Základní procesSiCrůst krystalů se dělí na sublimaci a rozklad surovin při vysoké teplotě, transport látek v plynné fázi působením teplotního gradientu a rekrystalizační růst látek v plynné fázi na zárodečném krystalu. Na základě toho je vnitřek kelímku rozdělen na tři části: oblast suroviny, růstovou komoru a zárodečný krystal. Na základě skutečného odporu byl nakreslen numerický simulační modelSiCzařízení pro růst monokrystalů (viz obrázek 1). Ve výpočtu: spodní částkelímekje 90 mm od spodní části bočního ohřívače, horní teplota kelímku je 2100 ℃, průměr částic suroviny je 1000 μm, pórovitost je 0,6, růstový tlak je 300 Pa a doba růstu je 100 h . Tloušťka PG je 5 mm, průměr se rovná vnitřnímu průměru kelímku a je umístěn 30 mm nad surovinou. Při výpočtu jsou uvažovány procesy sublimace, karbonizace a rekrystalizace v zóně suroviny a neuvažuje se reakce mezi PG a látkami v plynné fázi. Parametry fyzikálních vlastností související s výpočtem jsou uvedeny v tabulce 1.
Obrázek 1 Simulační výpočetní model. (a) Model tepelného pole pro simulaci růstu krystalů; b) Rozdělení vnitřní oblasti kelímku a související fyzické problémy
Tabulka 1 Některé fyzikální parametry použité při výpočtu
Obrázek 2(a) ukazuje, že teplota struktury obsahující PG (označené jako struktura 1) je vyšší než teplota struktury bez PG (označené jako struktura 0) pod PG a nižší než teplota struktury 0 nad PG. Celkový teplotní gradient se zvyšuje a PG působí jako tepelně izolační činidlo. Podle obrázků 2(b) a 2(c) jsou axiální a radiální teplotní gradienty struktury 1 v zóně suroviny menší, rozložení teploty je rovnoměrnější a sublimace materiálu je úplnější. Na rozdíl od zóny suroviny, obrázek 2(c) ukazuje, že radiální teplotní gradient na zárodečném krystalu struktury 1 je větší, což může být způsobeno různými poměry různých režimů přenosu tepla, což pomáhá krystalu růst s konvexním rozhraním. . Na obrázku 2(d) teplota v různých polohách v kelímku vykazuje rostoucí trend, jak růst postupuje, ale teplotní rozdíl mezi strukturou 0 a strukturou 1 postupně klesá v zóně suroviny a postupně se zvyšuje v růstové komoře.
Obrázek 2 Rozložení teploty a změny v kelímku. (a) Rozložení teploty uvnitř kelímku struktury 0 (vlevo) a struktury 1 (vpravo) v 0 h, jednotka: ℃; (b) Distribuce teploty na středové čáře kelímku struktury 0 a struktury 1 ode dna suroviny k zárodečnému krystalu v 0 h; (c) Rozložení teploty od středu k okraji kelímku na povrchu zárodečného krystalu (A) a povrchu suroviny (B), středu (C) a dně (D) v 0 h, vodorovná osa r je poloměr zárodečného krystalu pro A a poloměr plochy suroviny pro B~D; (d) Změny teploty ve středu horní části (A), povrchu suroviny (B) a středu (C) růstové komory struktury 0 a struktury 1 v 0, 30, 60 a 100 h.
