PerusprosessiSiCkiteen kasvu jaetaan sublimaatioon ja raaka-aineiden hajoamiseen korkeassa lämpötilassa, kaasufaasiaineiden kuljetukseen lämpötilagradientin vaikutuksesta ja kaasufaasiaineiden uudelleenkiteytyskasvuun siemenkiteessä. Tämän perusteella upokkaan sisäpuoli on jaettu kolmeen osaan: raaka-ainealue, kasvukammio ja siemenkide. Varsinaisen resistiivisen perusteella laadittiin numeerinen simulaatiomalliSiCyksikidekasvatuslaitteet (katso kuva 1). Laskennassa: alareunassaupokason 90 mm etäisyydellä sivulämmittimen pohjasta, upokkaan ylälämpötila on 2100 ℃, raaka-ainehiukkasten halkaisija 1000 μm, huokoisuus 0,6, kasvupaine 300 Pa ja kasvuaika 100 h . PG:n paksuus on 5 mm, halkaisija on yhtä suuri kuin upokkaan sisähalkaisija ja se sijaitsee 30 mm raaka-aineen yläpuolella. Laskennassa huomioidaan raaka-ainevyöhykkeen sublimaatio-, hiiltymis- ja uudelleenkiteytysprosessit, eikä PG:n ja kaasufaasiaineiden välistä reaktiota huomioida. Laskemiseen liittyvät fyysisten ominaisuuksien parametrit on esitetty taulukossa 1.
Kuva 1 Simulaatiolaskentamalli. (a) Lämpökenttämalli kiteen kasvun simulointiin; (b) Upokkaan sisäisen alueen jako ja siihen liittyvät fyysiset ongelmat
Taulukko 1 Jotkut laskennassa käytetyt fyysiset parametrit
Kuva 2(a) osoittaa, että PG:tä sisältävän rakenteen (merkitty rakenteeksi 1) lämpötila on korkeampi kuin PG:tä sisältämättömän rakenteen (merkitty rakenteella 0) PG:n alapuolella ja alhaisempi kuin rakenteen 0 PG:n yläpuolella. Yleinen lämpötilagradientti kasvaa, ja PG toimii lämpöä eristävänä aineena. Kuvioiden 2(b) ja 2(c) mukaan rakenteen 1 aksiaaliset ja säteittäiset lämpötilagradientit raaka-ainevyöhykkeellä ovat pienempiä, lämpötilajakauma on tasaisempi ja materiaalin sublimoituminen täydellisempää. Toisin kuin raaka-ainevyöhykkeellä, kuva 2(c) osoittaa, että säteittäinen lämpötilagradientti rakenteen 1 siemenkiteessä on suurempi, mikä voi johtua eri lämmönsiirtomuotojen eri suhteista, mikä auttaa kiteen kasvamaan kuperalla rajapinnalla. . Kuvassa 2(d) upokkaan eri kohdissa oleva lämpötila näyttää nousevaa trendiä kasvun edetessä, mutta rakenteen 0 ja rakenteen 1 välinen lämpötilaero pienenee vähitellen raaka-ainevyöhykkeellä ja kasvaa vähitellen kasvukammiossa.
Kuva 2 Lämpötilajakauma ja muutokset upokkaassa. (a) Lämpötilajakauma rakenteen 0 (vasemmalla) ja rakenteen 1 (oikea) upokkaan sisällä 0 tunnin kohdalla, yksikkö: ℃; (b) Lämpötilajakauma rakenteen 0 ja rakenteen 1 upokkaan keskiviivalla raaka-aineen pohjasta siemenkiteelle 0 tunnin kohdalla; (c) Lämpötilan jakautuminen upokkaan keskeltä reunaan siemenkiteen pinnalla (A) ja raaka-aineen pinnalla (B), keskellä (C) ja pohjalla (D) 0 tunnin kohdalla, vaaka-akseli r on siemenkiteen säde A:lle ja raaka-aineen alueen säde B~D:lle; (d) Lämpötilan muutokset rakenteen 0 ja rakenteen 1 kasvukammion yläosan (A), raaka-aineen pinnan (B) ja keskikohdan (C) keskellä 0, 30, 60 ja 100 tunnin kohdalla.
