해되는 C의 공급원은 발열체이자 Si 융액을 담는 용기이기도 한 흑연도가니 자체가 되는데, 따라서 SiC 용액성장에 있어 흑연도가니의 형상, 재질 및 도가니의 온도제어는 매우 중요한 공정변수가 된다. 본 연구에서는 SiC 단결정의 용액성장에 있어 C의 공급원인 흑연도가니의 표면거칠기에 따른 영향을 분석하였다. 먼저 본 연구에 활용한 반응기의 온도구배 및 유체흐름을 분석하기 위하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석문제를 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 모델링하고, 해석결과에 기초하여 실험적인 성장연구를 수행하였다. 표면거칠기가 서로 다른 두 종류의 흑연블록을 준비하여 1600~1800℃에서 1시간 동안 단결정을 성장시키는 실험을 수행한 결과, 표면이 거친 블록을 사용한 경우 Si융액과 흑연블록의 반응이 활발하게 일어나 더 많은 C이 Si융액으로 용해되고 있어 더 높은 성장속도가 얻어짐을 확인하였다. 본 결과는 수작업으로 가공한 정밀하지 못한 원형의 4H-SiC 종자결정을 사용한 결과로서, 이를 재검증하기 위하여 앞서얻은 최적의 온도조건인 1700oC에 대해서는 정밀하게 가공한 종자결정을 사용하여 단결정을 성장시키고 상분석과 결정성을 Raman 분광법과 XRD를 이용하여 수행하고 거친 표면에서 우수한 결정성을 갖는 4H-SiC 단결정을 생성할 수 있음을 확인하였다.
SiC 단결정 용액성장법은 Si 또는 Si 합금을 용융시켜 융액을 담는 흑연도가니에서 C을 공급받아 종자결정으로부터 SiC 단결정을 성장시키는 방법으로서, 열평형에 가까운 조건에서 결정성장이 가능하기 때문에 다결정의 생성을 제어할 수 있고 성장과정 중 발생하는 결함을 배제할 수 있는 장점이 있어 고품질의 단결정성장이 가능하다. SiC 단결정을 용액성장법을 이용하여 잉곳으로 성장시키기 위해서는 Si 융액에 C을 용해시켜야 하나, Si-C 이성분계에서 C의 용해도는 매우 낮아 결정성장속도가 극히 느린 문제가 있다. Si 융액에 용해되는 C의 공급원은 발열체이자 Si 융액을 담는 용기이기도 한 흑연도가니 자체가 되는데, 따라서 SiC 용액성장에 있어 흑연도가니의 형상, 재질 및 도가니의 온도제어는 매우 중요한 공정변수가 된다. 본 연구에서는 SiC 단결정의 용액성장에 있어 C의 공급원인 흑연도가니의 표면거칠기에 따른 영향을 분석하였다. 먼저 본 연구에 활용한 반응기의 온도구배 및 유체흐름을 분석하기 위하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다중물리해석문제를 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 모델링하고, 해석결과에 기초하여 실험적인 성장연구를 수행하였다. 표면거칠기가 서로 다른 두 종류의 흑연블록을 준비하여 1600~1800℃에서 1시간 동안 단결정을 성장시키는 실험을 수행한 결과, 표면이 거친 블록을 사용한 경우 Si융액과 흑연블록의 반응이 활발하게 일어나 더 많은 C이 Si융액으로 용해되고 있어 더 높은 성장속도가 얻어짐을 확인하였다. 본 결과는 수작업으로 가공한 정밀하지 못한 원형의 4H-SiC 종자결정을 사용한 결과로서, 이를 재검증하기 위하여 앞서얻은 최적의 온도조건인 1700oC에 대해서는 정밀하게 가공한 종자결정을 사용하여 단결정을 성장시키고 상분석과 결정성을 Raman 분광법과 XRD를 이용하여 수행하고 거친 표면에서 우수한 결정성을 갖는 4H-SiC 단결정을 생성할 수 있음을 확인하였다.
Top seed solution growth (TSSG) is a method of growing a single crystal of Si melt obtained by dissolving the carbon to grow high-quality single crystal. Through TSSG, single crystalline SiC could be grown from non-stoichiometric solutions containing Si and C. The low solubility of C in Si melt, whi...
