Η βασική διαδικασία τουΟύτωΗ ανάπτυξη κρυστάλλων χωρίζεται σε εξάχνωση και αποσύνθεση πρώτων υλών σε υψηλή θερμοκρασία, μεταφορά ουσιών αέριας φάσης υπό τη δράση της βαθμίδας θερμοκρασίας και ανάπτυξη ανακρυστάλλωσης ουσιών αέριας φάσης στον κρύσταλλο των σπόρων. Με βάση αυτό, το εσωτερικό του χωνευτηρίου χωρίζεται σε τρία μέρη: περιοχή πρώτης ύλης, θάλαμος ανάπτυξης και κρύσταλλο σπόρων. Σχεδιάστηκε ένα μοντέλο αριθμητικής προσομοίωσης με βάση την πραγματική αντίστασηΟύτωεξοπλισμός ανάπτυξης μονού κρυστάλλου (βλ. Εικόνα 1). Στον υπολογισμό: το κάτω μέρος τουχωνευτήριοαπέχει 90 mm από το κάτω μέρος του πλευρικού θερμαντήρα, η ανώτερη θερμοκρασία του χωνευτηρίου είναι 2100 ℃, η διάμετρος σωματιδίων της πρώτης ύλης είναι 1000 μm, το πορώδες είναι 0,6, η πίεση ανάπτυξης είναι 300 Pa και ο χρόνος ανάπτυξης είναι 100 ώρες . Το πάχος PG είναι 5 mm, η διάμετρος είναι ίση με την εσωτερική διάμετρο του χωνευτηρίου και βρίσκεται 30 mm πάνω από την πρώτη ύλη. Οι διαδικασίες εξάχνωσης, ανθρακοποίησης και ανακρυστάλλωσης της ζώνης της πρώτης ύλης λαμβάνονται υπόψη στον υπολογισμό και η αντίδραση μεταξύ ουσιών PG και αέριας φάσης δεν λαμβάνεται υπόψη. Οι παράμετροι φυσικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τον υπολογισμό φαίνονται στον Πίνακα 1.
Σχήμα 1 Μοντέλο υπολογισμού προσομοίωσης. (α) Μοντέλο θερμικού πεδίου για προσομοίωση ανάπτυξης κρυστάλλων. (β) Διαίρεση της εσωτερικής περιοχής του χωνευτηρίου και σχετικά φυσικά προβλήματα
Πίνακας 1 Ορισμένες φυσικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό
Το Σχήμα 2(α) δείχνει ότι η θερμοκρασία της δομής που περιέχει PG (που συμβολίζεται ως δομή 1) είναι υψηλότερη από εκείνη της δομής χωρίς PG (που συμβολίζεται ως δομή 0) κάτω από το PG και χαμηλότερη από εκείνη της δομής 0 πάνω από το PG. Η συνολική διαβάθμιση θερμοκρασίας αυξάνεται και το PG δρα ως θερμομονωτικό μέσο. Σύμφωνα με τα σχήματα 2(b) και 2(c), οι αξονικές και ακτινικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας της δομής 1 στη ζώνη της πρώτης ύλης είναι μικρότερες, η κατανομή θερμοκρασίας είναι πιο ομοιόμορφη και η εξάχνωση του υλικού είναι πιο πλήρης. Σε αντίθεση με τη ζώνη πρώτης ύλης, το Σχήμα 2(γ) δείχνει ότι η ακτινική διαβάθμιση θερμοκρασίας στον κρύσταλλο σπόρων της δομής 1 είναι μεγαλύτερη, η οποία μπορεί να προκαλείται από τις διαφορετικές αναλογίες διαφορετικών τρόπων μεταφοράς θερμότητας, που βοηθά τον κρύσταλλο να αναπτυχθεί με μια κυρτή διεπαφή . Στο Σχήμα 2(δ), η θερμοκρασία σε διαφορετικές θέσεις στο χωνευτήριο δείχνει μια αυξητική τάση καθώς προχωρά η ανάπτυξη, αλλά η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της δομής 0 και της δομής 1 μειώνεται σταδιακά στη ζώνη της πρώτης ύλης και σταδιακά αυξάνεται στον θάλαμο ανάπτυξης.
