Pagrindinis procesasSiCkristalų augimas skirstomas į sublimaciją ir žaliavų skilimą aukštoje temperatūroje, dujinės fazės medžiagų transportavimą veikiant temperatūros gradientui ir dujinės fazės medžiagų rekristalizaciją prie sėklinio kristalo. Remiantis tuo, tiglio vidus yra padalintas į tris dalis: žaliavos plotą, augimo kamerą ir sėklų kristalą. Remiantis faktine varža, buvo sudarytas skaitmeninio modeliavimo modelisSiCvieno kristalo auginimo įranga (žr. 1 pav.). Skaičiuojant: apačiojetiglisyra 90 mm atstumu nuo šoninio šildytuvo apačios, tiglio viršutinė temperatūra 2100 ℃, žaliavos dalelių skersmuo 1000 μm, poringumas 0,6, augimo slėgis 300 Pa, augimo laikas 100 val. . PG storis yra 5 mm, skersmuo lygus vidiniam tiglio skersmeniui ir yra 30 mm virš žaliavos. Skaičiuojant atsižvelgiama į žaliavos zonos sublimacijos, karbonizacijos ir rekristalizavimo procesus, o PG ir dujų fazės medžiagų reakcija neatsižvelgiama. Su skaičiavimu susiję fizinių savybių parametrai pateikti 1 lentelėje.
1 pav. Modeliavimo skaičiavimo modelis. a) terminio lauko modelis kristalų augimo modeliavimui; b) tiglio vidinio ploto padalijimas ir susijusios fizinės problemos
1 lentelė Kai kurie skaičiavime naudojami fizikiniai parametrai
2 paveiksle (a) parodyta, kad PG turinčios struktūros (žymima 1 struktūra) temperatūra yra aukštesnė nei PG neturinčios struktūros (žymima 0 struktūra) žemiau PG ir žemesnė nei 0 struktūros, esančios virš PG, temperatūra. Bendras temperatūros gradientas didėja, o PG veikia kaip šilumą izoliuojanti medžiaga. Pagal 2(b) ir 2(c) pav., 1 struktūros ašiniai ir radialiniai temperatūros gradientai žaliavos zonoje yra mažesni, temperatūrų pasiskirstymas tolygesnis, o medžiagos sublimacija pilnesnė. Skirtingai nuo žaliavos zonos, 2 (c) paveikslas rodo, kad radialinis temperatūros gradientas 1 struktūros sėkliniame kristale yra didesnis, o tai gali atsirasti dėl skirtingų šilumos perdavimo režimų proporcijų, o tai padeda kristalui augti su išgaubta sąsaja. . 2 paveiksle (d) temperatūra skirtingose tiglio padėtyse rodo didėjančią tendenciją augimui progresuojant, tačiau temperatūrų skirtumas tarp 0 ir 1 struktūros žaliavos zonoje palaipsniui mažėja, o augimo kameroje palaipsniui didėja.
2 pav. Temperatūros pasiskirstymas ir pokyčiai tiglyje. a) Temperatūros pasiskirstymas 0 konstrukcijos (kairėje) ir 1 konstrukcijos (dešinėje) tiglyje esant 0 val., matavimo vienetas: ℃; b) Temperatūros pasiskirstymas 0 ir 1 struktūros tiglio vidurinėje linijoje nuo žaliavos dugno iki sėklinio kristalo 0 val. c) Temperatūros pasiskirstymas nuo tiglio centro iki krašto sėklinio kristalo paviršiuje (A) ir žaliavos paviršiuje (B), viduryje (C) ir apačioje (D) po 0 val., horizontalioji ašis r yra sėklos kristalo spindulys – A, o žaliavos – ploto spindulys – B–D; d) Temperatūros pokyčiai viršutinės dalies (A), žaliavos paviršiaus (B) ir vidurio (C) 0 struktūros ir 1 struktūros augimo kameros centre 0, 30, 60 ir 100 val.