Top seed solution growth (TSSG) is a method of growing a single crystal of Si melt obtained by dissolving the carbon to grow high-quality single crystal. Through TSSG, single crystalline SiC could be grown from non-stoichiometric solutions containing Si and C. The low solubility of C in Si melt, which is directly related to the growth rate, is one of the limiting factors of TSSG method. Conventionally, C is dissolved from the graphite crucible, the reservoir of Si melt. In the interface between C and Si, β-SiC interlayer is formed first and then the SiC is dissolved to Si melt again. The C solubility is purely determined by temperature but the amount of dissolved carbon will be depending on the C solubility and the supply of the SiC interlayer to be dissolved. A previous study showed that a graphite crucible with thickness SiC interlayer was effective to increase C concentration in the Si melt and the growth rate of SiC crystal. But SiC interlayer could be actively generated in the interface between C and Si melt by activating graphite. In this study, to activate the reaction between graphite and Si, graphite with rough surface was evaluated. as various temperature, First, the multiphysics modeling was conducted using COMSOL MultiphysicsTM., a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. The modeling results showed good agreements with experimental results, and it showed even more about thermal distribution and fluid flow directions. Experimental crystal growth were then conducted in the temperature range of 1600 ~ 1800 ℃ using graphite block with different surface quality and same dimension. As the seed crystal, 4H-SiC crystal was prepared by manual shaping to have ~10mm in diameter. As increasing temperature, the thickness of SiC interlayer and the penetration depth of Si infiltration increased in both cases. It was interesting that the rough graphite block showed apparent effect to increase the thickness of SiC and the crystal growth rate in every conditions. Because the experimental results was obtained on the seeds with bad shapes, experimental growths were done using precisely machined 4H-SiC seed with 1.2 inch in diameter. HRXRD analysis for the grown crystals confirmed that the rough graphite block was effective to increase crystal growth rate preserving good crystal quality
Top seed solution growth (TSSG) is a method of growing a single crystal of Si melt obtained by dissolving the carbon to grow high-quality single crystal. Through TSSG, single crystalline SiC could be grown from non-stoichiometric solutions containing Si and C. The low solubility of C in Si melt, which is directly related to the growth rate, is one of the limiting factors of TSSG method. Conventionally, C is dissolved from the graphite crucible, the reservoir of Si melt. In the interface between C and Si, β-SiC interlayer is formed first and then the SiC is dissolved to Si melt again. The C solubility is purely determined by temperature but the amount of dissolved carbon will be depending on the C solubility and the supply of the SiC interlayer to be dissolved. A previous study showed that a graphite crucible with thickness SiC interlayer was effective to increase C concentration in the Si melt and the growth rate of SiC crystal. But SiC interlayer could be actively generated in the interface between C and Si melt by activating graphite. In this study, to activate the reaction between graphite and Si, graphite with rough surface was evaluated. as various temperature, First, the multiphysics modeling was conducted using COMSOL MultiphysicsTM., a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. The modeling results showed good agreements with experimental results, and it showed even more about thermal distribution and fluid flow directions. Experimental crystal growth were then conducted in the temperature range of 1600 ~ 1800 ℃ using graphite block with different surface quality and same dimension. As the seed crystal, 4H-SiC crystal was prepared by manual shaping to have ~10mm in diameter. As increasing temperature, the thickness of SiC interlayer and the penetration depth of Si infiltration increased in both cases. It was interesting that the rough graphite block showed apparent effect to increase the thickness of SiC and the crystal growth rate in every conditions. Because the experimental results was obtained on the seeds with bad shapes, experimental growths were done using precisely machined 4H-SiC seed with 1.2 inch in diameter. HRXRD analysis for the grown crystals confirmed that the rough graphite block was effective to increase crystal growth rate preserving good crystal quality
주제어
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학위논문 정보
저자
윤지영
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
화공생명공학과
지도교수
설용건
발행연도
2015
총페이지
vi, 66장
키워드
결정 성장 용액성장법 도가니 표면거칠기 유한요소해석 SiC crystal growth top seeded solution growth crucible surface roughness finite element analysis
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