Grunnferlið viðSiCkristalvöxtur er skipt í sublimation og niðurbrot hráefna við háan hita, flutning gasfasaefna undir áhrifum hitastigs og endurkristöllunarvöxt gasfasaefna við frækristallinn. Út frá þessu er innra hluta deiglunnar skipt í þrjá hluta: hráefnissvæði, vaxtarhólf og frækristall. Tölulegt hermilíkan var teiknað út frá raunverulegu viðnáminuSiCeinkristalla vaxtarbúnaður (sjá mynd 1). Í útreikningi: neðst ádeigluer í 90 mm fjarlægð frá botni hliðarhitarans, topphiti deiglunnar er 2100 ℃, þvermál hráefnisagna er 1000 μm, gropið er 0,6, vaxtarþrýstingurinn er 300 Pa og vaxtartíminn er 100 klst. . PG þykktin er 5 mm, þvermálið er jafnt og innra þvermál deiglunnar og það er staðsett 30 mm fyrir ofan hráefnið. Við útreikninginn er tekið tillit til sublimunar-, kolefnis- og endurkristöllunarferla á hráefnissvæðinu og ekki er tekið tillit til hvarfsins milli PG og gasfasaefna. Útreikningstengdar eðliseiginleikafæribreytur eru sýndar í töflu 1.
Mynd 1 Hermun reiknilíkan. (a) Hitasviðslíkan fyrir eftirlíkingu af kristalvexti; (b) Skipting innra svæðis deiglunnar og tengd líkamleg vandamál
Tafla 1 Nokkrar eðlisfræðilegar breytur sem notaðar eru í útreikningnum
Mynd 2(a) sýnir að hitastig byggingarinnar sem inniheldur PG (táknað sem mannvirki 1) er hærra en PG-lausu byggingarinnar (táknað sem bygging 0) undir PG og lægra en byggingarinnar 0 fyrir ofan PG. Heildarhitastigið eykst og PG virkar sem hitaeinangrandi efni. Samkvæmt myndum 2(b) og 2(c) eru ás- og geislalaga hitastigshlutfall uppbyggingar 1 á hráefnissvæðinu minni, hitastigsdreifingin er jafnari og sublimation efnisins er fullkomnari. Ólíkt hráefnissvæðinu sýnir mynd 2(c) að geislalaga hitastigshlutfallið við frækristall byggingar 1 er stærra, sem getur stafað af mismunandi hlutföllum mismunandi hitaflutningshama, sem hjálpar kristalnum að vaxa með kúpt viðmóti . Á mynd 2(d) sýnir hitastigið á mismunandi stöðum í deiglunni vaxandi tilhneigingu eftir því sem líður á vöxtinn, en hitamunur milli mannvirkis 0 og mannvirkis 1 minnkar smám saman í hráefnissvæðinu og eykst smám saman í vaxtarhólfinu.
Mynd 2 Dreifing hitastigs og breytingar á deiglunni. (a) Dreifing hitastigs inni í deiglu burðarvirkis 0 (vinstri) og burðarvirkis 1 (hægri) við 0 klst., eining: ℃; (b) Dreifing hitastigs á miðlínu deiglu byggingar 0 og byggingar 1 frá botni hráefnisins til frækristallsins eftir 0 klst; (c) Dreifing hitastigs frá miðju að brún deiglunnar á yfirborði frækristalla (A) og yfirborði hráefnis (B), miðju (C) og botn (D) við 0 klst., lárétti ásinn r er frækristalradíus fyrir A og radíus hráefnissvæðis fyrir B ~ D; (d) Hitabreytingar í miðju efri hluta (A), yfirborði hráefnis (B) og miðju (C) vaxtarhólfs byggingar 0 og byggingar 1 eftir 0, 30, 60 og 100 klst.
