Die basiese proses vanSiCkristalgroei word verdeel in sublimasie en ontbinding van grondstowwe by hoë temperatuur, vervoer van gasfase-stowwe onder die werking van temperatuurgradiënt, en herkristallisasiegroei van gasfase-stowwe by die saadkristal. Op grond hiervan word die binnekant van die smeltkroes in drie dele verdeel: grondstofarea, groeikamer en saadkristal. 'n Numeriese simulasiemodel is geteken op grond van die werklike weerstandSiCenkelkristalgroeitoerusting (sien Figuur 1). In die berekening: die onderkant van diesmeltkroesis 90 mm weg van die onderkant van die syverwarmer, die boonste temperatuur van die smeltkroes is 2100 ℃, die grondstofdeeltjie deursnee is 1000 μm, die porositeit is 0,6, die groeidruk is 300 Pa, en die groeityd is 100 uur . Die PG-dikte is 5 mm, die deursnee is gelyk aan die binnedeursnee van die smeltkroes, en dit is 30 mm bokant die grondstof geleë. Die sublimasie-, karbonisasie- en herkristallisasieprosesse van die grondstofsone word in die berekening in ag geneem, en die reaksie tussen PG- en gasfase-stowwe word nie in ag geneem nie. Die berekeningverwante fisiese eienskapparameters word in Tabel 1 getoon.
Figuur 1 Simulasie berekening model. (a) Termiese veldmodel vir kristalgroeisimulasie; (b) Verdeling van die interne area van die smeltkroes en verwante fisiese probleme
Tabel 1 Sommige fisiese parameters wat in die berekening gebruik is
Figuur 2(a) toon dat die temperatuur van die PG-bevattende struktuur (aangedui as struktuur 1) hoër is as dié van die PG-vrye struktuur (aangedui as struktuur 0) onder PG, en laer as dié van struktuur 0 bo PG. Die algehele temperatuurgradiënt neem toe, en PG dien as 'n hitte-isolerende middel. Volgens Figure 2(b) en 2(c) is die aksiale en radiale temperatuurgradiënte van struktuur 1 in die grondstofsone kleiner, die temperatuurverspreiding is meer eenvormig en die sublimasie van die materiaal is meer volledig. Anders as die grondstofsone, toon Figuur 2(c) dat die radiale temperatuurgradiënt by die saadkristal van struktuur 1 groter is, wat veroorsaak kan word deur die verskillende proporsies van verskillende hitte-oordragmodusse, wat die kristal help groei met 'n konvekse koppelvlak . In Figuur 2(d) toon die temperatuur op verskillende posisies in die smeltkroes 'n toenemende neiging soos die groei vorder, maar die temperatuurverskil tussen struktuur 0 en struktuur 1 neem geleidelik af in die grondstofsone en neem geleidelik toe in die groeikamer.
Figuur 2 Temperatuurverspreiding en veranderinge in die smeltkroes. (a) Temperatuurverspreiding binne die smeltkroes van struktuur 0 (links) en struktuur 1 (regs) by 0 h, eenheid: ℃; (b) Temperatuurverspreiding op die middellyn van die smeltkroes van struktuur 0 en struktuur 1 vanaf die onderkant van die grondstof na die saadkristal om 0 h; (c) Temperatuurverspreiding vanaf die middel na die rand van die smeltkroes op die saadkristaloppervlak (A) en die grondstofoppervlak (B), middel (C) en onderkant (D) by 0 h, die horisontale as r is die saadkristal radius vir A, en die grondstof area radius vir B~D; (d) Temperatuurveranderinge by die middel van die boonste deel (A), grondstofoppervlak (B) en middel (C) van die groeikamer van struktuur 0 en struktuur 1 by 0, 30, 60 en 100 uur.