3 paveiksle parodytas medžiagų pernešimas skirtingu metu 0 ir 1 struktūros tiglyje. Dujinės fazės medžiagos srauto greitis žaliavos zonoje ir augimo kameroje didėja didėjant padėčiai, o augimui progresuojant medžiagos transportavimas silpnėja. . 3 paveiksle taip pat parodyta, kad modeliavimo sąlygomis žaliava pirmiausia grafitizuojasi ant tiglio šoninės sienelės, o po to ant tiglio dugno. Be to, žaliavos paviršiuje vyksta rekristalizacija ir augimui progresuojant ji palaipsniui tirštėja. 4(a) ir 4(b) paveiksluose parodyta, kad medžiagos srauto greitis žaliavos viduje mažėja augant, o medžiagos srauto greitis 100 h yra apie 50 % pradinio momento; tačiau tėkmės greitis pakraštyje yra santykinai didelis dėl žaliavos grafitizacijos, o srautas krašte yra daugiau nei 10 kartų didesnis nei srauto greitis vidurinėje srityje po 100 h; be to, dėl PG poveikio 1 konstrukcijoje medžiagų srautas 1 konstrukcijos žaliavos srityje yra mažesnis nei 0 konstrukcijos. 4 paveiksle (c) medžiagos srautas tiek žaliavos srityje, tiek augimo kamera augimui progresuojant palaipsniui silpsta, o medžiagų srautas žaliavos srityje toliau mažėja, o tai lemia oro srauto kanalo atsidarymas tiglio krašte ir kliūtis rekristalizacijai viršuje; augimo kameroje 0 struktūros medžiagų srautas per pirmąsias 30 val. sparčiai mažėja iki 16%, o vėliau sumažėja tik 3%, o 1 struktūra išlieka gana stabili viso augimo proceso metu. Todėl PG padeda stabilizuoti medžiagos srautą augimo kameroje. 4(d) paveiksle palyginamas medžiagos srautas kristalų augimo fronte. Pradiniu momentu ir 100 val., medžiagos pernešimas 0 konstrukcijos augimo zonoje yra stipresnis nei 1 konstrukcijoje, tačiau konstrukcijos 0 pakraštyje visada yra didelis srauto plotas, dėl kurio atsiranda per didelis augimas krašte. . PG buvimas 1 struktūroje veiksmingai slopina šį reiškinį.
3 pav. Medžiagų srautas tiglyje. Dujų medžiagų transportavimo 0 ir 1 konstrukcijose skirtingu laiku srautai (kairėje) ir greičio vektoriai (dešinėje), greičio vektoriaus vienetas: m/s
4 pav. Medžiagos srauto greičio pokyčiai. a) medžiagų srauto pasiskirstymo pokyčiai 0 struktūros žaliavos viduryje po 0, 30, 60 ir 100 h, r yra žaliavos srities spindulys; b) medžiagų srauto pasiskirstymo pokyčiai 1 struktūros žaliavos viduryje po 0, 30, 60 ir 100 h, r yra žaliavos srities spindulys; c) 0 ir 1 konstrukcijų medžiagų srauto greičio pokyčiai augimo kameroje (A, B) ir žaliavos viduje (C, D) laikui bėgant; d) medžiagos srauto pasiskirstymas šalia 0 ir 1 struktūrų sėklinio kristalo paviršiaus esant 0 ir 100 val., r yra sėklinio kristalo spindulys
C / Si turi įtakos kristaliniam stabilumui ir SiC kristalų augimo defektų tankiui. 5(a) paveiksle palyginamas dviejų struktūrų C/Si santykio pasiskirstymas pradiniu momentu. C/Si santykis palaipsniui mažėja nuo tiglio apačios iki viršaus, o 1 struktūros C/Si santykis visada yra didesnis nei 0 konstrukcijos skirtingose padėtyse. 5(b) ir 5(c) paveikslai rodo, kad C/Si santykis palaipsniui didėja augant, o tai susiję su vidinės temperatūros padidėjimu vėlesniame augimo etape, žaliavos grafitizacijos pagerėjimu ir Si reakcija. komponentai dujinėje fazėje su grafito tigliu. 5(d) paveiksle 0 ir 1 struktūros C/Si santykiai yra gana skirtingi žemiau PG (0, 25 mm), bet šiek tiek skiriasi virš PG (50 mm), o skirtumas palaipsniui didėja artėjant prie kristalo. . Apskritai 1 struktūros C/Si santykis yra didesnis, o tai padeda stabilizuoti kristalų formą ir sumažinti fazinio virsmo tikimybę.
5 pav. C/Si santykio pasiskirstymas ir pokyčiai. a) C/Si santykio pasiskirstymas 0 (kairėje) ir 1 struktūros (dešinėje) tigliuose esant 0 val. b) C/Si santykis skirtingais atstumais nuo 0 konstrukcijos tiglio vidurio linijos skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 h); c) C/Si santykis skirtingais atstumais nuo 1 konstrukcijos tiglio vidurio linijos skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 h); d) C/Si santykio palyginimas skirtingais atstumais (0, 25, 50, 75, 100 mm) nuo 0 konstrukcijos tiglio vidurio linijos (ištisinė linija) ir 1 struktūros (punktyrinė linija) skirtingu laiku (0, 30, 60, 100 val.).