Mynd 3 sýnir efnisflutninginn á mismunandi tímum í deiglu mannvirkis 0 og mannvirkis 1. Gasfasaefnisrennsli á hráefnissvæðinu og vaxtarhólfinu eykst með aukningu á stöðu og efnisflutningurinn veikist eftir því sem líður á vöxtinn. . Mynd 3 sýnir einnig að við hermiskilyrðin grafítist hráefnið fyrst á hliðarvegg deiglunnar og síðan á botn deiglunnar. Auk þess er endurkristöllun á yfirborði hráefnisins og það þykknar smám saman eftir því sem líður á vöxtinn. Myndir 4(a) og 4(b) sýna að efnisflæðishraði inni í hráefninu minnkar eftir því sem líður á vöxtinn, og efnisflæðishraðinn við 100 klst. er um 50% af upphaflegu augnablikinu; Hins vegar er flæðishraðinn tiltölulega stór við brúnina vegna grafitgerðar hráefnisins og flæðishraðinn á brúninni er meira en 10 sinnum meiri en flæðishraðinn á miðsvæðinu við 100 klst; að auki gera áhrif PG í mannvirki 1 það að verkum að efnisflæðishraðinn á hráefnissvæði mannvirkis 1 er lægri en í mannvirki 0. Á mynd 4(c) er efnisflæði bæði á hráefnissvæðinu og vaxtarhólfið veikist smám saman þegar líður á vöxtinn og efnisflæðið á hráefnissvæðinu heldur áfram að minnka, sem stafar af opnun loftflæðisrásarinnar við brún deiglunnar og hindrun endurkristöllunar efst; í vaxtarhólfinu lækkar efnisflæðishraðinn í byggingu 0 hratt á fyrstu 30 klst. í 16% og minnkar aðeins um 3% í síðari tíma, en uppbygging 1 helst tiltölulega stöðug í gegnum vaxtarferlið. Þess vegna hjálpar PG við að koma á stöðugleika efnisflæðishraða í vaxtarhólfinu. Mynd 4(d) ber saman efnisflæðishraða við kristalvaxtarframhliðina. Á upphafsstund og 100 klst. er efnisflutningur á vaxtarsvæði mannvirkis 0 sterkari en í mannvirki 1, en það er alltaf mikið flæðisvæði við jaðar mannvirkis 0, sem leiðir til of mikils vaxtar við brúnina. . Tilvist PG í uppbyggingu 1 bælir í raun þetta fyrirbæri.
Mynd 3 Efnisrennsli í deiglunni. Straumlínur (vinstri) og hraðavigrar (hægri) flutnings gasefnis í mannvirkjum 0 og 1 á mismunandi tímum, hraðavigrareining: m/s
Mynd 4 Breytingar á efnisrennsli. (a) Breytingar á dreifingu efnisflæðishraða í miðju hráefnis byggingar 0 við 0, 30, 60 og 100 klst., r er radíus hráefnissvæðisins; (b) Breytingar á dreifingu efnisflæðishraða í miðju hráefnis byggingar 1 við 0, 30, 60 og 100 klst., r er radíus hráefnissvæðisins; (c) Breytingar á efnisflæðishraða inni í vaxtarhólfinu (A, B) og inni í hráefninu (C, D) mannvirkja 0 og 1 með tímanum; (d) Efnisflæðisdreifing nálægt yfirborði frækristalla bygginga 0 og 1 við 0 og 100 klst., r er radíus frækristallsins
C/Si hefur áhrif á kristalstöðugleika og gallaþéttleika SiC kristalvaxtar. Mynd 5(a) ber saman C/Si hlutfallsdreifingu mannvirkjanna tveggja í upphafi. C/Si hlutfallið minnkar smám saman frá botni til topps deiglunnar og C/Si hlutfall mannvirkis 1 er alltaf hærra en mannvirkis 0 á mismunandi stöðum. Myndir 5(b) og 5(c) sýna að C/Si hlutfallið eykst smám saman með vexti, sem tengist hækkun innra hitastigs á síðari stigum vaxtar, aukinni grafítgerð hráefnis og hvarf Si. íhlutir í gasfasa með grafítdeiglunni. Á mynd 5(d) eru C/Si hlutföll byggingar 0 og byggingar 1 nokkuð mismunandi fyrir neðan PG (0, 25 mm), en aðeins mismunandi fyrir ofan PG (50 mm), og munurinn eykst smám saman þegar hann nálgast kristalinn . Almennt er C/Si hlutfall byggingar 1 hærra, sem hjálpar til við að koma á stöðugleika á kristalforminu og draga úr líkum á fasaskiptingu.
Mynd 5 Dreifing og breytingar á C/Si hlutfalli. (a) C/Si hlutfallsdreifing í deiglum með burðarvirki 0 (vinstri) og burðarvirki 1 (hægri) við 0 klst.; (b) C/Si hlutfall í mismunandi fjarlægð frá miðlínu deiglu burðarvirkis 0 á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.); (c) C/Si hlutfall í mismunandi fjarlægð frá miðlínu deiglu burðarvirkis 1 á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.); (d) Samanburður á C/Si hlutfalli í mismunandi fjarlægðum (0, 25, 50, 75, 100 mm) frá miðlínu deiglu burðarvirkis 0 (heigri lína) og burðarvirkis 1 (stikulína) á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.).
