May 11th 2015, Thesis defense Kanaparin Ariyawong : Process modeling for the growth of SiC srystal using PVT and TSSG methods

Thèse de Kanaparin Ariyawong
Process modeling for the growth of SiC crystal using PVT and TSSG methods

Directeur de Thèse
Jean-Marc Dedulle (LMGP - Cristallogénèse Team)
 

Résumé (click here to abstrack in english)
Le carbure de silicium (SiC) est l’un des matériaux les plus prometteurs pour les dispositifs électroniques de puissance. Même si la modélisation a prouvé sa capacité à assister le développement du procédé de croissance des cristaux de SiC, de nombreux aspects ne sont toujours pas décrits de façon satisfaisante. Cette thèse a pour but d’utiliser les outils de modélisation pour étudier les phénomènes fondamentaux ayant lieu dans la croissance massive du SiC, que ce soit en phase vapeur (PVT) ou en phase liquide (TSSG).
Pour la méthode PVT, une attention particulière est portée sur la physico-chimie de l’interface solide-vapeur. Pour simuler la cristallisation stœchiométrique du SiC à partir d’une phase gazeuse non-congruente, phénomène mal décrit par le modèle d’Hertz-Knudsen, nous avons considéré le SiC comme une solution solide en utilisant la modélisation couplée du transfert de masse et de la thermodynamique. Cette approche donne une évaluation de la composition du cristal de SiC qui peut être liée à des paramètres contrôlables. De telles corrélations peuvent servir de base pour contrôler la densité de défauts ponctuels, la stabilité des polytypes et la concentration de dopage. Dans le cas du procédé TSSG, les effets de la vitesse de rotation du cristal et de la fréquence du champ magnétique sont étudiés. La convection électromagnétique est la principale contribution régissant les mouvements de fluide à basse fréquence alors que la convection naturelle et l’effet Marangoni deviennent dominants à haute fréquence. Dans les conditions expérimentales utilisant les basses fréquences, la vitesse de croissance du cristal pourrait encore être accrue en augmentant la vitesse de rotation. Une modélisation analytique, couplée aux calculs de dynamique des fluides a permis de décrire les interactions entre le flux de liquide et la direction de propagation des marches de croissance à la surface du cristal. Un paramètre de phase a été introduit comme critère d’apparition de macromarches, à l’origine d’instabilités morphologiques

Abstract
Silicon Carbide (SiC) is one of the most desirable materials for power electronic devices. The development of the growth process, to achieve larger size and higher quality is on the way. Even if modeling has proved its ability to assist the optimization of the growth processes, there are still some strong issues which are not considered in a satisfactory way. This thesis aims to use the modeling tools to tackle those challenging fundamental and technological issues on both industrially used PVT and emerging TSSG processes.
In the PVT process, special attention is paid to the physical chemistry at the solid-vapor interfaces. Especially, we investigated the way to model the stoichiometric crystallization of SiC from a non-congruent vapor as the Hertz-Knudsen model was shown to be not adapted. We thus considered SiC as a solid solution using coupled mass transport modeling and thermodynamics. This approach gives an assessment to the chemistry of the SiC crystal which can be linked to the controllable parameters. Such correlations may serve as a basis to control the points defect density, stable polytypes, and doping concentration. Concerning the TSSG process, the effects of crystal rotation speed and operating frequency are studied. The electromagnetic convection is the main contribution governing the growth process using low frequency while the combined buoyancy and Marangoni convections become dominant at high frequency. In the experimental conditions using low frequency, the crystal growth rate could still be enhanced by increasing the rotation speed. The phase parameter is also introduced using the combined fluid dynamics and analytical modeling. This provides a comprehensive visualization of the interactions between fluid flow and step flow and a guideline to improve the surface morphology of the crystal.

Membres du Jury
G. Vignoles, LCTS, CNRS, Université  Bordeaux 1 - Bordeaux - (Rapporteur)
P.Wellmann, Université d'Erlangen - Nürnberg, Erlangen (Germany) (Rapporteur)
A.Jardy, Université de Lorraine, Nancy , (Examinateur)
T.Duffar, SIMAP, CNRS, Grenoble INP Minatec, France (Examinateur)
E.Blanquet, SIMAP, CNRS, Grenoble INP Minatec, France (Examinateur)
G.Ferro, Université Claude Bernard Lyon 1, France (Examinateur)
D.Chaussende, LMGP, CNRS, Grenoble INP Minatec, France (co-Directeur de thèse)
J.M. Dedulle, LMGP, CNRS, Grenoble INP Minatec, France (Directeur de thèse)