O proceso básico deSiCO crecemento do cristal divídese en sublimación e descomposición de materias primas a alta temperatura, transporte de substancias en fase gaseosa baixo a acción do gradiente de temperatura e crecemento de recristalización de substancias en fase gaseosa no cristal de semente. En base a isto, o interior do crisol divídese en tres partes: área de materia prima, cámara de crecemento e cristal de semente. Deseñouse un modelo de simulación numérico baseado na resistiva realSiCequipos de crecemento de cristal único (ver Figura 1). No cálculo: a parte inferior docrisolestá a 90 mm da parte inferior do quentador lateral, a temperatura superior do crisol é de 2100 ℃, o diámetro da partícula da materia prima é de 1000 μm, a porosidade é de 0,6, a presión de crecemento é de 300 Pa e o tempo de crecemento é de 100 h. . O grosor do PG é de 5 mm, o diámetro é igual ao diámetro interior do crisol e está situado 30 mm por riba da materia prima. Os procesos de sublimación, carbonización e recristalización da zona de materias primas considéranse no cálculo e non se considera a reacción entre as substancias PG e en fase gaseosa. Os parámetros de propiedades físicas relacionados co cálculo móstranse na táboa 1.
Figura 1 Modelo de cálculo de simulación. (a) Modelo de campo térmico para simulación de crecemento de cristais; (b) División da área interna do crisol e problemas físicos relacionados
Táboa 1 Algúns parámetros físicos utilizados no cálculo
A figura 2(a) mostra que a temperatura da estrutura que contén PG (denotada como estrutura 1) é maior que a da estrutura sen PG (denotada como estrutura 0) por debaixo de PG e inferior á da estrutura 0 por riba de PG. O gradiente de temperatura global aumenta e o PG actúa como axente illante térmico. Segundo as figuras 2(b) e 2(c), os gradientes de temperatura axial e radial da estrutura 1 na zona de materia prima son máis pequenos, a distribución da temperatura é máis uniforme e a sublimación do material é máis completa. A diferenza da zona de materias primas, a Figura 2(c) mostra que o gradiente de temperatura radial no cristal de semente da estrutura 1 é maior, o que pode ser causado polas diferentes proporcións dos diferentes modos de transferencia de calor, o que axuda a que o cristal creza cunha interface convexa. . Na figura 2 (d), a temperatura en diferentes posicións do crisol mostra unha tendencia crecente a medida que avanza o crecemento, pero a diferenza de temperatura entre a estrutura 0 e a estrutura 1 diminúe gradualmente na zona de materia prima e aumenta gradualmente na cámara de crecemento.
Figura 2 Distribución da temperatura e cambios no crisol. (a) Distribución da temperatura no interior do crisol da estrutura 0 (esquerda) e da estrutura 1 (dereita) ás 0 h, unidade: ℃; (b) Distribución da temperatura na liña central do crisol de estrutura 0 e estrutura 1 desde o fondo da materia prima ata o cristal de semente ás 0 h; (c) Distribución da temperatura desde o centro ata o bordo do crisol na superficie do cristal de semente (A) e na superficie da materia prima (B), medio (C) e fondo (D) a 0 h, o eixe horizontal r é o raio de cristal de semente para A, e o raio da área de materia prima para B ~ D; (d) Cambios de temperatura no centro da parte superior (A), da superficie da materia prima (B) e do medio (C) da cámara de crecemento da estrutura 0 e estrutura 1 ás 0, 30, 60 e 100 h.