Figuur 3 toon die materiaalvervoer op verskillende tye in die smeltkroes van struktuur 0 en struktuur 1. Die gasfase materiaalvloeitempo in die grondstofarea en die groeikamer neem toe met die toename van posisie, en die materiaalvervoer verswak soos die groei vorder . Figuur 3 toon ook dat onder die simulasietoestande die grondstof eers op die sywand van die smeltkroes grafitiseer en dan op die onderkant van die smeltkroes. Daarbenewens is daar herkristallisasie op die oppervlak van die grondstof en dit verdik geleidelik soos die groei vorder. Figure 4(a) en 4(b) toon dat die materiaalvloeitempo binne die grondstof afneem soos die groei vorder, en die materiaalvloeitempo op 100 uur is ongeveer 50% van die aanvanklike oomblik; die vloeitempo is egter relatief groot aan die rand as gevolg van die grafitisering van die grondstof, en die vloeitempo by die rand is meer as 10 keer dié van die vloeitempo in die middelarea op 100 uur; boonop maak die effek van PG in struktuur 1 die materiaalvloeitempo in die grondstofarea van struktuur 1 laer as dié van struktuur 0. In Figuur 4(c), die materiaalvloei in beide die grondstofarea en die groeikamer verswak geleidelik soos die groei vorder, en die materiaalvloei in die grondstofarea bly afneem, wat veroorsaak word deur die opening van die lugvloeikanaal aan die rand van die smeltkroes en die obstruksie van herkristallisasie aan die bokant; in die groeikamer neem die materiaalvloeitempo van struktuur 0 vinnig af in die aanvanklike 30 uur tot 16%, en neem net met 3% af in die daaropvolgende tyd, terwyl struktuur 1 relatief stabiel bly regdeur die groeiproses. Daarom help PG om die materiaalvloeitempo in die groeikamer te stabiliseer. Figuur 4(d) vergelyk die materiaalvloeitempo by die kristalgroeifront. Op die aanvanklike oomblik en 100 uur is die materiaalvervoer in die groeisone van struktuur 0 sterker as dié in struktuur 1, maar daar is altyd 'n hoë vloeitempo area aan die rand van struktuur 0, wat lei tot oormatige groei aan die rand . Die teenwoordigheid van PG in struktuur 1 onderdruk hierdie verskynsel effektief.
Figuur 3 Materiaalvloei in die smeltkroes. Stroomlyne (links) en snelheidsvektore (regs) van gasmateriaalvervoer in strukture 0 en 1 op verskillende tye, snelheidsvektoreenheid: m/s
Figuur 4 Veranderinge in materiaalvloeitempo. (a) Veranderinge in die materiaalvloeitempo-verspreiding in die middel van die grondstof van struktuur 0 by 0, 30, 60 en 100 uur, r is die radius van die grondstofarea; (b) Veranderinge in die materiaalvloeitempo-verspreiding in die middel van die grondstof van struktuur 1 by 0, 30, 60 en 100 uur, r is die radius van die grondstofarea; (c) Veranderinge in die materiaalvloeitempo binne die groeikamer (A, B) en binne die grondstof (C, D) van strukture 0 en 1 oor tyd; (d) Materiaalvloeitempo verspreiding naby die saadkristaloppervlak van strukture 0 en 1 by 0 en 100 h, r is die radius van die saadkristal
C/Si beïnvloed die kristallyne stabiliteit en defekdigtheid van SiC kristalgroei. Figuur 5(a) vergelyk die C/Si verhouding verspreiding van die twee strukture op die aanvanklike oomblik. Die C/Si-verhouding neem geleidelik af van die onderkant na die bokant van die smeltkroes, en die C/Si-verhouding van struktuur 1 is altyd hoër as dié van struktuur 0 op verskillende posisies. Figure 5(b) en 5(c) toon dat die C/Si-verhouding geleidelik toeneem met groei, wat verband hou met die toename in interne temperatuur in die latere stadium van groei, die verbetering van grondstof grafitisering, en die reaksie van Si komponente in die gasfase met die grafiet-smeltkroes. In Figuur 5(d) verskil die C/Si-verhoudings van struktuur 0 en struktuur 1 heelwat onder PG (0, 25 mm), maar effens verskillend bo PG (50 mm), en die verskil neem geleidelik toe soos dit die kristal nader. . Oor die algemeen is die C/Si-verhouding van struktuur 1 hoër, wat help om die kristalvorm te stabiliseer en die waarskynlikheid van fase-oorgang te verminder.
Figuur 5 Verspreiding en veranderinge van C/Si-verhouding. (a) C/Si verhouding verspreiding in smeltkroesies van struktuur 0 (links) en struktuur 1 (regs) by 0 h; (b) C/Si-verhouding op verskillende afstande vanaf die middellyn van smeltkroes van struktuur 0 op verskillende tye (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-verhouding op verskillende afstande vanaf die middellyn van smeltkroes van struktuur 1 op verskillende tye (0, 30, 60, 100 h); (d) Vergelyking van C/Si-verhouding op verskillende afstande (0, 25, 50, 75, 100 mm) vanaf die middellyn van smeltkroes van struktuur 0 (soliede lyn) en struktuur 1 (gestreepte lyn) op verskillende tye (0, 30, 60, 100 uur).
