Osnovni proces odSiCrast kristala dijeli se na sublimaciju i razgradnju sirovina na visokoj temperaturi, transport tvari plinovite faze pod djelovanjem temperaturnog gradijenta i rekristalizacijski rast tvari plinovite faze na klici kristala. Na temelju toga, unutrašnjost lončića je podijeljena u tri dijela: područje sirovina, komora za rast i klica kristala. Numerički simulacijski model nacrtan je na temelju stvarnog otpornikaSiCopremu za rast monokristala (vidi sliku 1). U izračunu: donji diolončićje 90 mm udaljen od dna bočnog grijača, gornja temperatura lončića je 2100 ℃, promjer čestice sirovine je 1000 μm, poroznost je 0,6, tlak rasta je 300 Pa, a vrijeme rasta je 100 h . Debljina PG je 5 mm, promjer je jednak unutarnjem promjeru lončića, a nalazi se 30 mm iznad sirovine. U proračunu se uzimaju u obzir procesi sublimacije, karbonizacije i rekristalizacije zone sirovine, a ne uzima se u obzir reakcija između PG i tvari plinovite faze. Parametri fizičkih svojstava vezani uz izračun prikazani su u tablici 1.
Slika 1 Simulacijski proračunski model. (a) Model toplinskog polja za simulaciju rasta kristala; (b) Podjela unutarnjeg područja lončića i povezani fizički problemi
Tablica 1 Neki fizički parametri korišteni u proračunu
Slika 2(a) pokazuje da je temperatura strukture koja sadrži PG (označena kao struktura 1) viša od temperature strukture bez PG (označene kao struktura 0) ispod PG, a niža od temperature strukture 0 iznad PG. Ukupni temperaturni gradijent se povećava, a PG djeluje kao sredstvo za toplinsku izolaciju. Prema slikama 2(b) i 2(c), aksijalni i radijalni gradijenti temperature strukture 1 u zoni sirovine su manji, raspodjela temperature je ravnomjernija, a sublimacija materijala potpunija. Za razliku od zone sirovina, slika 2(c) pokazuje da je radijalni temperaturni gradijent na klici kristala strukture 1 veći, što može biti uzrokovano različitim udjelima različitih načina prijenosa topline, što pomaže kristalu da raste s konveksnom površinom . Na slici 2(d), temperatura na različitim mjestima u lončiću pokazuje rastući trend kako rast napreduje, ali temperaturna razlika između strukture 0 i strukture 1 postupno se smanjuje u zoni sirovina i postupno se povećava u komori za rast.
Slika 2 Raspodjela temperature i promjene u loncu. (a) Raspodjela temperature unutar lončića strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h, jedinica: ℃; (b) Raspodjela temperature na središnjoj liniji lončića strukture 0 i strukture 1 od dna sirovog materijala do klica kristala u 0 h; (c) Raspodjela temperature od središta do ruba lončića na površini klice (A) i površini sirovog materijala (B), sredini (C) i dnu (D) u 0 h, vodoravna os r je radijus kristalnog klica za A i radijus površine sirovog materijala za B~D; (d) Promjene temperature u središtu gornjeg dijela (A), površini sirovine (B) i sredini (C) komore za rast strukture 0 i strukture 1 na 0, 30, 60 i 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materijala u različitim vremenima u lončiću strukture 0 i strukture 1. Brzina protoka materijala u plinovitoj fazi u području sirovina i komori za rast raste s povećanjem položaja, a transport materijala slabi kako rast napreduje . Slika 3 također pokazuje da u uvjetima simulacije sirovina prvo grafitizira na bočnoj stijenci lončića, a zatim na dnu lončića. Osim toga, na površini sirovine dolazi do rekristalizacije i ona se postupno zgušnjava kako rast napreduje. Slike 4(a) i 4(b) pokazuju da se brzina protoka materijala unutar sirovine