Proses dasar dariSiCPertumbuhan kristal dibagi menjadi sublimasi dan dekomposisi bahan mentah pada suhu tinggi, pengangkutan zat fase gas di bawah pengaruh gradien suhu, dan pertumbuhan rekristalisasi zat fase gas pada kristal benih. Berdasarkan hal tersebut, bagian dalam wadah dibagi menjadi tiga bagian: area bahan baku, ruang pertumbuhan, dan kristal benih. Model simulasi numerik digambar berdasarkan resistif sebenarnyaSiCperalatan pertumbuhan kristal tunggal (lihat Gambar 1). Dalam perhitungan: bagian bawahpercobaanberjarak 90 mm dari dasar pemanas samping, suhu atas wadah adalah 2100 ℃, diameter partikel bahan baku 1000 μm, porositas 0,6, tekanan pertumbuhan 300 Pa, dan waktu pertumbuhan 100 jam . Ketebalan PG adalah 5 mm, diameternya sama dengan diameter dalam wadah, dan letaknya 30 mm di atas bahan baku. Proses sublimasi, karbonisasi, dan rekristalisasi zona bahan baku dipertimbangkan dalam perhitungan, dan reaksi antara PG dan zat fase gas tidak dipertimbangkan. Parameter properti fisik terkait perhitungan ditunjukkan pada Tabel 1.
Gambar 1 Model perhitungan simulasi. (a) Model medan termal untuk simulasi pertumbuhan kristal; (b) Pembagian area internal wadah dan masalah fisik terkait
Tabel 1 Beberapa parameter fisik yang digunakan dalam perhitungan
Gambar 2(a) menunjukkan bahwa suhu struktur yang mengandung PG (dilambangkan sebagai struktur 1) lebih tinggi dibandingkan suhu struktur bebas PG (dilambangkan sebagai struktur 0) di bawah PG, dan lebih rendah dibandingkan suhu struktur 0 di atas PG. Gradien suhu keseluruhan meningkat, dan PG bertindak sebagai bahan insulasi panas. Menurut Gambar 2(b) dan 2(c), gradien suhu aksial dan radial struktur 1 di zona bahan baku lebih kecil, distribusi suhu lebih seragam, dan sublimasi material lebih lengkap. Berbeda dengan zona bahan mentah, Gambar 2(c) menunjukkan bahwa gradien suhu radial pada kristal benih struktur 1 lebih besar, yang mungkin disebabkan oleh perbedaan proporsi mode perpindahan panas yang berbeda, yang membantu kristal tumbuh dengan antarmuka cembung . Pada Gambar 2 (d), suhu pada posisi berbeda dalam wadah menunjukkan tren peningkatan seiring dengan kemajuan pertumbuhan, namun perbedaan suhu antara struktur 0 dan struktur 1 secara bertahap menurun di zona bahan baku dan secara bertahap meningkat di ruang pertumbuhan.
Gambar 2 Distribusi suhu dan perubahan dalam wadah. (a) Distribusi suhu di dalam wadah struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada 0 jam, satuan: ℃; (b) Distribusi suhu pada garis tengah cawan struktur 0 dan struktur 1 dari dasar bahan mentah hingga kristal benih pada 0 jam; (c) Distribusi suhu dari pusat ke tepi wadah pada permukaan kristal benih (A) dan permukaan bahan baku (B), tengah (C) dan bawah (D) pada 0 jam, sumbu horizontal r adalah radius kristal benih untuk A, dan radius area bahan baku untuk B~D; (d) Perubahan suhu pada bagian tengah atas (A), permukaan bahan baku (B) dan tengah (C) ruang pertumbuhan struktur 0 dan struktur 1 pada jam 0, 30, 60, dan 100.
