Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology Vol. 26, No. 1 (2016) 8-13 http://dx.doi.org/10.6111/JKCGCT.2016.26.1.008 p-ISSN 1225-1429 e-ISSN 2234-5078 Process design for solution growth of SiC single crystal based on multiph- ysics modeling Ji-Young Yoon * , ** , Myung-Hyun Lee * , Won-Seon Seo * , Yong-Gun Shul ** and Seong-Min Jeong * ,† *Energy and Environmental Division, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Jinju 52851, Korea **Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, Korea (Received November 20, 2015) (Revised November 30, 2015) (Accepted December 7, 2015) Abstract A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved the carbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite element analysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt. Experimental results showed good agreements with simulation data, which supports the validity of the simulation model. Based on the understanding about solution growth of SiC and our set-up, crystal growth was conducted on off-axis 4H-SiC seed crystal in the temperature range of 1600~1800 C. The grown layer showed good crystal quality confirmed with optical microscopy and high resolution X-ray diffraction, which also demonstrates the effectiveness of the multiphysics model to find a process condition of solution growth of SiC single crystal. Key words SiC, Crystal growth, Top seeded solution growth, Multiphysics modeling, Finite element analysis 다중물리 유한요소해석에 의한 SiC 단결정의 용액성장 공정 설계 윤지영 * , ** , 이명현 * , 서원선 * , 설용건 ** , 정성민 * ,† * 한국세라믹기술원 에너지환경소재본부, 진주, 52851 ** 연세대학교 화공생명공학과, 서울, 03722 (2015 년 11 월 20 일 접수) (2015 년 11 월 30 일 심사완료) (2015 년 12 월 7 일 게재확정) 요 약 용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si- 금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상 의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth) 에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용 해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장 시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대 적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계 를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics 를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다 중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC 단결정을 종자결정으로 적용하여 1700 C에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고 분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로 써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다. 1. 서 론 실리콘(Si) 과 탄소(C) 의 화합물인 SiC 는 Si 가 C 와 공 유결합하고 있는 재료로서, 특히 강한 공유결합에 따라 기계적 물성이 매우 우수하여 연마재, 자동차 브레이크 및 클러치, 방탄 조끼 등 높은 내구성이 요구되는 구조 재료로서 널리 사용되어왔다[1]. SiC 는 구조재료 외에도 발광다이오드(LED), 라디오 검출기 등의 전자 분야에도 사용 가능하여 특히 고온이나 고전압이 요구되는 반도체 전자 분야에 활용될 수 있다[2]. Corresponding author Tel: +82-55-792-2570 Fax: +82-55-792-2580 E-mail: [email protected]
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Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
Vol. 26, No. 1 (2016) 8-13
http://dx.doi.org/10.6111/JKCGCT.2016.26.1.008
p-ISSN 1225-1429
e-ISSN 2234-5078
Process design for solution growth of SiC single crystal based on multiph-
ysics modeling
Ji-Young Yoon*,
**, Myung-Hyun Lee*, Won-Seon Seo*, Yong-Gun Shul** and Seong-Min Jeong*,†
*Energy and Environmental Division,
Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Jinju 52851, Korea
**Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, Korea
(Received November 20, 2015)
(Revised November 30, 2015)
(Accepted December 7, 2015)
Abstract A top-seeded solution growth (TSSG) is a method of growing SiC single crystal from the Si melt dissolved thecarbon. In this study, multiphysics modeling was conducted using COMSOL Multiphysics, a commercialized finite elementanalysis package, to get analytic results about electromagnetic analysis, heat transfer and fluid flow in the Si melt.Experimental results showed good agreements with simulation data, which supports the validity of the simulation model.Based on the understanding about solution growth of SiC and our set-up, crystal growth was conducted on off-axis 4H-SiCseed crystal in the temperature range of 1600~1800
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C. The grown layer showed good crystal quality confirmed with opticalmicroscopy and high resolution X-ray diffraction, which also demonstrates the effectiveness of the multiphysics model tofind a process condition of solution growth of SiC single crystal.
Key words SiC, Crystal growth, Top seeded solution growth, Multiphysics modeling, Finite element analysis
다중물리 유한요소해석에 의한 SiC 단결정의 용액성장 공정 설계
윤지영*,
**, 이명현*, 서원선*, 설용건**, 정성민*,†
*한국세라믹기술원 에너지환경소재본부, 진주, 52851
**연세대학교 화공생명공학과, 서울, 03722
(2015년 11월 20일 접수)
(2015년 11월 30일 심사완료)
(2015년 12월 7일 게재확정)
요 약 용액성장법에 의한 SiC 단결정 성장은 Si 또는 Si-금속합금의 융액으로부터 SiC를 성장시키는 방법으로서, 통상
의 상부종자 용액성장법(Top Seeded Solution Growth)에서는 Si 융액을 담는 흑연도가니로부터 C가 Si 융액에 용해되고 용
해된 C이 상부에 위치한 종자결정으로 이동하여 종자결정상에 SiC 형태로 재결정화하는 단계를 거쳐 SiC의 단결정을 성장
시키는 과정을 거치게 된다. SiC 용액성장에 있어서는 SiC의 단결정성장을 위하여 흑연도가니의 형상, 크기, 재질 및 상대
적 위치 배열 등 온도제어와 유체흐름 제어를 위해 다양한 공정변수를 선정해야한다. 본 연구에서는 용액성장공정의 설계
를 위해 상용의 유한요소해석 패키지인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 전자기장해석, 열전달해석, 유체해석에 대한 다
중물리해석모델을 구축하고 이 모델을 이용하여 결정성장공정을 설계하였다. 해석결과에 기초하여 2 inch off-axis 4H-SiC
단결정을 종자결정으로 적용하여 1700oC에서 상부종자 용액성장법에 의하여 SiC 단결정을 성장시켰다. 광학현미경 및 고
분해능 X선회절분석을 통해 결정성을 분석한 결과 해당 성장조건에서 양호한 품질의 단결정이 성장함을 확인하였다. 이로
써 본 연구에서 구축된 다중물리해석모델이 SiC의 용액성장 공정설계에 유효함을 확인하였다.