Obrázek 3 ukazuje transport materiálu v různých časech v kelímku struktury 0 a struktury 1. Rychlost toku materiálu v plynné fázi v oblasti suroviny a růstové komoře se zvyšuje se zvyšováním polohy a transport materiálu slábne, jak růst postupuje . Obrázek 3 také ukazuje, že za podmínek simulace surovina nejprve grafitizuje na boční stěně kelímku a poté na dně kelímku. Na povrchu suroviny navíc dochází k rekrystalizaci a ta postupně s postupem růstu houstne. Obrázky 4(a) a 4(b) ukazují, že rychlost toku materiálu uvnitř surového materiálu klesá, jak postupuje růst, a rychlost toku materiálu po 100 h je asi 50 % počátečního okamžiku; rychlost proudění je však relativně velká na okraji v důsledku grafitizace suroviny a rychlost proudění na okraji je více než 10krát větší než rychlost proudění ve střední oblasti po 100 hodinách; kromě toho účinek PG ve struktuře 1 způsobuje, že rychlost toku materiálu v oblasti suroviny ve struktuře 1 je nižší než ve struktuře 0. Na obrázku 4(c) je tok materiálu v oblasti suroviny i růstová komora postupně slábne, jak růst postupuje, a tok materiálu v oblasti suroviny se dále snižuje, což je způsobeno otevřením kanálu pro proudění vzduchu na okraji kelímku a překážkou rekrystalizace v horní části; v růstové komoře rychlost toku materiálu strukturou 0 rychle klesá v počátečních 30 hodinách na 16 % a v následujícím čase se snižuje pouze o 3 %, zatímco struktura 1 zůstává během procesu růstu relativně stabilní. Proto PG pomáhá stabilizovat rychlost toku materiálu v růstové komoře. Obrázek 4(d) porovnává rychlost toku materiálu v čele růstu krystalů. V počátečním okamžiku a 100 h je transport materiálu v růstové zóně struktury 0 silnější než ve struktuře 1, ale vždy existuje oblast s vysokým průtokem na okraji struktury 0, což vede k nadměrnému růstu na okraji . Přítomnost PG ve struktuře 1 účinně potlačuje tento jev.
Obrázek 3 Tok materiálu v kelímku. Proudnice (vlevo) a vektory rychlosti (vpravo) transportu materiálu plynu ve strukturách 0 a 1 v různých časech, jednotka vektoru rychlosti: m/s
Obrázek 4 Změny rychlosti toku materiálu. (a) Změny v distribuci rychlosti toku materiálu uprostřed suroviny struktury 0 v 0, 30, 60 a 100 h, r je poloměr plochy suroviny; (b) Změny v distribuci rychlosti toku materiálu uprostřed suroviny struktury 1 v 0, 30, 60 a 100 h, r je poloměr plochy suroviny; (c) Změny v rychlosti toku materiálu uvnitř růstové komory (A, B) a uvnitř suroviny (C, D) struktur 0 a 1 v průběhu času; (d) Distribuce rychlosti toku materiálu v blízkosti povrchu zárodečného krystalu struktur 0 a 1 v 0 a 100 h, r je poloměr zárodečného krystalu
C/Si ovlivňuje krystalickou stabilitu a hustotu defektů růstu krystalů SiC. Obrázek 5(a) porovnává rozložení poměru C/Si dvou struktur v počátečním okamžiku. Poměr C/Si postupně klesá od dna k horní části kelímku a poměr C/Si struktury 1 je vždy vyšší než poměr struktury 0 v různých polohách. Obrázky 5(b) a 5(c) ukazují, že poměr C/Si se s růstem postupně zvyšuje, což souvisí se zvýšením vnitřní teploty v pozdější fázi růstu, posílením grafitizace suroviny a reakcí Si složky v plynné fázi s grafitovým kelímkem. Na obrázku 5(d) jsou poměry C/Si struktury 0 a struktury 1 zcela odlišné pod PG (0, 25 mm), ale mírně odlišné nad PG (50 mm) a rozdíl se postupně zvyšuje, jak se blíží ke krystalu. . Obecně je poměr C/Si struktury 1 vyšší, což pomáhá stabilizovat krystalovou formu a snižuje pravděpodobnost fázového přechodu.
Obrázek 5 Rozložení a změny poměru C/Si. (a) rozdělení poměru C/Si v kelímcích struktury 0 (vlevo) a struktury 1 (vpravo) v 0 h; (b) poměr C/Si v různých vzdálenostech od osy kelímku konstrukce 0 v různých časech (0, 30, 60, 100 h); (c) poměr C/Si v různých vzdálenostech od osy kelímku struktury 1 v různých časech (0, 30, 60, 100 h); (d) Porovnání poměru C/Si v různých vzdálenostech (0, 25, 50, 75, 100 mm) od osy kelímku struktury 0 (plná čára) a struktury 1 (přerušovaná čára) v různých časech (0, 30, 60, 100 h).
