El procés bàsic deSiCEl creixement del cristall es divideix en sublimació i descomposició de matèries primeres a alta temperatura, transport de substàncies en fase gasosa sota l'acció del gradient de temperatura i creixement de recristal·lització de substàncies en fase gasosa al cristall de llavors. En base a això, l'interior del gresol es divideix en tres parts: àrea de matèria primera, cambra de creixement i cristall de llavors. Es va dibuixar un model de simulació numèric basat en la resistència realSiCequip de creixement d'un sol cristall (vegeu la figura 1). En el càlcul: la part inferior de lagresoles troba a 90 mm de la part inferior de l'escalfador lateral, la temperatura superior del gresol és de 2100 ℃, el diàmetre de partícules de matèria primera és de 1000 μm, la porositat és de 0,6, la pressió de creixement és de 300 Pa i el temps de creixement és de 100 h. . El gruix del PG és de 5 mm, el diàmetre és igual al diàmetre interior del gresol i es troba a 30 mm per sobre de la matèria primera. Els processos de sublimació, carbonització i recristal·lització de la zona de matèries primeres es tenen en compte en el càlcul i no es té en compte la reacció entre substàncies PG i en fase gasosa. Els paràmetres de propietats físiques relacionats amb el càlcul es mostren a la taula 1.
Figura 1 Model de càlcul de simulació. (a) Model de camp tèrmic per a la simulació del creixement de cristalls; (b) Divisió de la zona interna del gresol i problemes físics relacionats
Taula 1 Alguns paràmetres físics utilitzats en el càlcul
La figura 2 (a) mostra que la temperatura de l'estructura que conté PG (denotada com a estructura 1) és més alta que la de l'estructura lliure de PG (indicada com a estructura 0) per sota de PG i inferior a la de l'estructura 0 per sobre de PG. El gradient de temperatura global augmenta i el PG actua com a agent aïllant tèrmic. Segons les figures 2 (b) i 2 (c), els gradients de temperatura axial i radial de l'estructura 1 a la zona de la matèria primera són més petits, la distribució de la temperatura és més uniforme i la sublimació del material és més completa. A diferència de la zona de matèries primeres, la figura 2 (c) mostra que el gradient de temperatura radial al cristall de llavors de l'estructura 1 és més gran, cosa que pot ser causada per les diferents proporcions dels diferents modes de transferència de calor, cosa que ajuda el cristall a créixer amb una interfície convexa. . A la figura 2 (d), la temperatura a diferents posicions del gresol mostra una tendència creixent a mesura que avança el creixement, però la diferència de temperatura entre l'estructura 0 i l'estructura 1 disminueix gradualment a la zona de la matèria primera i augmenta gradualment a la cambra de creixement.
Figura 2 Distribució de la temperatura i canvis en el gresol. (a) Distribució de la temperatura dins del gresol de l'estructura 0 (esquerra) i l'estructura 1 (dreta) a 0 h, unitat: ℃; (b) Distribució de la temperatura a la línia central del gresol d'estructura 0 i estructura 1 des del fons de la matèria primera fins al cristall de llavors a 0 h; (c) Distribució de la temperatura des del centre fins a la vora del gresol a la superfície del cristall de llavors (A) i la superfície de la matèria primera (B), mig (C) i fons (D) a 0 h, l'eix horitzontal r és el radi de cristall de llavors per a A i radi de l'àrea de matèria primera per a B ~ D; (d) Canvis de temperatura al centre de la part superior (A), a la superfície de la matèria primera (B) i al centre (C) de la cambra de creixement de l'estructura 0 i l'estructura 1 a les 0, 30, 60 i 100 h.