Gambar 3 menunjukkan pengangkutan material pada waktu yang berbeda dalam wadah struktur 0 dan struktur 1. Laju aliran material fase gas di area bahan mentah dan ruang pertumbuhan meningkat seiring dengan bertambahnya posisi, dan pengangkutan material melemah seiring dengan kemajuan pertumbuhan. . Gambar 3 juga menunjukkan bahwa dalam kondisi simulasi, bahan mentah pertama-tama diberi grafit di dinding samping wadah dan kemudian di bagian bawah wadah. Selain itu, terjadi rekristalisasi pada permukaan bahan mentah dan secara bertahap mengental seiring dengan kemajuan pertumbuhan. Gambar 4(a) dan 4(b) menunjukkan bahwa laju aliran material di dalam bahan mentah menurun seiring dengan kemajuan pertumbuhan, dan laju aliran material pada 100 jam adalah sekitar 50% dari momen awal; namun, laju aliran di tepian relatif besar karena grafitisasi bahan mentah, dan laju aliran di tepian lebih dari 10 kali lipat laju aliran di area tengah pada 100 jam; Selain itu, pengaruh PG pada struktur 1 membuat laju aliran material pada area bahan baku struktur 1 lebih rendah dibandingkan pada struktur 0. Pada Gambar 4(c), aliran material baik pada area bahan baku maupun area bahan baku. ruang pertumbuhan berangsur-angsur melemah seiring dengan kemajuan pertumbuhan, dan aliran material di area bahan baku terus menurun, yang disebabkan oleh terbukanya saluran aliran udara di tepi wadah dan terhambatnya rekristalisasi di bagian atas; di ruang pertumbuhan, laju aliran material struktur 0 menurun dengan cepat dalam 30 jam awal menjadi 16%, dan hanya menurun sebesar 3% pada waktu berikutnya, sedangkan struktur 1 tetap relatif stabil selama proses pertumbuhan. Oleh karena itu, PG membantu menstabilkan laju aliran material di ruang pertumbuhan. Gambar 4(d) membandingkan laju aliran material pada bagian depan pertumbuhan kristal. Pada momen awal dan 100 jam, pengangkutan material pada zona pertumbuhan struktur 0 lebih kuat dibandingkan pada struktur 1, namun selalu terdapat area laju aliran yang tinggi di tepi struktur 0, yang menyebabkan pertumbuhan berlebihan pada tepi tersebut. . Kehadiran PG pada struktur 1 efektif menekan fenomena ini.
Gambar 3 Aliran material dalam wadah. Garis arus (kiri) dan vektor kecepatan (kanan) transpor material gas pada struktur 0 dan 1 pada waktu berbeda, satuan vektor kecepatan: m/s
Gambar 4 Perubahan laju aliran material. (a) Perubahan distribusi laju aliran bahan di tengah bahan baku struktur 0 pada jam 0, 30, 60, dan 100 jam, r adalah radius luas bahan baku; (b) Perubahan distribusi laju aliran bahan di tengah bahan baku struktur 1 pada jam 0, 30, 60, dan 100 jam, r adalah radius luas bahan baku; (c) Perubahan laju aliran material di dalam ruang pertumbuhan (A, B) dan di dalam bahan mentah (C, D) struktur 0 dan 1 seiring waktu; (d) Distribusi laju aliran material di dekat permukaan kristal benih struktur 0 dan 1 pada jam 0 dan 100, r adalah jari-jari kristal benih
C/Si mempengaruhi stabilitas kristal dan kepadatan cacat pertumbuhan kristal SiC. Gambar 5(a) membandingkan distribusi rasio C/Si kedua struktur pada momen awal. Rasio C/Si berangsur-angsur menurun dari bawah ke atas wadah, dan rasio C/Si struktur 1 selalu lebih tinggi dibandingkan struktur 0 pada posisi berbeda. Gambar 5(b) dan 5(c) menunjukkan bahwa rasio C/Si meningkat secara bertahap seiring dengan pertumbuhan, yang berhubungan dengan peningkatan suhu internal pada tahap pertumbuhan selanjutnya, peningkatan grafitisasi bahan baku, dan reaksi Si. komponen dalam fase gas dengan wadah grafit. Pada Gambar 5(d), rasio C/Si struktur 0 dan struktur 1 sangat berbeda di bawah PG (0,25 mm), namun sedikit berbeda di atas PG (50 mm), dan perbedaannya secara bertahap meningkat seiring mendekati kristal. . Secara umum, rasio C/Si struktur 1 lebih tinggi, yang membantu menstabilkan bentuk kristal dan mengurangi kemungkinan transisi fasa.
Gambar 5 Distribusi dan perubahan rasio C/Si. (a) Distribusi rasio C/Si dalam cawan lebur struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada 0 jam; (b) Rasio C/Si pada jarak berbeda dari garis tengah cawan berstruktur 0 pada waktu berbeda (0, 30, 60, 100 jam); (c) Rasio C/Si pada jarak berbeda dari garis tengah cawan struktur 1 pada waktu berbeda (0, 30, 60, 100 jam); (d) Perbandingan rasio C/Si pada jarak berbeda (0, 25, 50, 75, 100 mm) dari garis tengah krus struktur 0 (garis padat) dan struktur 1 (garis putus-putus) pada waktu berbeda (0, 30, 60, 100 jam).
