Den grundlæggende proces vedSiCkrystalvækst er opdelt i sublimering og nedbrydning af råmaterialer ved høj temperatur, transport af gasfasestoffer under påvirkning af temperaturgradient og omkrystallisationsvækst af gasfasestoffer ved frøkrystallen. Ud fra dette er det indre af digelen opdelt i tre dele: råvareareal, vækstkammer og frøkrystal. En numerisk simuleringsmodel blev tegnet ud fra den faktiske resistivSiCenkeltkrystalvækstudstyr (se figur 1). I beregningen: bunden afsmeltedigeler 90 mm væk fra bunden af sidevarmeren, digelens toptemperatur er 2100 ℃, råmaterialets partikeldiameter er 1000 μm, porøsiteten er 0,6, væksttrykket er 300 Pa, og væksttiden er 100 timer . PG-tykkelsen er 5 mm, diameteren er lig med diglens indvendige diameter, og den er placeret 30 mm over råvaren. Sublimerings-, karboniserings- og omkrystallisationsprocesserne i råvarezonen tages med i beregningen, og reaktionen mellem PG og gasfasestoffer tages ikke i betragtning. De beregningsrelaterede fysiske egenskabsparametre er vist i tabel 1.
Figur 1 Simuleringsberegningsmodel. (a) Termisk feltmodel til krystalvækstsimulering; (b) Opdeling af digelens indre område og relaterede fysiske problemer
Tabel 1 Nogle fysiske parametre brugt i beregningen
Figur 2(a) viser, at temperaturen af den PG-holdige struktur (betegnet som struktur 1) er højere end den for den PG-fri struktur (betegnet som struktur 0) under PG og lavere end den for struktur 0 over PG. Den samlede temperaturgradient stiger, og PG fungerer som et varmeisolerende middel. Ifølge figur 2(b) og 2(c) er de aksiale og radiale temperaturgradienter af struktur 1 i råmaterialezonen mindre, temperaturfordelingen er mere ensartet, og sublimeringen af materialet er mere fuldstændig. I modsætning til råvarezonen viser figur 2(c), at den radiale temperaturgradient ved frøkrystallen af struktur 1 er større, hvilket kan være forårsaget af de forskellige proportioner af forskellige varmeoverførselstilstande, hvilket hjælper krystallen med at vokse med en konveks grænseflade . I figur 2(d) viser temperaturen på forskellige positioner i diglen en stigende tendens, efterhånden som væksten skrider frem, men temperaturforskellen mellem struktur 0 og struktur 1 aftager gradvist i råvarezonen og stiger gradvist i vækstkammeret.
Figur 2 Temperaturfordeling og ændringer i diglen. (a) Temperaturfordeling inde i diglen af struktur 0 (venstre) og struktur 1 (højre) ved 0 h, enhed: ℃; (b) Temperaturfordeling på midterlinjen af diglen af struktur 0 og struktur 1 fra bunden af råmaterialet til frøkrystallen ved 0 timer; (c) Temperaturfordeling fra midten til kanten af diglen på frøkrystaloverfladen (A) og råvareoverfladen (B), midterste (C) og bund (D) ved 0 h, den vandrette akse r er frøkrystalradius for A, og råvarearealets radius for B~D; (d) Temperaturændringer i midten af den øvre del (A), råvareoverfladen (B) og midten (C) af vækstkammeret med struktur 0 og struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer.