La figura 3 mostra el transport de material en diferents moments al gresol de l'estructura 0 i l'estructura 1. El flux de material en fase gasosa a l'àrea de la matèria primera i la cambra de creixement augmenta amb l'augment de posició, i el transport de material es debilita a mesura que avança el creixement. . La figura 3 també mostra que en les condicions de simulació, la matèria primera es grafititza primer a la paret lateral del gresol i després a la part inferior del gresol. A més, hi ha recristal·lització a la superfície de la matèria primera i s'espesseix a mesura que avança el creixement. Les figures 4(a) i 4(b) mostren que el cabal de material dins de la matèria primera disminueix a mesura que avança el creixement, i el cabal de material a les 100 h és aproximadament el 50% del moment inicial; tanmateix, el cabal és relativament gran a la vora a causa de la grafitització de la matèria primera, i el cabal a la vora és més de 10 vegades superior a la del cabal a la zona mitjana a les 100 h; a més, l'efecte de PG a l'estructura 1 fa que el flux de material a l'àrea de matèria primera de l'estructura 1 sigui inferior al de l'estructura 0. A la figura 4 (c), el flux de material tant a l'àrea de matèria primera com a la La cambra de creixement es debilita gradualment a mesura que avança el creixement i el flux de material a l'àrea de la matèria primera continua disminuint, causat per l'obertura del canal de flux d'aire a la vora del gresol i l'obstrucció de recristal·lització a la part superior; a la cambra de creixement, el flux de material de l'estructura 0 disminueix ràpidament en les 30 h inicials fins al 16% i només disminueix un 3% en el temps posterior, mentre que l'estructura 1 es manté relativament estable durant tot el procés de creixement. Per tant, PG ajuda a estabilitzar el cabal de material a la cambra de creixement. La figura 4 (d) compara el cabal de material al front de creixement del cristall. En el moment inicial i a les 100 h, el transport de material a la zona de creixement de l'estructura 0 és més fort que el de l'estructura 1, però sempre hi ha una àrea de cabal alt a la vora de l'estructura 0, que provoca un creixement excessiu a la vora. . La presència de PG a l'estructura 1 suprimeix efectivament aquest fenomen.
Figura 3 Flux de material al gresol. Racionalització (esquerra) i vectors de velocitat (dreta) del transport de material gasós a les estructures 0 i 1 en diferents moments, unitat del vector velocitat: m/s
Figura 4 Canvis en el cabal de material. (a) Canvis en la distribució del cabal de material al centre de la matèria primera de l'estructura 0 a 0, 30, 60 i 100 h, r és el radi de l'àrea de la matèria primera; (b) Canvis en la distribució del cabal de material al centre de la matèria primera de l'estructura 1 a 0, 30, 60 i 100 h, r és el radi de l'àrea de la matèria primera; (c) Canvis en el cabal de material dins de la cambra de creixement (A, B) i dins de la matèria primera (C, D) de les estructures 0 i 1 al llarg del temps; (d) Distribució del cabal de material a prop de la superfície del cristall de llavor de les estructures 0 i 1 a 0 i 100 h, r és el radi del cristall de llavor
C/Si afecta l'estabilitat cristal·lina i la densitat de defectes del creixement del cristall de SiC. La figura 5 (a) compara la distribució de la relació C/Si de les dues estructures en el moment inicial. La relació C/Si disminueix gradualment des de la part inferior fins a la part superior del gresol, i la relació C/Si de l'estructura 1 és sempre superior a la de l'estructura 0 en diferents posicions. Les figures 5 (b) i 5 (c) mostren que la relació C/Si augmenta gradualment amb el creixement, la qual cosa està relacionada amb l'augment de la temperatura interna en l'etapa posterior del creixement, la millora de la grafitització de la matèria primera i la reacció de Si components en fase gasosa amb el gresol de grafit. A la figura 5 (d), les relacions C/Si de l'estructura 0 i l'estructura 1 són força diferents per sota de PG (0, 25 mm), però lleugerament diferents per sobre de PG (50 mm), i la diferència augmenta gradualment a mesura que s'acosta al cristall. . En general, la relació C/Si de l'estructura 1 és més alta, cosa que ajuda a estabilitzar la forma del cristall i reduir la probabilitat de transició de fase.
Figura 5 Distribució i canvis de la relació C/Si. (a) Distribució de la relació C/Si en gresols d'estructura 0 (esquerra) i estructura 1 (dreta) a 0 h; (b) Relació C/Si a diferents distàncies de la línia central del gresol de l'estructura 0 en diferents moments (0, 30, 60, 100 h); (c) Relació C/Si a diferents distàncies de la línia central del gresol de l'estructura 1 en diferents moments (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparació de la relació C/Si a diferents distàncies (0, 25, 50, 75, 100 mm) des de la línia central del gresol de l'estructura 0 (línia continua) i l'estructura 1 (línia discontinua) en diferents moments (0, 30, 60, 100 h).