Gambar 6 menunjukkan perubahan diameter partikel dan porositas daerah bahan baku kedua struktur. Gambar tersebut menunjukkan bahwa diameter bahan baku mengecil dan porositas meningkat di dekat dinding wadah, dan porositas tepi terus meningkat dan diameter partikel terus menurun seiring dengan berjalannya pertumbuhan. Porositas tepi maksimum adalah sekitar 0,99 pada 100 jam, dan diameter partikel minimum adalah sekitar 300 μm. Diameter partikel meningkat dan porositas menurun pada permukaan atas bahan mentah, sesuai dengan rekristalisasi. Ketebalan area rekristalisasi meningkat seiring dengan kemajuan pertumbuhan, dan ukuran partikel serta porositas terus berubah. Diameter partikel maksimum mencapai lebih dari 1500 μm, dan porositas minimum 0,13. Selain itu, karena PG meningkatkan suhu area bahan baku dan supersaturasi gas menjadi kecil, ketebalan rekristalisasi bagian atas bahan baku struktur 1 menjadi kecil, sehingga meningkatkan tingkat pemanfaatan bahan baku.
Gambar 6 Perubahan diameter partikel (kiri) dan porositas (kanan) luas bahan baku struktur 0 dan struktur 1 pada waktu berbeda, satuan diameter partikel: μm
Gambar 7 menunjukkan bahwa struktur 0 melengkung pada awal pertumbuhan, yang mungkin disebabkan oleh laju aliran material yang berlebihan yang disebabkan oleh grafitisasi tepi bahan mentah. Tingkat lengkungan melemah selama proses pertumbuhan berikutnya, yang sesuai dengan perubahan laju aliran material di depan pertumbuhan kristal struktur 0 pada Gambar 4 (d). Pada struktur 1, karena efek PG, antarmuka kristal tidak menunjukkan lengkungan. Selain itu, PG juga membuat laju pertumbuhan struktur 1 jauh lebih rendah dibandingkan struktur 0. Ketebalan pusat kristal struktur 1 setelah 100 jam hanya 68% dari struktur 0.
Gambar 7 Perubahan antarmuka kristal struktur 0 dan struktur 1 pada 30, 60, dan 100 jam
Pertumbuhan kristal dilakukan dalam kondisi proses simulasi numerik. Kristal yang ditumbuhkan oleh struktur 0 dan struktur 1 masing-masing ditunjukkan pada Gambar 8(a) dan Gambar 8(b). Kristal berstruktur 0 menunjukkan antarmuka cekung, dengan undulasi di area tengah dan transisi fase di tepinya. Cembungnya permukaan menunjukkan tingkat ketidakhomogenan tertentu dalam pengangkutan material fase gas, dan terjadinya transisi fase berhubungan dengan rasio C/Si yang rendah. Antarmuka kristal yang ditumbuhkan oleh struktur 1 sedikit cembung, tidak ditemukan transisi fasa, dan ketebalannya 65% dari kristal tanpa PG. Secara umum, hasil pertumbuhan kristal sesuai dengan hasil simulasi, dengan perbedaan suhu radial yang lebih besar pada antarmuka kristal struktur 1, pertumbuhan cepat di tepi ditekan, dan laju aliran material secara keseluruhan lebih lambat. Tren keseluruhan konsisten dengan hasil simulasi numerik.
Gambar 8 Kristal SiC tumbuh di bawah struktur 0 dan struktur 1
Kesimpulan
PG kondusif untuk peningkatan suhu keseluruhan area bahan baku dan peningkatan keseragaman suhu aksial dan radial, mendorong sublimasi penuh dan pemanfaatan bahan baku; perbedaan suhu atas dan bawah meningkat, dan gradien radial permukaan kristal benih meningkat, yang membantu mempertahankan pertumbuhan antarmuka cembung. Dalam hal perpindahan massa, pengenalan PG mengurangi laju perpindahan massa secara keseluruhan, laju aliran material dalam ruang pertumbuhan yang mengandung PG berubah lebih sedikit seiring waktu, dan seluruh proses pertumbuhan menjadi lebih stabil. Pada saat yang sama, PG juga secara efektif menghambat terjadinya perpindahan massa tepi yang berlebihan. Selain itu, PG juga meningkatkan rasio C/Si lingkungan pertumbuhan, terutama di tepi depan antarmuka kristal benih, yang membantu mengurangi terjadinya perubahan fasa selama proses pertumbuhan. Pada saat yang sama, efek insulasi termal PG mengurangi terjadinya rekristalisasi di bagian atas bahan mentah sampai batas tertentu. Untuk pertumbuhan kristal, PG memperlambat laju pertumbuhan kristal, tetapi antarmuka pertumbuhannya lebih cembung. Oleh karena itu, PG merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan lingkungan pertumbuhan kristal SiC dan mengoptimalkan kualitas kristal.
Waktu posting: 18 Juni 2024