Figur 3 viser materialetransporten på forskellige tidspunkter i diglen af struktur 0 og struktur 1. Gasfasematerialestrømningshastigheden i råstofområdet og vækstkammeret stiger med forøgelsen af positionen, og materialetransporten svækkes i takt med væksten. . Figur 3 viser også, at under simuleringsbetingelserne grafitiserer råmaterialet først på diglens sidevæg og derefter på diglens bund. Derudover sker der omkrystallisation på overfladen af råmaterialet, og det tykner gradvist efterhånden som væksten skrider frem. Figur 4(a) og 4(b) viser, at materialestrømningshastigheden inde i råmaterialet falder, efterhånden som væksten skrider frem, og materialestrømningshastigheden ved 100 timer er ca. 50% af det indledende øjeblik; flowhastigheden er imidlertid relativt stor ved kanten på grund af grafitiseringen af råmaterialet, og flowhastigheden ved kanten er mere end 10 gange så stor som flowhastigheden i det midterste område ved 100 timer; desuden gør effekten af PG i struktur 1 materialestrømningshastigheden i råvareområdet i struktur 1 lavere end i struktur 0. I figur 4(c) er materialestrømmen i både råvareområdet og vækstkammeret svækkes gradvist efterhånden som væksten skrider frem, og materialestrømmen i råvareområdet fortsætter med at falde, hvilket skyldes åbningen af luftstrømskanalen ved kanten af digelen og obstruktion af omkrystallisation i toppen; i vækstkammeret falder materialestrømningshastigheden af struktur 0 hurtigt i de første 30 timer til 16% og falder kun med 3% i den efterfølgende tid, mens struktur 1 forbliver relativt stabil gennem hele vækstprocessen. Derfor hjælper PG med at stabilisere materialestrømningshastigheden i vækstkammeret. Figur 4(d) sammenligner materialestrømningshastigheden ved krystalvækstfronten. I det indledende øjeblik og 100 timer er materialetransporten i vækstzonen af struktur 0 stærkere end i struktur 1, men der er altid et område med høj strømningshastighed ved kanten af struktur 0, hvilket fører til overdreven vækst ved kanten . Tilstedeværelsen af PG i struktur 1 undertrykker effektivt dette fænomen.
Figur 3 Materialestrøm i diglen. Strømlinjer (venstre) og hastighedsvektorer (højre) for gasmaterialetransport i struktur 0 og 1 på forskellige tidspunkter, hastighedsvektorenhed: m/s
Figur 4 Ændringer i materialestrømningshastighed. (a) Ændringer i materialestrømningshastighedsfordelingen i midten af råmaterialet i struktur 0 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radius af råmaterialeområdet; (b) Ændringer i materialestrømningshastighedsfordelingen i midten af råmaterialet i struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radius af råmaterialeområdet; (c) Ændringer i materialestrømningshastigheden inde i vækstkammeret (A, B) og inde i råmaterialet (C, D) i strukturerne 0 og 1 over tid; (d) Materialestrømningshastighedsfordeling nær podekrystaloverfladen af strukturerne 0 og 1 ved 0 og 100 timer, r er radius af podekrystallen
C/Si påvirker den krystallinske stabilitet og defekttæthed af SiC-krystalvækst. Figur 5(a) sammenligner C/Si-forholdsfordelingen af de to strukturer i det indledende øjeblik. C/Si-forholdet falder gradvist fra bunden til toppen af digelen, og C/Si-forholdet for struktur 1 er altid højere end for struktur 0 ved forskellige positioner. Figur 5(b) og 5(c) viser, at C/Si-forholdet gradvist stiger med væksten, hvilket er relateret til stigningen i indre temperatur i det senere vækststadie, forbedringen af råmaterialegrafitisering og reaktionen af Si komponenter i gasfasen med grafitdigelen. I figur 5(d) er C/Si-forholdene for struktur 0 og struktur 1 ret forskellige under PG (0, 25 mm), men lidt forskellige over PG (50 mm), og forskellen øges gradvist, når den nærmer sig krystallen . Generelt er C/Si-forholdet for struktur 1 højere, hvilket hjælper med at stabilisere krystalformen og reducere sandsynligheden for faseovergang.
Figur 5 Fordeling og ændringer af C/Si-forhold. (a) C/Si-forholdsfordeling i digler med struktur 0 (venstre) og struktur 1 (højre) ved 0 timer; (b) C/Si-forhold i forskellige afstande fra diglens midterlinje af struktur 0 på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer); (c) C/Si-forhold i forskellige afstande fra diglens midterlinje i struktur 1 på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer); (d) Sammenligning af C/Si-forhold ved forskellige afstande (0, 25, 50, 75, 100 mm) fra midterlinjen af digel af struktur 0 (heltrukken linje) og struktur 1 (stiplet linje) på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer).