Figuur 6 toon die veranderinge in partikel deursnee en porositeit van grondstof streke van die twee strukture. Die figuur toon dat die rou materiaal deursnee afneem en die porositeit neem toe naby die smeltkroes wand, en die rand porositeit bly toeneem en die partikel deursnee bly afneem soos die groei vorder. Die maksimum randporositeit is ongeveer 0.99 by 100 uur, en die minimum deeltjie deursnee is ongeveer 300 μm. Die partikeldeursnee neem toe en die porositeit neem af op die boonste oppervlak van die grondstof, wat ooreenstem met herkristallisasie. Die dikte van die herkristallisasie-area neem toe soos die groei vorder, en die deeltjiegrootte en porositeit bly verander. Die maksimum deeltjie deursnee bereik meer as 1500 μm, en die minimum porositeit is 0,13. Daarbenewens, aangesien PG die temperatuur van die grondstofarea verhoog en die gas-oorversadiging klein is, is die herkristallisasiedikte van die boonste deel van die grondstof van struktuur 1 klein, wat die grondstofbenuttingskoers verbeter.
Figuur 6 Veranderinge in deeltjie deursnee (links) en porositeit (regs) van die grondstof area van struktuur 0 en struktuur 1 op verskillende tye, deeltjie deursnee eenheid: μm
Figuur 7 toon dat struktuur 0 skeeftrek aan die begin van groei, wat verband kan hou met die oormatige materiaalvloeitempo wat veroorsaak word deur die grafitisering van die grondstofrand. Die mate van verdraaiing word verswak tydens die daaropvolgende groeiproses, wat ooreenstem met die verandering in materiaalvloeitempo aan die voorkant van die kristalgroei van struktuur 0 in Figuur 4 (d). In struktuur 1, as gevolg van die effek van PG, toon die kristalkoppelvlak nie verdraaiing nie. Daarbenewens maak PG ook die groeitempo van struktuur 1 aansienlik laer as dié van struktuur 0. Die middeldikte van die kristal van struktuur 1 na 100 uur is slegs 68% van dié van struktuur 0.
Figuur 7 Interface veranderinge van struktuur 0 en struktuur 1 kristalle by 30, 60 en 100 uur
Kristalgroei is uitgevoer onder die prosestoestande van numeriese simulasie. Die kristalle wat deur struktuur 0 en struktuur 1 gegroei is, word onderskeidelik in Figuur 8(a) en Figuur 8(b) getoon. Die kristal van struktuur 0 toon 'n konkawe koppelvlak, met golwings in die sentrale area en 'n fase-oorgang aan die rand. Die oppervlakkonveksiteit verteenwoordig 'n sekere mate van inhomogeniteit in die vervoer van gasfase-materiale, en die voorkoms van fase-oorgang stem ooreen met die lae C/Si-verhouding. Die koppelvlak van die kristal wat deur struktuur 1 gegroei is, is effens konveks, geen fase-oorgang word gevind nie, en die dikte is 65% van die kristal sonder PG. Oor die algemeen stem die kristalgroeiresultate ooreen met die simulasieresultate, met 'n groter radiale temperatuurverskil by die kristalkoppelvlak van struktuur 1, die vinnige groei aan die rand word onderdruk en die algehele materiaalvloeitempo is stadiger. Die algehele neiging stem ooreen met die numeriese simulasieresultate.
Figuur 8 SiC-kristalle gegroei onder struktuur 0 en struktuur 1
Gevolgtrekking
PG is bevorderlik vir die verbetering van die algehele temperatuur van die grondstofarea en die verbetering van aksiale en radiale temperatuur-uniformiteit, wat die volle sublimasie en benutting van die grondstof bevorder; die boonste en onderste temperatuurverskil neem toe, en die radiale gradiënt van die saadkristaloppervlak neem toe, wat help om die konvekse koppelvlakgroei te handhaaf. Wat massa-oordrag betref, verminder die bekendstelling van PG die algehele massa-oordragtempo, die materiaalvloeitempo in die groeikamer wat PG bevat verander minder met verloop van tyd, en die hele groeiproses is meer stabiel. Terselfdertyd inhibeer PG ook effektief die voorkoms van oormatige randmassa-oordrag. Daarbenewens verhoog PG ook die C/Si-verhouding van die groei-omgewing, veral aan die voorkant van die saadkristal-koppelvlak, wat help om die voorkoms van faseverandering tydens die groeiproses te verminder. Terselfdertyd verminder die termiese isolasie-effek van PG die voorkoms van herkristallisasie in die boonste deel van die grondstof tot 'n sekere mate. Vir kristalgroei vertraag PG die kristalgroeitempo, maar die groei-koppelvlak is meer konveks. Daarom is PG 'n effektiewe manier om die groei-omgewing van SiC-kristalle te verbeter en kristalkwaliteit te optimaliseer.
Pos tyd: Jun-18-2024