Osnovni proces odSiCrast kristala se deli na sublimaciju i razgradnju sirovina na visokoj temperaturi, transport supstanci gasne faze pod dejstvom temperaturnog gradijenta i rekristalizacioni rast supstanci gasne faze na začmenom kristalu. Na osnovu toga, unutrašnjost lončića je podijeljena na tri dijela: područje sirovine, komora za rast i sjemenski kristal. Na osnovu stvarnog otpora nacrtan je numerički simulacijski modelSiCoprema za rast monokristala (vidi sliku 1). U izračunu: dnocrucibleje udaljen 90 mm od dna bočnog grijača, gornja temperatura lončića je 2100 ℃, prečnik čestica sirovog materijala je 1000 μm, poroznost je 0,6, pritisak rasta je 300 Pa, a vrijeme rasta je 100 h . Debljina PG je 5 mm, prečnik je jednak unutrašnjem prečniku lončića, a nalazi se 30 mm iznad sirovine. U proračunu su uzeti u obzir procesi sublimacije, karbonizacije i rekristalizacije zone sirovine, a reakcija između PG i tvari u plinovitoj fazi nije uzeta u obzir. Parametri fizičkih svojstava koji se odnose na proračun prikazani su u Tabeli 1.
Slika 1. Model simulacionog proračuna. (a) Model termičkog polja za simulaciju rasta kristala; (b) Podjela unutrašnje površine lonca i povezani fizički problemi
Tabela 1 Neki fizički parametri korišteni u proračunu
Slika 2(a) pokazuje da je temperatura strukture koja sadrži PG (označena kao struktura 1) viša od temperature strukture bez PG (označene kao struktura 0) ispod PG, i niža od temperature strukture 0 iznad PG. Ukupni temperaturni gradijent se povećava, a PG djeluje kao toplinsko izolacijski agens. Prema slikama 2(b) i 2(c), aksijalni i radijalni temperaturni gradijenti strukture 1 u zoni sirovine su manji, raspodjela temperature je ravnomjernija, a sublimacija materijala potpunija. Za razliku od zone sirovog materijala, slika 2(c) pokazuje da je radijalni temperaturni gradijent na zasječnom kristalu strukture 1 veći, što može biti uzrokovano različitim proporcijama različitih načina prijenosa topline, što pomaže kristalu da raste s konveksnim sučeljem. . Na slici 2(d), temperatura na različitim pozicijama u lončiću pokazuje rastući trend kako rast napreduje, ali temperaturna razlika između strukture 0 i strukture 1 postepeno se smanjuje u zoni sirovog materijala i postepeno raste u komori za rast.
Slika 2 Raspodjela temperature i promjene u lončiću. (a) Raspodjela temperature unutar lončića strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) na 0 h, jedinica: ℃; (b) Raspodjela temperature na središnjoj liniji lončića strukture 0 i strukture 1 od dna sirovog materijala do kristala sjemena u 0 h; (c) Raspodjela temperature od centra do ruba lonca na površini kristala (A) i površini sirovog materijala (B), sredini (C) i dnu (D) u 0 h, horizontalna os r je polumjer kristala sjemena za A, i radijus površine sirovog materijala za B~D; (d) Promene temperature u centru gornjeg dela (A), površine sirovog materijala (B) i sredine (C) komore za rast strukture 0 i strukture 1 na 0, 30, 60 i 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materijala u različitim vremenima u lončiću strukture 0 i strukture 1. Brzina protoka materijala u gasnoj fazi u području sirovog materijala i u komori za rast raste sa povećanjem položaja, a transport materijala slabi kako rast napreduje. . Slika 3 također pokazuje da se u uvjetima simulacije sirovina prvo grafitizira na bočnoj stijenci lončića, a zatim na dnu lončića. Osim toga, dolazi do rekristalizacije na površini sirovine i ona se postepeno zgušnjava kako raste. Slike 4(a) i 4(b) pokazuju da se protok materijala unutar sirovog materijala smanjuje