Figur 6 viser ændringerne i partikeldiameter og porøsitet af råmaterialeregioner af de to strukturer. Figuren viser, at råvarediameteren falder, og porøsiteten øges nær digelvæggen, og kantporøsiteten fortsætter med at stige, og partikeldiameteren fortsætter med at falde, efterhånden som væksten skrider frem. Den maksimale kantporøsitet er omkring 0,99 ved 100 timer, og den mindste partikeldiameter er omkring 300 μm. Partikeldiameteren øges, og porøsiteten falder på den øvre overflade af råmaterialet, svarende til omkrystallisation. Tykkelsen af rekrystallisationsområdet øges, efterhånden som væksten skrider frem, og partikelstørrelsen og porøsiteten fortsætter med at ændre sig. Den maksimale partikeldiameter når mere end 1500 μm, og minimum porøsitet er 0,13. Da PG desuden øger temperaturen i råmaterialeområdet, og gasovermætningen er lille, er omkrystallisationstykkelsen af den øvre del af råmaterialet i struktur 1 lille, hvilket forbedrer råvareudnyttelsesgraden.
Figur 6 Ændringer i partikeldiameter (venstre) og porøsitet (højre) af råvareområdet i struktur 0 og struktur 1 på forskellige tidspunkter, partikeldiameterenhed: μm
Figur 7 viser, at struktur 0 deformeres i begyndelsen af væksten, hvilket kan være relateret til den for høje materialestrømningshastighed forårsaget af grafitiseringen af råvarekanten. Graden af vridning svækkes under den efterfølgende vækstproces, hvilket svarer til ændringen i materialestrømningshastigheden foran på krystalvæksten af struktur 0 i figur 4 (d). I struktur 1, på grund af effekten af PG, viser krystalgrænsefladen ikke vridning. Derudover gør PG også væksthastigheden af struktur 1 væsentligt lavere end for struktur 0. Centertykkelsen af krystallen af struktur 1 er efter 100 timer kun 68 % af struktur 0.
Figur 7 Interfaceændringer af struktur 0 og struktur 1 krystaller ved 30, 60 og 100 timer
Krystalvækst blev udført under procesbetingelserne for numerisk simulering. Krystallerne dyrket af struktur 0 og struktur 1 er vist i henholdsvis figur 8(a) og figur 8(b). Krystallen af struktur 0 viser en konkav grænseflade med bølger i det centrale område og en faseovergang ved kanten. Overfladekonveksiteten repræsenterer en vis grad af inhomogenitet i transporten af gasfasematerialer, og forekomsten af faseovergang svarer til det lave C/Si-forhold. Krystallens grænseflade dyrket af struktur 1 er let konveks, ingen faseovergang er fundet, og tykkelsen er 65% af krystallen uden PG. Generelt svarer krystalvækstresultaterne til simuleringsresultaterne med en større radial temperaturforskel ved krystalgrænsefladen af struktur 1, den hurtige vækst ved kanten undertrykkes, og den samlede materialestrømningshastighed er langsommere. Den overordnede tendens er i overensstemmelse med de numeriske simuleringsresultater.
Figur 8 SiC-krystaller dyrket under struktur 0 og struktur 1
Konklusion
PG er befordrende for forbedring af den overordnede temperatur i råmaterialeområdet og forbedring af aksial og radial temperaturensartethed, hvilket fremmer fuld sublimering og udnyttelse af råmaterialet; top- og bundtemperaturforskellen øges, og den radiale gradient af frøkrystaloverfladen øges, hvilket hjælper med at opretholde den konvekse grænsefladevækst. Med hensyn til masseoverførsel reducerer introduktionen af PG den samlede masseoverførselshastighed, materialestrømningshastigheden i vækstkammeret, der indeholder PG, ændres mindre med tiden, og hele vækstprocessen er mere stabil. Samtidig hæmmer PG også effektivt forekomsten af overdreven kantmasseoverførsel. Derudover øger PG også C/Si-forholdet i vækstmiljøet, især ved forkanten af frøkrystalgrænsefladen, hvilket hjælper med at reducere forekomsten af faseændringer under vækstprocessen. Samtidig reducerer den termiske isoleringseffekt af PG til en vis grad forekomsten af omkrystallisation i den øvre del af råmaterialet. For krystalvækst sænker PG krystalvæksthastigheden, men vækstgrænsefladen er mere konveks. Derfor er PG et effektivt middel til at forbedre vækstmiljøet for SiC-krystaller og optimere krystalkvaliteten.
Indlægstid: 18-jun-2024