Σχήμα 2 Κατανομή θερμοκρασίας και αλλαγές στο χωνευτήριο. (α) Κατανομή θερμοκρασίας εντός του χωνευτηρίου της δομής 0 (αριστερά) και της δομής 1 (δεξιά) στις 0 h, μονάδα: ℃; β) Κατανομή θερμοκρασίας στην κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου της δομής 0 και της δομής 1 από τον πυθμένα της πρώτης ύλης μέχρι τον κρύσταλλο των σπόρων στις 0 h. (γ) Κατανομή θερμοκρασίας από το κέντρο έως την άκρη του χωνευτηρίου στην επιφάνεια κρυστάλλου σπόρου (Α) και στην επιφάνεια της πρώτης ύλης (Β), στη μέση (C) και στον πυθμένα (D) στις 0 h, ο οριζόντιος άξονας r είναι ο ακτίνα κρυστάλλου σπόρων για το Α και η ακτίνα επιφάνειας πρώτης ύλης για το B~D. (δ) Μεταβολές θερμοκρασίας στο κέντρο του άνω μέρους (Α), στην επιφάνεια της πρώτης ύλης (Β) και στη μέση (C) του θαλάμου ανάπτυξης της δομής 0 και της δομής 1 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες.
Το σχήμα 3 δείχνει τη μεταφορά υλικού σε διαφορετικούς χρόνους στο χωνευτήριο της δομής 0 και της δομής 1. Ο ρυθμός ροής υλικού αέριας φάσης στην περιοχή της πρώτης ύλης και στον θάλαμο ανάπτυξης αυξάνεται με την αύξηση της θέσης και η μεταφορά υλικού εξασθενεί καθώς προχωρά η ανάπτυξη . Το Σχήμα 3 δείχνει επίσης ότι υπό τις συνθήκες προσομοίωσης, η πρώτη ύλη γραφιτοποιείται πρώτα στο πλευρικό τοίχωμα του χωνευτηρίου και στη συνέχεια στον πυθμένα του χωνευτηρίου. Επιπλέον, υπάρχει ανακρυστάλλωση στην επιφάνεια της πρώτης ύλης και σταδιακά πυκνώνει καθώς προχωρά η ανάπτυξη. Τα σχήματα 4(α) και 4(β) δείχνουν ότι ο ρυθμός ροής υλικού μέσα στην πρώτη ύλη μειώνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη και ο ρυθμός ροής υλικού στις 100 ώρες είναι περίπου το 50% της αρχικής στιγμής. Ωστόσο, ο ρυθμός ροής είναι σχετικά μεγάλος στο άκρο λόγω της γραφιτοποίησης της πρώτης ύλης και ο ρυθμός ροής στο άκρο είναι περισσότερο από 10 φορές αυτός του ρυθμού ροής στη μεσαία περιοχή στις 100 ώρες. Επιπλέον, η επίδραση του PG στη δομή 1 καθιστά τον ρυθμό ροής υλικού στην περιοχή της πρώτης ύλης της δομής 1 χαμηλότερο από εκείνον της δομής 0. Στο σχήμα 4(γ), η ροή υλικού τόσο στην περιοχή της πρώτης ύλης όσο και στην ο θάλαμος ανάπτυξης σταδιακά εξασθενεί καθώς η ανάπτυξη προχωρά και η ροή του υλικού στην περιοχή της πρώτης ύλης συνεχίζει να μειώνεται, γεγονός που προκαλείται από το άνοιγμα του καναλιού ροής αέρα στην άκρη του χωνευτηρίου και την απόφραξη του ανακρυστάλλωση στην κορυφή? στον θάλαμο ανάπτυξης, ο ρυθμός ροής υλικού της δομής 0 μειώνεται γρήγορα στις αρχικές 30 ώρες σε 16%, και μειώνεται μόνο κατά 3% στον επόμενο χρόνο, ενώ η δομή 1 παραμένει σχετικά σταθερή σε όλη τη διαδικασία ανάπτυξης. Επομένως, το PG βοηθά στη σταθεροποίηση του ρυθμού ροής υλικού στον θάλαμο ανάπτυξης. Το Σχήμα 4(δ) συγκρίνει τον ρυθμό ροής υλικού στο μέτωπο ανάπτυξης κρυστάλλων. Την αρχική στιγμή και τις 100 ώρες, η μεταφορά υλικού στη ζώνη ανάπτυξης της δομής 0 είναι ισχυρότερη από αυτή στη δομή 1, αλλά υπάρχει πάντα μια περιοχή υψηλής ταχύτητας ροής στην άκρη της δομής 0, η οποία οδηγεί σε υπερβολική ανάπτυξη στην άκρη . Η παρουσία PG στη δομή 1 καταστέλλει αποτελεσματικά αυτό το φαινόμενο.