kako rast napreduje, a brzina protoka materijala na 100 h iznosi oko 50% početnog trenutka; međutim, brzina protoka je relativno velika na rubu zbog grafitizacije sirovine, a brzina protoka na rubu je više od 10 puta veća od brzine protoka u srednjem području na 100 h; pored toga, efekat PG u strukturi 1 čini brzinu protoka materijala u području sirovog materijala strukture 1 nižom od one u strukturi 0. Na slici 4(c), protok materijala iu području sirovog materijala i u komora za rast postepeno slabi kako rast napreduje, a protok materijala u području sirovine nastavlja opadati, što je uzrokovano otvaranjem kanala za protok zraka na rubu lončića i začepljenjem rekristalizacija na vrhu; u komori za rast, brzina protoka materijala strukture 0 brzo opada u početnih 30 h na 16%, a tek nakon toga opada za 3%, dok struktura 1 ostaje relativno stabilna tokom procesa rasta. Stoga, PG pomaže u stabilizaciji brzine protoka materijala u komori za rast. Slika 4(d) upoređuje brzinu protoka materijala na frontu rasta kristala. U početnom trenutku i 100 h transport materijala u zoni rasta strukture 0 je jači od onog u strukturi 1, ali uvijek postoji velika površina protoka na rubu strukture 0, što dovodi do prekomjernog rasta na rubu. . Prisustvo PG u strukturi 1 efikasno potiskuje ovaj fenomen.
Slika 3 Protok materijala u lončiću. Linije toka (lijevo) i vektori brzine (desno) transporta gasnog materijala u strukturama 0 i 1 u različito vrijeme, jedinica vektora brzine: m/s
Slika 4 Promjene u protoku materijala. (a) Promjene u raspodjeli protoka materijala u sredini sirovine strukture 0 na 0, 30, 60 i 100 h, r je polumjer površine sirovog materijala; (b) Promjene u distribuciji protoka materijala u sredini sirovine strukture 1 na 0, 30, 60 i 100 h, r je polumjer površine sirovog materijala; (c) Promjene u protoku materijala unutar komore za rast (A, B) i unutar sirovog materijala (C, D) struktura 0 i 1 tokom vremena; (d) Raspodjela brzine protoka materijala u blizini površine zasječnog kristala struktura 0 i 1 na 0 i 100 h, r je polumjer kristala sjemena
C/Si utiče na kristalnu stabilnost i gustinu defekata rasta kristala SiC. Slika 5(a) uspoređuje raspodjelu omjera C/Si dvije strukture u početnom trenutku. Odnos C/Si postepeno se smanjuje od dna ka vrhu lončića, a omjer C/Si strukture 1 je uvijek veći od onog strukture 0 na različitim pozicijama. Slike 5(b) i 5(c) pokazuju da omjer C/Si postepeno raste s rastom, što je povezano s povećanjem unutrašnje temperature u kasnijoj fazi rasta, povećanjem grafitizacije sirovine i reakcijom Si. komponente u gasnoj fazi sa grafitnim loncem. Na slici 5(d), C/Si omjeri strukture 0 i strukture 1 su prilično različiti ispod PG (0,25 mm), ali malo drugačiji iznad PG (50 mm), a razlika se postepeno povećava kako se približava kristalu. . Općenito, odnos C/Si strukture 1 je veći, što pomaže u stabilizaciji kristalnog oblika i smanjenju vjerovatnoće faznog prijelaza.
Slika 5. Raspodjela i promjene C/Si omjera. (a) Raspodjela odnosa C/Si u loncima strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) na 0 h; (b) C/Si odnos na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 0 u različito vrijeme (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si odnos na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 1 u različito vrijeme (0, 30, 60, 100 h); (d) Poređenje odnosa C/Si na različitim udaljenostima (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središnje linije lončića strukture 0 (puna linija) i strukture 1 (isprekidana linija) u različito vrijeme (0, 30, 60, 100 h).
