Analysis of the growth kinetics during high temperature crystal growth of SiC using computed tomography for the in-situ 3D visualization of the growth interface

Third party funded individual grant


Start date : 01.05.2016

End date : 30.04.2019


Project details

Scientific Abstract

Das Vorhaben befasst sich mit Analyse der Wachstumskinetik von einkristallinem Siliziumkarbid bei ca. 2200 °C und bezieht dabei in-situ Messdaten der Form der Phasengrenze ein, die mithilfe der 3D Computertomographie erfasst werden. Ziel sind die Ableitung eines semi-quantitativen Modells für das laterale Überwachsen von Kristalldefekten und die Aufweitung des einkristallinen Bereichs während der Hochtemperatur Gasphasenzüchtung. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die genaue Kenntnis der Position und Größe der Wachstumsfacette, der Krümmung der facettennahen Kristalloberfläche sowie deren zeitliche Veränderung während des Kristallwachstumsprozesses. Die Modellbildung bezieht dabei quantitativ die Übersättigung der Gasphase vor der Phasengrenze und den totalen Massentransportfluss ein. Die Visualisierung der Wachstumsphasengrenze erfolgt unter Anwendung der in-situ 3D Computertomographie, welche im stark gestörten Messumfeld des Kristallisationsprozesses methodisch in wesentlichen Punkten angepasst werden muss. Ziel ist es, die Form der Wachstums-Phasengrenze (Krümmung, Facettenbildung) als auch die Veränderungen im Quellenmaterial (Verbrauch, lokale Um-Sublimation, Fremdphasen) und im Züchtungstiegel (Zersetzung, Materialumwandlung) dreidimensional mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 75 µm sichtbar zu machen. Besonderes Augenmerk gilt dabei den thermischen Randbedingungen mit bis zu ca. 2700 °C als heißestem Bereich in der Kristallzüchtungsanlage. Das Forschungsprojekt bezieht sich konkret auf das hexagonale Hableitermaterial Siliziumkarbid; es ist aber zu erwarten, dass die gefundenen Ergebnisse allgemein von großem Wert für das Forschungsgebiet der Kristallzüchtung sein werden. Die grundsätzliche Machbarkeit des Vorhabens wurde in Vorarbeiten gezeigt, die bereits den rudimentären experimentellen Aufbau als Kombination aus Kristallzüchtungsreaktor, Röntgenquelle und Detektor umfassten. Die Messdaten für die 3D Rekonstruktion des wachsenden Kristalls und seiner Umgebung wurden durch kontinuierliches Drehen des inneren Aufbaus der Kristallzüchtungsanlage um dessen axiale Drehachse gewonnen. Die Form der Kristallwachstumsphasengrenze, die Morphologie des Quellenmaterials und die Veränderungen des Tiegelmaterials konnten damit erstmals 3-dimensional bei über 2200 °C erfasst werden. Die Messergebnisse weisen allerdings deutliche Artefakte und Fehler auf, die im vorliegenden Projekt durch eine angepasste experimentelle Messmethode und neu entwickelte Algorithmen zur Datenauswertung adressiert werden sollen.

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