Obrázek 6 ukazuje změny v průměru částic a poréznosti oblastí surového materiálu dvou struktur. Obrázek ukazuje, že průměr suroviny se zmenšuje a pórovitost se zvyšuje v blízkosti stěny kelímku a okrajová pórovitost se stále zvyšuje a průměr částic se stále zmenšuje, jak růst pokračuje. Maximální okrajová pórovitost je asi 0,99 při 100 h a minimální průměr částic je asi 300 μm. Na horním povrchu suroviny se zvětšuje průměr částic a snižuje se poréznost, což odpovídá rekrystalizaci. Tloušťka rekrystalizační oblasti se zvyšuje s postupem růstu a velikost částic a poréznost se stále mění. Maximální průměr částic dosahuje více než 1500 μm a minimální porozita je 0,13. Kromě toho, protože PG zvyšuje teplotu oblasti suroviny a přesycení plynem je malé, tloušťka rekrystalizace horní části suroviny struktury 1 je malá, což zlepšuje míru využití suroviny.
Obrázek 6 Změny průměru částic (vlevo) a porozity (vpravo) oblasti suroviny struktury 0 a struktury 1 v různých časech, jednotka průměru částic: μm
Obrázek 7 ukazuje, že struktura 0 se deformuje na začátku růstu, což může souviset s nadměrnou rychlostí toku materiálu způsobenou grafitizací okraje suroviny. Stupeň deformace je oslaben během následného procesu růstu, což odpovídá změně rychlosti toku materiálu v přední části růstu krystalů struktury 0 na obrázku 4 (d). Ve struktuře 1 díky účinku PG nevykazuje rozhraní krystalu deformaci. Kromě toho PG také výrazně snižuje rychlost růstu struktury 1 než struktury 0. Středová tloušťka krystalu struktury 1 po 100 h je pouze 68 % tloušťky struktury 0.
Obrázek 7 Změny rozhraní krystalů struktury 0 a struktury 1 po 30, 60 a 100 h
Růst krystalů byl prováděn za procesních podmínek numerické simulace. Krystaly vyrostlé strukturou 0 a strukturou 1 jsou znázorněny na obr. 8(a) a obr. 8(b). Krystal struktury 0 vykazuje konkávní rozhraní se zvlněním v centrální oblasti a fázovým přechodem na okraji. Povrchová konvexita představuje určitý stupeň nehomogenity při transportu materiálů v plynné fázi a výskyt fázového přechodu odpovídá nízkému poměru C/Si. Rozhraní krystalu rostoucího strukturou 1 je mírně konvexní, nebyl nalezen žádný fázový přechod a tloušťka je 65 % krystalu bez PG. Obecně platí, že výsledky růstu krystalů odpovídají výsledkům simulace, s větším radiálním teplotním rozdílem na rozhraní krystalu struktury 1, rychlý růst na okraji je potlačen a celková rychlost toku materiálu je pomalejší. Celkový trend je v souladu s výsledky numerické simulace.
Obrázek 8 Krystaly SiC vyrostlé pod strukturou 0 a strukturou 1
Závěr
PG přispívá ke zlepšení celkové teploty oblasti suroviny a zlepšení rovnoměrnosti axiální a radiální teploty, podporuje plnou sublimaci a využití suroviny; horní a spodní teplotní rozdíl se zvyšuje a radiální gradient povrchu zárodečného krystalu se zvyšuje, což pomáhá udržovat růst konvexního rozhraní. Pokud jde o přenos hmoty, zavedení PG snižuje celkovou rychlost přenosu hmoty, rychlost toku materiálu v růstové komoře obsahující PG se s časem mění méně a celý proces růstu je stabilnější. Současně PG také účinně brání vzniku nadměrného přenosu hmoty okraje. Kromě toho PG také zvyšuje poměr C/Si růstového prostředí, zejména na předním okraji rozhraní zárodečných krystalů, což pomáhá snižovat výskyt fázových změn během procesu růstu. Tepelně izolační účinek PG zároveň do určité míry snižuje výskyt rekrystalizace v horní části suroviny. Pro růst krystalů PG zpomaluje rychlost růstu krystalů, ale růstové rozhraní je konvexnější. Proto je PG účinným prostředkem pro zlepšení prostředí růstu krystalů SiC a optimalizaci kvality krystalů.
Čas odeslání: 18. června 2024