A figura 3 mostra o transporte de material en diferentes momentos no crisol da estrutura 0 e da estrutura 1. O fluxo de material en fase gasosa na área de materia prima e na cámara de crecemento aumenta co aumento da posición e o transporte de material debilita a medida que avanza o crecemento. . A figura 3 tamén mostra que nas condicións de simulación, a materia prima grafitiza primeiro na parede lateral do crisol e despois no fondo do crisol. Ademais, hai unha recristalización na superficie da materia prima que vai engrosando progresivamente a medida que avanza o crecemento. As figuras 4(a) e 4(b) mostran que o caudal de material no interior da materia prima diminúe a medida que avanza o crecemento, e o caudal de material ás 100 h é aproximadamente o 50% do momento inicial; con todo, o caudal é relativamente grande no bordo debido á grafitización da materia prima, e o caudal no bordo é máis de 10 veces o caudal na zona media ás 100 h; ademais, o efecto de PG na estrutura 1 fai que o fluxo de material na área de materia prima da estrutura 1 sexa inferior ao da estrutura 0. Na figura 4 (c), o fluxo de material tanto na área de materia prima como na A cámara de crecemento debilita gradualmente a medida que avanza o crecemento e o fluxo de material na zona de materias primas segue diminuíndo, o que é causado pola apertura da canle de fluxo de aire no bordo do crisol e a obstrución do recristalización na parte superior; na cámara de crecemento, o fluxo de material da estrutura 0 diminúe rapidamente nas 30 h iniciais ata o 16%, e só diminúe nun 3% no tempo posterior, mentres que a estrutura 1 permanece relativamente estable durante todo o proceso de crecemento. Polo tanto, PG axuda a estabilizar o caudal de material na cámara de crecemento. A figura 4(d) compara o caudal de material na fronte de crecemento do cristal. No momento inicial e 100 h, o transporte de material na zona de crecemento da estrutura 0 é máis forte que o da estrutura 1, pero sempre hai unha área de caudal elevado no bordo da estrutura 0, o que leva a un crecemento excesivo no bordo. . A presenza de PG na estrutura 1 suprime eficazmente este fenómeno.
Figura 3 Fluxo de material no crisol. Racionalización (esquerda) e vectores velocidade (dereita) do transporte de material gasoso nas estruturas 0 e 1 en diferentes momentos, unidade vectorial de velocidade: m/s
Figura 4 Cambios no caudal do material. (a) Cambios na distribución do caudal de material no medio da materia prima da estrutura 0 a 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da materia prima; (b) Cambios na distribución do caudal de material no medio da materia prima da estrutura 1 a 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da materia prima; (c) Cambios no caudal de material dentro da cámara de crecemento (A, B) e dentro da materia prima (C, D) das estruturas 0 e 1 ao longo do tempo; (d) Distribución do caudal de material preto da superficie do cristal de semente das estruturas 0 e 1 a 0 e 100 h, r é o raio do cristal de semente
C/Si afecta á estabilidade cristalina e á densidade de defectos do crecemento dos cristales de SiC. A figura 5(a) compara a distribución da relación C/Si das dúas estruturas no momento inicial. A relación C/Si diminúe gradualmente dende a parte inferior ata a parte superior do crisol, e a relación C/Si da estrutura 1 é sempre maior que a da estrutura 0 en diferentes posicións. As figuras 5 (b) e 5 (c) mostran que a relación C/Si aumenta gradualmente co crecemento, o que está relacionado co aumento da temperatura interna na fase posterior do crecemento, a mellora da grafitización da materia prima e a reacción de Si. compoñentes en fase gaseosa co crisol de grafito. Na Figura 5(d), as relacións C/Si da estrutura 0 e da estrutura 1 son bastante diferentes por debaixo de PG (0, 25 mm), pero lixeiramente diferentes por riba de PG (50 mm), e a diferenza aumenta gradualmente a medida que se achega ao cristal. . En xeral, a relación C/Si da estrutura 1 é maior, o que axuda a estabilizar a forma cristalina e reduce a probabilidade de transición de fase.
Figura 5 Distribución e cambios da relación C/Si. (a) Distribución da relación C/Si en crisols de estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (dereita) a 0 h; (b) Relación C/Si a diferentes distancias da liña central do crisol da estrutura 0 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (c) Relación C/Si a diferentes distancias da liña central do crisol da estrutura 1 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparación da relación C/Si a diferentes distancias (0, 25, 50, 75, 100 mm) desde a liña central do crisol da estrutura 0 (liña continua) e a estrutura 1 (liña discontinua) en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h).