Εικόνα 3 Ροή υλικού στο χωνευτήριο. Γραμμές ροής (αριστερά) και διανύσματα ταχύτητας (δεξιά) μεταφοράς υλικού αερίου στις δομές 0 και 1 σε διαφορετικούς χρόνους, μονάδα διανύσματος ταχύτητας: m/s
Σχήμα 4 Αλλαγές στον ρυθμό ροής του υλικού. (α) Αλλαγές στην κατανομή του ρυθμού ροής υλικού στο μέσο της πρώτης ύλης της δομής 0 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες, το r είναι η ακτίνα της περιοχής της πρώτης ύλης. (β) Αλλαγές στην κατανομή του ρυθμού ροής υλικού στο μέσο της πρώτης ύλης της δομής 1 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες, το r είναι η ακτίνα της περιοχής της πρώτης ύλης. (γ) Αλλαγές στον ρυθμό ροής υλικού εντός του θαλάμου ανάπτυξης (A, B) και εντός της πρώτης ύλης (C, D) των δομών 0 και 1 με την πάροδο του χρόνου. (δ) Κατανομή ρυθμού ροής υλικού κοντά στην επιφάνεια κρυστάλλου σπόρου των δομών 0 και 1 στις 0 και 100 ώρες, r είναι η ακτίνα του κρυστάλλου σπόρου
Το C/Si επηρεάζει την κρυσταλλική σταθερότητα και την ελαττωματική πυκνότητα της ανάπτυξης κρυστάλλων SiC. Το Σχήμα 5(α) συγκρίνει την κατανομή του λόγου C/Si των δύο δομών στην αρχική στιγμή. Ο λόγος C/Si μειώνεται σταδιακά από το κάτω μέρος προς την κορυφή του χωνευτηρίου και ο λόγος C/Si της δομής 1 είναι πάντα υψηλότερος από αυτόν της δομής 0 σε διαφορετικές θέσεις. Τα σχήματα 5(β) και 5(γ) δείχνουν ότι η αναλογία C/Si αυξάνεται σταδιακά με την ανάπτυξη, η οποία σχετίζεται με την αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας στο μεταγενέστερο στάδιο ανάπτυξης, την ενίσχυση της γραφιτοποίησης της πρώτης ύλης και την αντίδραση του Si συστατικά στην αέρια φάση με το χωνευτήριο γραφίτη. Στο Σχήμα 5(δ), οι αναλογίες C/Si της δομής 0 και της δομής 1 είναι αρκετά διαφορετικές κάτω από το PG (0, 25 mm), αλλά ελαφρώς διαφορετικές πάνω από το PG (50 mm) και η διαφορά σταδιακά αυξάνεται καθώς πλησιάζει τον κρύσταλλο . Γενικά, ο λόγος C/Si της δομής 1 είναι υψηλότερος, γεγονός που βοηθά στη σταθεροποίηση της κρυσταλλικής μορφής και στη μείωση της πιθανότητας μετάβασης φάσης.