Mynd 6 sýnir breytingar á agnaþvermáli og porosity hráefnissvæða tveggja mannvirkja. Myndin sýnir að þvermál hráefnisins minnkar og porosity eykst nálægt deigluveggnum, og brún porosity heldur áfram að aukast og agnaþvermál heldur áfram að minnka eftir því sem líður á vöxtinn. Hámarks grop á brún er um 0,99 við 100 klst., og lágmarks þvermál agna er um 300 μm. Agnaþvermál eykst og porosity minnkar á efra yfirborði hráefnisins, sem samsvarar endurkristöllun. Þykkt endurkristöllunarsvæðisins eykst eftir því sem líður á vöxtinn og kornastærð og porosity halda áfram að breytast. Hámarks agnaþvermál nær meira en 1500 μm og lágmarks porosity er 0,13. Þar að auki, þar sem PG eykur hitastig hráefnissvæðisins og gas yfirmettunin er lítil, er endurkristöllunarþykkt efri hluta hráefnisins í uppbyggingu 1 lítil, sem bætir hráefnisnýtingarhraða.
Mynd 6 Breytingar á agnaþvermáli (vinstri) og gropleika (hægri) á hráefnissvæði byggingar 0 og byggingar 1 á mismunandi tímum, agnaþvermálseining: μm
Mynd 7 sýnir að uppbygging 0 skekkist í upphafi vaxtar, sem gæti tengst of miklu efnisflæðishraða sem stafar af grafitization á hráefnisbrúninni. Styrkleiki er veikt í síðara vaxtarferlinu, sem samsvarar breytingu á efnisflæðishraða fremst á kristalvexti byggingar 0 á mynd 4 (d). Í uppbyggingu 1, vegna áhrifa PG, sýnir kristalviðmótið ekki vinda. Að auki gerir PG einnig vaxtarhraða mannvirkis 1 verulega lægri en byggingarinnar 0. Miðþykkt kristals mannvirkis 1 eftir 100 klst. er aðeins 68% af þykkt byggingarinnar 0.
Mynd 7 Viðmótsbreytingar á byggingu 0 og byggingu 1 kristöllum við 30, 60 og 100 klst.
Kristalvöxtur var framkvæmdur við ferlisskilyrði tölulegrar uppgerð. Kristallarnir sem ræktaðir eru með byggingu 0 og byggingu 1 eru sýndir á mynd 8(a) og mynd 8(b), í sömu röð. Kristall byggingarinnar 0 sýnir íhvolft viðmót, með bylgjum á miðsvæðinu og fasaskipti við brúnina. Yfirborðssveiflan táknar ákveðna ójafnvægi í flutningi gasfasaefna og fasabreytingin samsvarar lágu C/Si hlutfallinu. Viðmót kristalsins sem ræktað er með byggingu 1 er örlítið kúpt, engin fasaskipti finnast og þykktin er 65% af kristalnum án PG. Almennt samsvarar niðurstöðum kristalvaxtar niðurstöður eftirlíkingarinnar, með meiri geislamyndunarhitamun á kristalviðmóti byggingar 1, hraður vöxtur við brúnina er bældur og heildarflæðishraði efnisins er hægari. Heildarþróunin er í samræmi við tölulegar uppgerð niðurstöður.
Mynd 8 SiC kristallar ræktaðir undir byggingu 0 og byggingu 1
Niðurstaða
PG stuðlar að því að bæta heildarhitastig hráefnissvæðisins og bæta einsleitni ás- og geislahitastigs, sem stuðlar að fullri sublimation og nýtingu hráefnisins; munur á toppi og neðri hitastigi eykst og geislamyndaður halli á yfirborði frækristalla eykst, sem hjálpar til við að viðhalda kúptum viðmótsvexti. Hvað varðar massaflutning, dregur innleiðing PG úr heildarmassaflutningshraða, efnisflæðishraðinn í vaxtarhólfinu sem inniheldur PG breytist minna með tímanum og allt vaxtarferlið er stöðugra. Á sama tíma hindrar PG einnig á áhrifaríkan hátt að of mikil brúnmassaflutningur komi fram. Að auki eykur PG einnig C/Si hlutfall vaxtarumhverfisins, sérstaklega í frambrún frækristalviðmótsins, sem hjálpar til við að draga úr fasabreytingum meðan á vaxtarferlinu stendur. Á sama tíma dregur hitaeinangrunaráhrif PG úr endurkristöllun í efri hluta hráefnisins að vissu marki. Fyrir kristalvöxt hægir PG á kristalvexti, en vaxtarviðmótið er kúptara. Þess vegna er PG áhrifarík leið til að bæta vaxtarumhverfi SiC kristalla og hámarka kristalgæði.
Birtingartími: 18-jún-2024