Kuvassa 3 on esitetty materiaalin kuljetus eri aikoina rakenteen 0 ja rakenteen 1 upokkaassa. Kaasufaasimateriaalin virtausnopeus raaka-ainealueella ja kasvukammiossa kasvaa sijainnin kasvaessa ja materiaalin kuljetus heikkenee kasvun edetessä. . Kuvasta 3 näkyy myös, että simulointiolosuhteissa raaka-aine grafitoituu ensin upokkaan sivuseinämään ja sitten upokkaan pohjaan. Lisäksi raaka-aineen pinnalla tapahtuu uudelleenkiteytymistä ja se paksuuntuu vähitellen kasvun edetessä. Kuvat 4(a) ja 4(b) osoittavat, että materiaalin virtausnopeus raaka-aineen sisällä pienenee kasvun edetessä ja materiaalin virtausnopeus 100 tunnin kohdalla on noin 50 % alkuhetkestä; virtausnopeus on kuitenkin suhteellisen suuri reunassa raaka-aineen grafitoitumisen vuoksi, ja virtausnopeus reunassa on yli 10 kertaa keskialueen virtausnopeus 100 tunnin kohdalla; lisäksi PG:n vaikutus rakenteessa 1 tekee materiaalivirtauksen rakenteen 1 raaka-ainealueella pienemmäksi kuin rakenteen 0. Kuvassa 4(c) materiaalivirta sekä raaka-ainealueella että kasvukammio vähitellen heikkenee kasvun edetessä ja materiaalivirtaus raaka-ainealueella jatkaa pienenemistä, mikä johtuu upokkaan reunassa olevan ilmavirtauskanavan avautumisesta ja uudelleenkiteytymisen estymisestä yläosassa; kasvukammiossa rakenteen 0 materiaalivirtaus laskee nopeasti ensimmäisten 30 tunnin aikana 16 %:iin ja pienenee vain 3 % seuraavana aikana, kun taas rakenne 1 pysyy suhteellisen vakaana koko kasvuprosessin ajan. Siksi PG auttaa stabiloimaan materiaalin virtausnopeutta kasvukammiossa. Kuvassa 4(d) verrataan materiaalin virtausnopeutta kiteen kasvurintamalla. Alkuhetkellä ja 100 h materiaalin kulku rakenteen 0 kasvuvyöhykkeellä on voimakkaampaa kuin rakenteessa 1, mutta rakenteen 0 reunassa on aina suuri virtausalue, mikä johtaa liialliseen kasvuun reunassa. . PG:n läsnäolo rakenteessa 1 estää tehokkaasti tämän ilmiön.
Kuva 3 Materiaalin virtaus upokkaassa. Kaasumateriaalin kuljetuksen virtaviivat (vasemmalla) ja nopeusvektorit (oikealla) rakenteissa 0 ja 1 eri aikoina, nopeusvektorin yksikkö: m/s
Kuva 4 Muutokset materiaalin virtausnopeudessa. (a) Muutokset materiaalin virtausnopeuden jakautumisessa rakenteen 0 raaka-aineen keskellä 0, 30, 60 ja 100 tunnin kohdalla, r on raaka-ainealueen säde; (b) Muutokset materiaalin virtausnopeuden jakautumisessa rakenteen 1 raaka-aineen keskellä 0, 30, 60 ja 100 tunnin kohdalla, r on raaka-ainealueen säde; (c) Rakenteiden 0 ja 1 materiaalin virtausnopeuden muutokset kasvukammion (A, B) ja raaka-aineen (C, D) sisällä ajan myötä; (d) Materiaalin virtausnopeusjakauma rakenteiden 0 ja 1 siemenkidepinnan lähellä 0 ja 100 tunnin kohdalla, r on siemenkiteen säde
C/Si vaikuttaa piikarbidin kiteiden kasvun kidestabiilisuuteen ja virhetiheyteen. Kuva 5(a) vertaa näiden kahden rakenteen C/Si-suhdejakaumaa alkuhetkellä. C/Si-suhde pienenee asteittain upokkaan alhaalta ylöspäin ja rakenteen 1 C/Si-suhde on aina suurempi kuin rakenteen 0 eri kohdissa. Kuvat 5(b) ja 5(c) osoittavat, että C/Si-suhde kasvaa vähitellen kasvun mukana, mikä liittyy sisäisen lämpötilan nousuun kasvun myöhemmässä vaiheessa, raaka-aineen grafitoitumisen tehostumiseen ja Si:n reaktioon. komponentit kaasufaasissa grafiittiupokkaan kanssa. Kuvassa 5(d) rakenteen 0 ja rakenteen 1 C/Si-suhteet ovat melko erilaisia PG:n alapuolella (0,25 mm), mutta hieman erilaiset PG:n (50 mm) yläpuolella, ja ero kasvaa vähitellen, kun se lähestyy kiteitä. . Yleensä rakenteen 1 C/Si-suhde on suurempi, mikä auttaa stabiloimaan kidemuotoa ja vähentämään faasisiirtymän todennäköisyyttä.
Kuva 5 C/Si-suhteen jakautuminen ja muutokset. (a) C/Si-suhteen jakauma upokkaissa, joilla on rakenne 0 (vasemmalla) ja rakenne 1 (oikealla) 0 tunnin kohdalla; (b) C/Si-suhde eri etäisyyksillä rakenteen 0 upokkaan keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-suhde eri etäisyyksillä rakenteen 1 upokkaan keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h); (d) C/Si-suhteen vertailu eri etäisyyksillä (0, 25, 50, 75, 100 mm) rakenteen 0 (yhtenäinen viiva) ja rakenteen 1 (katkoviiva) keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h).