Σχήμα 5 Κατανομή και αλλαγές του λόγου C/Si. (α) Κατανομή του λόγου C/Si σε χωνευτήρια δομής 0 (αριστερά) και δομής 1 (δεξιά) σε 0 h. (β) Λόγος C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου της δομής 0 σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 ώρες). (γ) Λόγος C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου της δομής 1 σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 ώρες). (δ) Σύγκριση του λόγου C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις (0, 25, 50, 75, 100 mm) από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου της δομής 0 (συμπαγής γραμμή) και της δομής 1 (διακεκομμένη γραμμή) σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 h).
Το Σχήμα 6 δείχνει τις αλλαγές στη διάμετρο των σωματιδίων και στο πορώδες των περιοχών πρώτης ύλης των δύο δομών. Το σχήμα δείχνει ότι η διάμετρος της πρώτης ύλης μειώνεται και το πορώδες αυξάνεται κοντά στο τοίχωμα του χωνευτηρίου και το πορώδες της ακμής συνεχίζει να αυξάνεται και η διάμετρος των σωματιδίων συνεχίζει να μειώνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη. Το μέγιστο πορώδες άκρου είναι περίπου 0,99 στις 100 ώρες και η ελάχιστη διάμετρος σωματιδίων είναι περίπου 300 μm. Η διάμετρος των σωματιδίων αυξάνεται και το πορώδες μειώνεται στην άνω επιφάνεια της πρώτης ύλης, που αντιστοιχεί στην ανακρυστάλλωση. Το πάχος της περιοχής ανακρυστάλλωσης αυξάνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη και το μέγεθος των σωματιδίων και το πορώδες συνεχίζουν να αλλάζουν. Η μέγιστη διάμετρος σωματιδίων φτάνει τα 1500 μm και το ελάχιστο πορώδες είναι 0,13. Επιπλέον, δεδομένου ότι το PG αυξάνει τη θερμοκρασία της περιοχής της πρώτης ύλης και ο υπερκορεσμός αερίου είναι μικρός, το πάχος ανακρυστάλλωσης του άνω μέρους της πρώτης ύλης της δομής 1 είναι μικρό, γεγονός που βελτιώνει τον ρυθμό χρησιμοποίησης της πρώτης ύλης.
Εικόνα 6 Αλλαγές στη διάμετρο σωματιδίων (αριστερά) και στο πορώδες (δεξιά) της περιοχής της πρώτης ύλης της δομής 0 και της δομής 1 σε διαφορετικούς χρόνους, μονάδα διαμέτρου σωματιδίου: μm
Το Σχήμα 7 δείχνει ότι η δομή 0 παραμορφώνεται στην αρχή της ανάπτυξης, κάτι που μπορεί να σχετίζεται με τον υπερβολικό ρυθμό ροής υλικού που προκαλείται από τη γραφιτοποίηση της άκρης της πρώτης ύλης. Ο βαθμός παραμόρφωσης εξασθενεί κατά τη διάρκεια της επακόλουθης διαδικασίας ανάπτυξης, η οποία αντιστοιχεί στη μεταβολή του ρυθμού ροής υλικού στο μπροστινό μέρος της ανάπτυξης κρυστάλλων της δομής 0 στο Σχήμα 4 (δ). Στη δομή 1, λόγω της επίδρασης του PG, η κρυσταλλική διεπαφή δεν παρουσιάζει παραμόρφωση. Επιπλέον, η PG καθιστά επίσης τον ρυθμό ανάπτυξης της δομής 1 σημαντικά χαμηλότερο από εκείνον της δομής 0. Το πάχος του κέντρου του κρυστάλλου της δομής 1 μετά από 100 ώρες είναι μόνο 68% αυτού της δομής 0.