La figura 6 mostra els canvis en el diàmetre de partícules i la porositat de les regions de la matèria primera de les dues estructures. La figura mostra que el diàmetre de la matèria primera disminueix i la porositat augmenta prop de la paret del gresol, i la porositat de la vora continua augmentant i el diàmetre de la partícula continua disminuint a mesura que avança el creixement. La porositat màxima de la vora és d'uns 0,99 a 100 h i el diàmetre mínim de partícules és d'uns 300 μm. El diàmetre de partícula augmenta i la porositat disminueix a la superfície superior de la matèria primera, corresponent a la recristal·lització. El gruix de l'àrea de recristal·lització augmenta a mesura que avança el creixement i la mida i la porositat de les partícules continuen canviant. El diàmetre màxim de partícules arriba a més de 1500 μm i la porositat mínima és de 0,13. A més, com que PG augmenta la temperatura de l'àrea de la matèria primera i la sobresaturació del gas és petita, el gruix de recristal·lització de la part superior de la matèria primera de l'estructura 1 és petit, la qual cosa millora la taxa d'utilització de la matèria primera.
Figura 6 Canvis en el diàmetre de partícula (esquerra) i la porositat (dreta) de l'àrea de matèria primera de l'estructura 0 i l'estructura 1 en diferents moments, unitat de diàmetre de partícula: μm
La figura 7 mostra que l'estructura 0 es deforma a l'inici del creixement, cosa que pot estar relacionada amb el cabal de material excessiu causat per la grafitització de la vora de la matèria primera. El grau de deformació es debilita durant el procés de creixement posterior, que correspon al canvi en el cabal de material a la part davantera del creixement del cristall de l'estructura 0 a la figura 4 (d). A l'estructura 1, a causa de l'efecte de PG, la interfície de cristall no mostra deformació. A més, PG també fa que la taxa de creixement de l'estructura 1 sigui significativament inferior a la de l'estructura 0. El gruix central del cristall de l'estructura 1 després de 100 h és només el 68% del de l'estructura 0.
Figura 7 Canvis a la interfície dels cristalls de l'estructura 0 i de l'estructura 1 a 30, 60 i 100 h
El creixement del cristall es va dur a terme sota les condicions del procés de simulació numèrica. Els cristalls cultivats per l'estructura 0 i l'estructura 1 es mostren a la figura 8 (a) i la figura 8 (b), respectivament. El cristall d'estructura 0 mostra una interfície còncava, amb ondulacions a la zona central i una transició de fase a la vora. La convexitat de la superfície representa un cert grau d'inhomogeneïtat en el transport de materials en fase gasosa, i l'ocurrència de transició de fase correspon a la baixa relació C/Si. La interfície del cristall crescut per l'estructura 1 és lleugerament convexa, no es troba cap transició de fase i el gruix és del 65% del cristall sense PG. En general, els resultats del creixement del cristall corresponen als resultats de la simulació, amb una diferència de temperatura radial més gran a la interfície del cristall de l'estructura 1, el creixement ràpid a la vora es suprimeix i el cabal de material global és més lent. La tendència general és coherent amb els resultats de la simulació numèrica.
Figura 8 Cristalls de SiC cultivats sota l'estructura 0 i l'estructura 1
Conclusió
PG és propici per a la millora de la temperatura global de l'àrea de la matèria primera i la millora de la uniformitat de la temperatura axial i radial, afavorint la sublimació i la utilització totals de la matèria primera; augmenta la diferència de temperatura superior i inferior i augmenta el gradient radial de la superfície del cristall de llavors, cosa que ajuda a mantenir el creixement de la interfície convexa. Pel que fa a la transferència de massa, la introducció de PG redueix la velocitat global de transferència de massa, el cabal de material a la cambra de creixement que conté PG canvia menys amb el temps i tot el procés de creixement és més estable. Al mateix temps, PG també inhibeix eficaçment l'aparició d'una transferència de massa excessiva de vora. A més, PG també augmenta la relació C/Si de l'entorn de creixement, especialment a la vora frontal de la interfície de cristall de llavors, la qual cosa ajuda a reduir l'aparició de canvis de fase durant el procés de creixement. Al mateix temps, l'efecte d'aïllament tèrmic de PG redueix fins a cert punt l'aparició de recristal·lització a la part superior de la matèria primera. Per al creixement del cristall, PG alenteix la velocitat de creixement del cristall, però la interfície de creixement és més convexa. Per tant, PG és un mitjà eficaç per millorar l'entorn de creixement dels cristalls de SiC i optimitzar la qualitat dels cristalls.
Hora de publicació: 18-juny-2024