A figura 6 mostra os cambios no diámetro das partículas e a porosidade das rexións da materia prima das dúas estruturas. A figura mostra que o diámetro da materia prima diminúe e a porosidade aumenta preto da parede do crisol, e a porosidade do bordo segue aumentando e o diámetro das partículas segue diminuíndo a medida que avanza o crecemento. A porosidade máxima do bordo é de aproximadamente 0,99 ás 100 h, e o diámetro mínimo de partícula é duns 300 μm. O diámetro da partícula aumenta e a porosidade diminúe na superficie superior da materia prima, correspondente á recristalización. O grosor da área de recristalización aumenta a medida que avanza o crecemento e o tamaño das partículas e a porosidade seguen cambiando. O diámetro máximo da partícula alcanza máis de 1500 μm e a porosidade mínima é de 0,13. Ademais, dado que PG aumenta a temperatura da área de materia prima e a sobresaturación do gas é pequena, o grosor de recristalización da parte superior da materia prima da estrutura 1 é pequeno, o que mellora a taxa de utilización da materia prima.
Figura 6 Cambios no diámetro da partícula (esquerda) e na porosidade (dereita) da área de materia prima da estrutura 0 e estrutura 1 en diferentes momentos, unidade de diámetro de partícula: μm
A figura 7 mostra que a estrutura 0 deforma ao comezo do crecemento, o que pode estar relacionado co exceso de fluxo de material causado pola grafitización do bordo da materia prima. O grao de deformación debilitase durante o proceso de crecemento posterior, o que corresponde ao cambio no caudal de material na parte frontal do crecemento cristalino da estrutura 0 na Figura 4 (d). Na estrutura 1, debido ao efecto de PG, a interface de cristal non mostra deformación. Ademais, PG tamén fai que a taxa de crecemento da estrutura 1 sexa significativamente menor que a da estrutura 0. O grosor central do cristal da estrutura 1 despois de 100 h é só o 68% do da estrutura 0.
Figura 7 Cambios na interface dos cristais da estrutura 0 e da estrutura 1 ás 30, 60 e 100 h
O crecemento do cristal realizouse nas condicións do proceso de simulación numérica. Os cristais cultivados pola estrutura 0 e a estrutura 1 móstranse na Figura 8 (a) e na Figura 8 (b), respectivamente. O cristal da estrutura 0 mostra unha interface cóncava, con ondulacións na zona central e unha transición de fase no bordo. A convexidade da superficie representa un certo grao de deshomoxeneidade no transporte de materiais en fase gaseosa, e a aparición de transición de fase corresponde á baixa relación C/Si. A interface do cristal cultivado pola estrutura 1 é lixeiramente convexa, non se atopa ningunha transición de fase e o grosor é do 65% do cristal sen PG. En xeral, os resultados do crecemento do cristal corresponden aos resultados da simulación, cunha diferenza de temperatura radial maior na interface cristalina da estrutura 1, o rápido crecemento no bordo é suprimido e o fluxo global de material é máis lento. A tendencia xeral é consistente cos resultados da simulación numérica.
Figura 8 Cristais de SiC cultivados baixo a estrutura 0 e a estrutura 1
Conclusión
PG favorece a mellora da temperatura global da área de materia prima e a mellora da uniformidade da temperatura axial e radial, promovendo a total sublimación e utilización da materia prima; a diferenza de temperatura superior e inferior aumenta e o gradiente radial da superficie do cristal de semente aumenta, o que axuda a manter o crecemento da interface convexa. En termos de transferencia de masa, a introdución de PG reduce a taxa de transferencia de masa global, a taxa de fluxo de material na cámara de crecemento que contén PG cambia menos co tempo e todo o proceso de crecemento é máis estable. Ao mesmo tempo, PG tamén inhibe eficazmente a aparición de transferencia de masa excesiva de bordo. Ademais, PG tamén aumenta a relación C/Si do ambiente de crecemento, especialmente no bordo frontal da interface de cristal de semente, o que axuda a reducir a aparición de cambios de fase durante o proceso de crecemento. Ao mesmo tempo, o efecto de illamento térmico do PG reduce ata certo punto a aparición de recristalización na parte superior da materia prima. Para o crecemento dos cristais, PG ralentiza a taxa de crecemento dos cristais, pero a interface de crecemento é máis convexa. Polo tanto, PG é un medio eficaz para mellorar o ambiente de crecemento dos cristais de SiC e optimizar a calidade dos cristais.
Hora de publicación: 18-Xun-2024