Εικόνα 7 Αλλαγές διεπαφής των κρυστάλλων δομής 0 και δομής 1 στις 30, 60 και 100 ώρες
Η ανάπτυξη κρυστάλλων πραγματοποιήθηκε υπό τις συνθήκες της διαδικασίας της αριθμητικής προσομοίωσης. Οι κρύσταλλοι που αναπτύσσονται από τη δομή 0 και τη δομή 1 φαίνονται στο Σχήμα 8(α) και στο Σχήμα 8(β), αντίστοιχα. Ο κρύσταλλος της δομής 0 δείχνει μια κοίλη διεπαφή, με κυματισμούς στην κεντρική περιοχή και μια μετάβαση φάσης στην άκρη. Η επιφανειακή κυρτότητα αντιπροσωπεύει έναν ορισμένο βαθμό ανομοιογένειας στη μεταφορά υλικών αέριας φάσης και η εμφάνιση μετάβασης φάσης αντιστοιχεί στη χαμηλή αναλογία C/Si. Η διαχωριστική επιφάνεια του κρυστάλλου που αναπτύσσεται από τη δομή 1 είναι ελαφρώς κυρτή, δεν βρέθηκε μετάβαση φάσης και το πάχος είναι 65% του κρυστάλλου χωρίς PG. Γενικά, τα αποτελέσματα της ανάπτυξης των κρυστάλλων αντιστοιχούν στα αποτελέσματα της προσομοίωσης, με μεγαλύτερη ακτινική διαφορά θερμοκρασίας στη διεπιφάνεια κρυστάλλου της δομής 1, η ταχεία ανάπτυξη στην άκρη καταστέλλεται και ο συνολικός ρυθμός ροής υλικού είναι πιο αργός. Η συνολική τάση είναι συνεπής με τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης.
Εικόνα 8 Κρύσταλλοι SiC που αναπτύσσονται κάτω από τη δομή 0 και τη δομή 1
Σύναψη
Το PG συμβάλλει στη βελτίωση της συνολικής θερμοκρασίας της περιοχής της πρώτης ύλης και στη βελτίωση της αξονικής και ακτινικής ομοιομορφίας θερμοκρασίας, προωθώντας την πλήρη εξάχνωση και χρήση της πρώτης ύλης. η διαφορά θερμοκρασίας πάνω και κάτω αυξάνεται και η ακτινική κλίση της επιφάνειας του κρυστάλλου των σπόρων αυξάνεται, γεγονός που βοηθά στη διατήρηση της κυρτής διεπαφής. Όσον αφορά τη μεταφορά μάζας, η εισαγωγή του PG μειώνει τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς μάζας, ο ρυθμός ροής υλικού στον θάλαμο ανάπτυξης που περιέχει PG αλλάζει λιγότερο με το χρόνο και ολόκληρη η διαδικασία ανάπτυξης είναι πιο σταθερή. Ταυτόχρονα, το PG αναστέλλει επίσης αποτελεσματικά την εμφάνιση υπερβολικής μεταφοράς μάζας στα άκρα. Επιπλέον, το PG αυξάνει επίσης την αναλογία C/Si του περιβάλλοντος ανάπτυξης, ειδικά στο μπροστινό άκρο της διεπιφάνειας των κρυστάλλων σπόρων, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση της εμφάνισης αλλαγής φάσης κατά τη διαδικασία ανάπτυξης. Ταυτόχρονα, η θερμομονωτική επίδραση του PG μειώνει σε κάποιο βαθμό την εμφάνιση ανακρυστάλλωσης στο πάνω μέρος της πρώτης ύλης. Για την ανάπτυξη των κρυστάλλων, το PG επιβραδύνει τον ρυθμό ανάπτυξης των κρυστάλλων, αλλά η διεπαφή ανάπτυξης είναι πιο κυρτή. Επομένως, το PG είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για τη βελτίωση του περιβάλλοντος ανάπτυξης των κρυστάλλων SiC και τη βελτιστοποίηση της ποιότητας των κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-18-2024