smanjuje kako rast napreduje, a brzina protoka materijala u 100 h je oko 50% početnog trenutka; međutim, brzina protoka je relativno velika na rubu zbog grafitizacije sirovog materijala, a brzina protoka na rubu je više od 10 puta veća od brzine protoka u srednjem području na 100 h; osim toga, učinak PG u strukturi 1 čini brzinu protoka materijala u području sirovina strukture 1 nižom od one u strukturi 0. Na slici 4(c), protok materijala u području sirovina i komora za rast postupno slabi kako rast napreduje, a protok materijala u području sirovina nastavlja se smanjivati, što je uzrokovano otvaranjem kanala za protok zraka na rubu lončića i ometanjem rekristalizacije na vrhu; u komori za rast, brzina protoka materijala strukture 0 brzo se smanjuje u prvih 30 h na 16%, a smanjuje se samo za 3% u narednom vremenu, dok struktura 1 ostaje relativno stabilna tijekom procesa rasta. Stoga PG pomaže stabilizirati brzinu protoka materijala u komori za rast. Slika 4(d) uspoređuje brzinu protoka materijala na fronti rasta kristala. U početnom trenutku i 100 h transport materijala u zoni rasta strukture 0 je jači nego u strukturi 1, ali uvijek postoji područje visokog protoka na rubu strukture 0, što dovodi do prekomjernog rasta na rubu . Prisutnost PG u strukturi 1 učinkovito suzbija ovaj fenomen.
Slika 3 Protok materijala u loncu. Strujnice (lijevo) i vektori brzine (desno) transporta plinskog materijala u strukturama 0 i 1 u različitim vremenima, jedinica vektora brzine: m/s
Slika 4 Promjene u brzini protoka materijala. (a) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 0 na 0, 30, 60 i 100 h, r je radijus područja sirovine; (b) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 1 na 0, 30, 60 i 100 h, r je radijus područja sirovine; (c) Promjene u brzini protoka materijala unutar komore za rast (A, B) i unutar sirovine (C, D) struktura 0 i 1 tijekom vremena; (d) Raspodjela brzine protoka materijala blizu površine kristala klice struktura 0 i 1 na 0 i 100 h, r je radijus kristala klice
C/Si utječe na kristalnu stabilnost i gustoću defekata rasta kristala SiC. Slika 5(a) uspoređuje distribuciju omjera C/Si dviju struktura u početnom trenutku. Omjer C/Si postupno se smanjuje od dna prema vrhu lončića, a omjer C/Si strukture 1 uvijek je veći od onog strukture 0 na različitim položajima. Slike 5(b) i 5(c) pokazuju da se omjer C/Si postupno povećava s rastom, što je povezano s povećanjem unutarnje temperature u kasnijoj fazi rasta, pojačanom grafitizacijom sirovine i reakcijom Si komponente u plinskoj fazi s grafitnim loncem. Na slici 5(d), omjeri C/Si strukture 0 i strukture 1 prilično su različiti ispod PG (0, 25 mm), ali malo drugačiji iznad PG (50 mm), a razlika se postupno povećava kako se približava kristalu . Općenito, omjer C/Si strukture 1 je veći, što pomaže stabilizirati kristalni oblik i smanjiti vjerojatnost faznog prijelaza.
Slika 5 Distribucija i promjene omjera C/Si. (a) Raspodjela omjera C/Si u loncima strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h; (b) omjer C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 0 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (c) omjer C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 1 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (d) Usporedba omjera C/Si na različitim udaljenostima (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središnje linije lončića strukture 0 (puna linija) i strukture 1 (isprekidana linija) u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h).
