Qu’est-ce que le champ thermique ?

Dans le domaine decroissance monocristalline, la répartition de la température dans le four de croissance cristalline joue un rôle essentiel. Cette répartition de la température, communément appelée champ thermique, est un facteur essentiel qui influence la qualité et les caractéristiques du cristal en cours de croissance. Lechamp thermiquepeuvent être classés en deux types : statiques et dynamiques.

Champs thermiques statiques et dynamiques

Un champ thermique statique fait référence à la répartition relativement stable de la température au sein du système de chauffage pendant la calcination. Cette stabilité est maintenue lorsque la température à l’intérieur du four reste constante dans le temps. Cependant, pendant le processus même de croissance d’un monocristal, le champ thermique est loin d’être statique ; c'est dynamique.

Un champ thermique dynamique est caractérisé par des changements continus dans la répartition de la température à l'intérieur du four. Ces changements sont motivés par plusieurs facteurs :

Transformation de phase : lorsque le matériau passe d'une phase liquide à une phase solide, de la chaleur latente est libérée, ce qui a un impact sur la répartition de la température dans le four.

Allongement du cristal : à mesure que le cristal s'allonge, la surface de la masse fondue diminue, modifiant la dynamique thermique au sein du système.

Transfert de chaleur : Les modes de transfert de chaleur, notamment la conduction et le rayonnement, évoluent tout au long du processus, contribuant ainsi aux changements dans le champ thermique.

En raison de ces facteurs, le champ thermique dynamique est un aspect en constante évolution de la croissance des monocristaux qui nécessite une surveillance et un contrôle minutieux.

L'interface solide-liquide

L’interface solide-liquide est un autre concept crucial dans la croissance des monocristaux. À tout moment, chaque point du four a une température spécifique. Si nous connectons tous les points du champ thermique qui partagent la même température, nous obtenons une courbe spatiale appelée surface isotherme. Parmi ces surfaces isothermes, une est particulièrement significative : l’interface solide-liquide.

L'interface solide-liquide est la limite où la phase solide du cristal rencontre la phase liquide de la masse fondue. C’est à cette interface que se produit la croissance cristalline, car le cristal se forme à partir de la phase liquide à cette frontière.

Gradients de température dans la croissance d'un monocristal

Au cours de la croissance du silicium monocristallin, lechamp thermiqueenglobe à la fois les phases solides et liquides, chacune avec des gradients de température distincts :

Dans le Cristal :

Gradient de température longitudinal : fait référence à la différence de température sur la longueur du cristal.

Gradient de température radial : fait référence à la différence de température sur le rayon du cristal.

Dans le fondant :

Gradient de température longitudinal : fait référence à la différence de température le long de la hauteur de la masse fondue.

Gradient de température radial : fait référence à la différence de température sur tout le rayon de la masse fondue.

Ces gradients représentent deux distributions de température différentes, mais la plus critique pour déterminer l’état de cristallisation est le gradient de température à l’interface solide-liquide.

Gradient de température radial dans le cristal : déterminé par la conduction thermique longitudinale et transversale, le rayonnement de surface et la position du cristal dans le champ thermique. Généralement, la température est plus élevée au centre et plus basse sur les bords du cristal.

Gradient de température radial dans la fonte : principalement influencé par les éléments chauffants environnants, le centre étant plus froid et la température augmentant vers le creuset. Le gradient radial de température dans la masse fondue est toujours positif.

Optimiser le champ thermique

Une distribution de température du champ thermique bien conçue doit satisfaire aux conditions suivantes :

Gradient de température longitudinal adéquat dans le cristal : il doit être suffisamment grand pour garantir que le cristal a une capacité de dissipation thermique suffisante pour évacuer la chaleur latente de cristallisation. Cependant, il ne doit pas être trop grand, car cela pourrait gêner la croissance des cristaux.

Gradient de température longitudinal substantiel dans la masse fondue : garantit qu'aucun nouveau noyau cristallin ne se forme dans la masse fondue. Cependant, si elle est trop importante, des dislocations peuvent se produire, entraînant des défauts cristallins.

Gradient de température longitudinal approprié à l’interface de cristallisation : il doit être suffisamment grand pour créer la surfusion nécessaire, fournissant ainsi un moteur de croissance suffisant pour le monocristal. Toutefois, il ne doit pas être trop important pour éviter des défauts structurels. Pendant ce temps, le gradient de température radial doit être aussi petit que possible pour maintenir une interface de cristallisation plate.

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