Kuvassa 6 on esitetty näiden kahden rakenteen raaka-ainealueiden hiukkasten halkaisijan ja huokoisuuden muutokset. Kuvasta näkyy, että raaka-aineen halkaisija pienenee ja huokoisuus kasvaa lähellä upokkaan seinämää ja reunahuokoisuus jatkaa kasvuaan ja hiukkasten halkaisija pienenee kasvun edetessä. Suurin reunahuokoisuus on noin 0,99 100 tunnin kohdalla ja pienin hiukkashalkaisija on noin 300 μm. Raaka-aineen yläpinnalla hiukkasten halkaisija kasvaa ja huokoisuus pienenee, mikä vastaa uudelleenkiteytymistä. Uudelleenkiteytysalueen paksuus kasvaa kasvun edetessä, ja hiukkaskoko ja huokoisuus muuttuvat edelleen. Hiukkasten suurin halkaisija saavuttaa yli 1500 μm ja pienin huokoisuus on 0,13. Lisäksi koska PG nostaa raaka-ainealueen lämpötilaa ja kaasun ylikyllästys on pieni, rakenteen 1 raaka-aineen yläosan uudelleenkiteytyspaksuus on pieni, mikä parantaa raaka-aineen käyttöastetta.
Kuva 6 Muutokset rakenteen 0 ja rakenteen 1 raaka-ainealueen hiukkashalkaisijassa (vasemmalla) ja huokoisuudessa (oikealla) eri aikoina, hiukkashalkaisijayksikkö: μm
Kuvasta 7 näkyy, että rakenne 0 vääntyy kasvun alussa, mikä voi johtua raaka-aineen reunan grafitoitumisesta aiheutuneesta liiallisesta materiaalivirtauksesta. Vääntymisaste heikkenee myöhemmän kasvatusprosessin aikana, mikä vastaa materiaalin virtausnopeuden muutosta kuvion 4 (d) rakenteen 0 kidekasvuston etuosassa. Rakenteessa 1 PG:n vaikutuksesta kiderajapinnassa ei ole vääntymistä. Lisäksi PG tekee myös rakenteen 1 kasvunopeuden huomattavasti alhaisemmaksi kuin rakenteen 0. Rakenteen 1 kiteen keskipaksuus on 100 tunnin jälkeen vain 68 % rakenteen 0 kasvunopeudesta.
Kuva 7 Rakenteen 0 ja rakenteen 1 kiteiden rajapinnan muutokset 30, 60 ja 100 tunnin kohdalla
Kiteen kasvu suoritettiin numeerisen simulaation prosessiolosuhteissa. Rakenteen 0 ja rakenteen 1 mukaan kasvatetut kiteet on esitetty kuviossa 8(a) ja kuviossa 8(b), vastaavasti. Rakenteen 0 kiteessä on kovera rajapinta, jonka keskellä on aaltoilua ja reunassa vaihemuutos. Pinnan kuperuus edustaa tiettyä epähomogeenisuuden astetta kaasufaasimateriaalien kuljetuksessa, ja faasisiirtymän esiintyminen vastaa alhaista C/Si-suhdetta. Rakenteen 1 kasvattaman kiteen rajapinta on hieman kupera, faasisiirtymää ei löydy ja paksuus on 65 % kiteen ilman PG:tä. Yleisesti ottaen kiteen kasvutulokset vastaavat simulaatiotuloksia, jolloin rakenteen 1 kiderajapinnassa on suurempi säteittäinen lämpötilaero, nopea kasvu reunassa estyy ja materiaalin kokonaisvirtausnopeus on hitaampi. Yleinen trendi on yhdenmukainen numeerisen simulaation tulosten kanssa.
Kuva 8 SiC-kiteet, jotka on kasvatettu rakenteen 0 ja rakenteen 1 alla
Johtopäätös
PG edistää raaka-ainealueen kokonaislämpötilan parantamista ja aksiaalisen ja radiaalisen lämpötilan tasaisuuden parantamista edistäen raaka-aineen täydellistä sublimaatiota ja hyödyntämistä; ylä- ja alalämpötilaero kasvaa ja siemenkidepinnan säteittäinen gradientti kasvaa, mikä auttaa ylläpitämään kuperaa rajapinnan kasvua. Massansiirron kannalta PG:n käyttöönotto vähentää kokonaismassan siirtonopeutta, materiaalin virtausnopeus PG:tä sisältävässä kasvukammiossa muuttuu vähemmän ajan myötä ja koko kasvuprosessi on vakaampi. Samalla PG estää tehokkaasti myös liiallisen reunamassan siirtymisen. Lisäksi PG lisää myös kasvuympäristön C/Si-suhdetta, erityisesti siemenkiderajapinnan etureunassa, mikä auttaa vähentämään faasimuutoksen esiintymistä kasvuprosessin aikana. Samalla PG:n lämmöneristysvaikutus vähentää jossain määrin uudelleenkiteytymistä raaka-aineen yläosassa. Kiteen kasvua varten PG hidastaa kiteen kasvunopeutta, mutta kasvurajapinta on kuperampi. Siksi PG on tehokas keino parantaa piikarbidikiteiden kasvuympäristöä ja optimoida kiteiden laatua.
Postitusaika: 18.6.2024