Slika 6 prikazuje promjene u promjeru čestica i poroznosti sirovinskih područja dviju struktura. Slika pokazuje da se promjer sirovine smanjuje, a poroznost povećava u blizini stijenke lončića, a rubna poroznost se nastavlja povećavati, a promjer čestice nastavlja se smanjivati kako rast napreduje. Maksimalna rubna poroznost je oko 0,99 na 100 h, a minimalni promjer čestice je oko 300 μm. Promjer čestica se povećava, a poroznost smanjuje na gornjoj površini sirovine, što odgovara rekristalizaciji. Debljina područja rekristalizacije povećava se kako rast napreduje, a veličina čestica i poroznost nastavljaju se mijenjati. Maksimalni promjer čestica doseže više od 1500 μm, a minimalna poroznost je 0,13. Osim toga, budući da PG povećava temperaturu područja sirovine, a prezasićenost plinom je mala, debljina rekristalizacije gornjeg dijela sirovine strukture 1 je mala, što poboljšava stopu iskorištenja sirovine.
Slika 6 Promjene u promjeru čestica (lijevo) i poroznosti (desno) područja sirovine strukture 0 i strukture 1 u različitim vremenima, jedinica promjera čestica: μm
Slika 7 pokazuje da se struktura 0 iskrivljuje na početku rasta, što može biti povezano s prevelikim protokom materijala uzrokovanim grafitizacijom ruba sirovine. Stupanj savijanja je oslabljen tijekom procesa rasta koji slijedi, što odgovara promjeni brzine protoka materijala na početku rasta kristala strukture 0 na slici 4 (d). U strukturi 1, zbog učinka PG, kristalno sučelje ne pokazuje savijanje. Osim toga, PG također čini stopu rasta strukture 1 značajno nižom od one strukture 0. Središnja debljina kristala strukture 1 nakon 100 h je samo 68% debljine strukture 0.
Slika 7 Promjene sučelja kristala strukture 0 i strukture 1 na 30, 60 i 100 h
Rast kristala proveden je u procesnim uvjetima numeričke simulacije. Kristali uzgojeni strukturom 0 i strukturom 1 prikazani su na slici 8(a) i slici 8(b). Kristal strukture 0 pokazuje konkavno sučelje, s valovima u središnjem području i faznim prijelazom na rubu. Konveksnost površine predstavlja određeni stupanj nehomogenosti u transportu materijala u plinovitoj fazi, a pojava faznog prijelaza odgovara niskom omjeru C/Si. Sučelje kristala uzgojenog strukturom 1 blago je konveksno, nema faznog prijelaza, a debljina je 65% kristala bez PG. Općenito, rezultati rasta kristala odgovaraju rezultatima simulacije, s većom radijalnom temperaturnom razlikom na sučelju kristala strukture 1, brzi rast na rubu je potisnut, a ukupna brzina protoka materijala je sporija. Ukupni trend je u skladu s rezultatima numeričke simulacije.
Slika 8 SiC kristali uzgojeni pod strukturom 0 i strukturom 1
Zaključak
PG pogoduje poboljšanju ukupne temperature područja sirovina i poboljšanju aksijalne i radijalne ujednačenosti temperature, promičući potpunu sublimaciju i iskorištavanje sirovina; gornja i donja temperaturna razlika se povećava, a radijalni gradijent površine kristala klice se povećava, što pomaže u održavanju rasta konveksne površine. Što se tiče prijenosa mase, uvođenjem PG smanjuje se ukupna brzina prijenosa mase, brzina protoka materijala u komori za rast koja sadrži PG manje se mijenja s vremenom, a cijeli proces rasta je stabilniji. U isto vrijeme, PG također učinkovito inhibira pojavu prekomjernog rubnog prijenosa mase. Osim toga, PG također povećava omjer C/Si u okruženju rasta, posebno na prednjem rubu sučelja kristalnog klica, što pomaže smanjiti pojavu fazne promjene tijekom procesa rasta. Istodobno, učinak toplinske izolacije PG-a u određenoj mjeri smanjuje pojavu rekristalizacije u gornjem dijelu sirovine. Za rast kristala, PG usporava stopu rasta kristala, ali je sučelje rasta konveksnije. Stoga je PG učinkovito sredstvo za poboljšanje okruženja rasta SiC kristala i optimizaciju kvalitete kristala.
Vrijeme objave: 18. lipnja 2024