Na slici 6 prikazane su promjene u prečniku čestica i poroznosti sirovinskih područja dvije strukture. Slika pokazuje da se promjer sirovog materijala smanjuje i poroznost povećava u blizini stijenke lončića, a poroznost ruba nastavlja da raste, a promjer čestica nastavlja da se smanjuje kako rast napreduje. Maksimalna poroznost rubova je oko 0,99 na 100 h, a minimalni prečnik čestica je oko 300 μm. Promjer čestica se povećava, a poroznost se smanjuje na gornjoj površini sirovine, što odgovara rekristalizaciji. Debljina područja rekristalizacije raste kako rast napreduje, a veličina čestica i poroznost nastavljaju da se mijenjaju. Maksimalni prečnik čestica dostiže više od 1500 μm, a minimalna poroznost je 0,13. Osim toga, budući da PG povećava temperaturu sirovinskog područja, a prezasićenost plinom je mala, debljina rekristalizacije gornjeg dijela sirovine strukture 1 je mala, što poboljšava stopu iskorištenja sirovine.
Slika 6 Promjene prečnika čestica (lijevo) i poroznosti (desno) površine sirovog materijala strukture 0 i strukture 1 u različito vrijeme, jedinica promjera čestica: μm
Slika 7 pokazuje da se struktura 0 iskrivljuje na početku rasta, što može biti povezano s prekomjernim protokom materijala uzrokovanom grafitizacijom ruba sirovog materijala. Stepen savijanja je oslabljen tokom naknadnog procesa rasta, što odgovara promjeni brzine protoka materijala na prednjoj strani rasta kristala strukture 0 na slici 4 (d). U strukturi 1, zbog efekta PG, sučelje kristala ne pokazuje iskrivljenje. Osim toga, PG također čini stopu rasta strukture 1 znatno nižom od one strukture 0. Debljina centra kristala strukture 1 nakon 100 h je samo 68% od one strukture 0.
Slika 7 Promjene na sučelju kristala strukture 0 i strukture 1 na 30, 60 i 100 sati
Rast kristala je izveden u procesnim uslovima numeričke simulacije. Kristali uzgojeni po strukturi 0 i strukturi 1 prikazani su na slici 8(a) i slici 8(b), respektivno. Kristal strukture 0 pokazuje konkavnu međuprostoru, sa valovima u središnjem području i faznim prijelazom na rubu. Površinska konveksnost predstavlja određeni stepen nehomogenosti u transportu materijala u gasnoj fazi, a pojava faznog prelaza odgovara niskom C/Si odnosu. Interfejs kristala uzgojenog strukturom 1 je blago konveksan, nije pronađen fazni prijelaz, a debljina je 65% kristala bez PG. Općenito, rezultati rasta kristala odgovaraju rezultatima simulacije, s većom radijalnom temperaturnom razlikom na sučelju kristala strukture 1, brz rast na rubu je potisnut, a ukupna brzina protoka materijala je sporija. Ukupni trend je u skladu s rezultatima numeričke simulacije.
Slika 8 Kristali SiC uzgojeni u strukturi 0 i strukturi 1
Zaključak
PG doprinosi poboljšanju ukupne temperature sirovinskog područja i poboljšanju ujednačenosti aksijalne i radijalne temperature, promovišući potpunu sublimaciju i korištenje sirovine; gornja i donja temperaturna razlika se povećava, a radijalni gradijent površine kristala sjemena se povećava, što pomaže u održavanju rasta konveksne površine. Što se tiče prijenosa mase, uvođenje PG smanjuje ukupnu brzinu prijenosa mase, brzina protoka materijala u komori za rast koja sadrži PG se manje mijenja s vremenom, a cijeli proces rasta je stabilniji. U isto vrijeme, PG također efikasno inhibira pojavu prekomjernog prijenosa mase rubova. Osim toga, PG također povećava omjer C/Si u okruženju rasta, posebno na prednjoj ivici sučelja kristala sjemena, što pomaže da se smanji pojava promjene faze tokom procesa rasta. Istovremeno, termoizolacijski učinak PG-a u određenoj mjeri smanjuje pojavu rekristalizacije u gornjem dijelu sirovine. Za rast kristala, PG usporava brzinu rasta kristala, ali je interfejs rasta konveksniji. Stoga je PG efikasno sredstvo za poboljšanje okruženja rasta SiC kristala i optimizaciju kvaliteta kristala.
Vrijeme objave: Jun-18-2024