6 paveiksle pavaizduoti dviejų struktūrų žaliavos regionų dalelių skersmens ir poringumo pokyčiai. Paveikslėlyje parodyta, kad žaliavos skersmuo mažėja ir poringumas didėja šalia tiglio sienelės, o krašto poringumas toliau didėja, o dalelių skersmuo toliau mažėja augimui progresuojant. Didžiausias krašto poringumas yra apie 0,99 esant 100 val., o mažiausias dalelių skersmuo yra apie 300 μm. Dalelių skersmuo didėja, o poringumas mažėja viršutiniame žaliavos paviršiuje, o tai atitinka rekristalizaciją. Perkristalizacijos srities storis didėja augant, o dalelių dydis ir poringumas toliau keičiasi. Didžiausias dalelių skersmuo siekia daugiau nei 1500 μm, o mažiausias poringumas yra 0,13. Be to, kadangi PG padidina žaliavos ploto temperatūrą, o dujų perpildymas yra mažas, 1 struktūros žaliavos viršutinės dalies rekristalizavimo storis yra mažas, o tai pagerina žaliavos panaudojimo greitį.
6 pav. 0 struktūros ir 1 struktūros žaliavos ploto dalelių skersmens (kairėje) ir poringumo (dešinėje) pokyčiai skirtingu laiku, dalelių skersmens vienetas: μm
7 paveiksle parodyta, kad 0 struktūra augimo pradžioje deformuojasi, o tai gali būti susiję su per dideliu medžiagų srautu, kurį sukelia žaliavos krašto grafitizacija. Vėlesnio augimo proceso metu deformacijos laipsnis susilpnėja, o tai atitinka medžiagos srauto pokytį 0 struktūros kristalo augimo priekyje 4 paveiksle (d). 1 struktūroje dėl PG poveikio kristalų sąsaja nerodo deformacijų. Be to, PG taip pat žymiai sumažina 1 struktūros augimo greitį nei struktūros 0. 1 struktūros kristalo centro storis po 100 h yra tik 68 % 0 struktūros.
7 pav. 0 ir 1 struktūros kristalų sąsajos pokyčiai po 30, 60 ir 100 val.
Kristalų augimas buvo atliktas skaitmeninio modeliavimo proceso sąlygomis. Kristalai, išauginti pagal 0 ir 1 struktūrą, parodyti atitinkamai 8 (a) ir 8 (b) paveiksluose. 0 struktūros kristalas rodo įgaubtą sąsają su bangomis centrinėje srityje ir faziniu perėjimu krašte. Paviršiaus išgaubtumas reiškia tam tikrą nehomogeniškumo laipsnį transportuojant dujinės fazės medžiagas, o fazinio perėjimo įvykis atitinka mažą C/Si santykį. 1 struktūros išauginto kristalo sąsaja yra šiek tiek išgaubta, fazinio perėjimo nerasta, o storis yra 65% kristalo be PG. Apskritai, kristalų augimo rezultatai atitinka modeliavimo rezultatus, esant didesniam radialiniam temperatūros skirtumui 1 struktūros kristalų sąsajoje, greitas augimas krašte yra slopinamas, o bendras medžiagos srautas yra lėtesnis. Bendra tendencija atitinka skaitmeninio modeliavimo rezultatus.
8 paveikslas SiC kristalai, išauginti pagal 0 ir 1 struktūrą
Išvada
PG padeda pagerinti bendrą žaliavos srities temperatūrą ir pagerinti ašinį bei radialinį temperatūros vienodumą, skatinant visišką žaliavos sublimaciją ir panaudojimą; didėja viršutinės ir apatinės temperatūros skirtumas, o sėklinio kristalo paviršiaus radialinis gradientas didėja, o tai padeda išlaikyti išgaubtą sąsajos augimą. Kalbant apie masės perdavimą, PG įvedimas sumažina bendrą masės perdavimo greitį, medžiagos srautas augimo kameroje, kurioje yra PG, laikui bėgant kinta mažiau, o visas augimo procesas yra stabilesnis. Tuo pačiu metu PG taip pat veiksmingai slopina pernelyg didelį kraštų masės perdavimą. Be to, PG taip pat padidina C/Si santykį augimo aplinkoje, ypač priekiniame sėklų kristalų sąsajos krašte, o tai padeda sumažinti fazių pasikeitimą augimo proceso metu. Tuo pačiu metu PG šilumos izoliacijos efektas tam tikru mastu sumažina rekristalizaciją viršutinėje žaliavos dalyje. Kristalų augimui PG sulėtina kristalų augimo greitį, tačiau augimo sąsaja yra labiau išgaubta. Todėl PG yra veiksminga priemonė SiC kristalų augimo aplinkai pagerinti ir kristalų kokybei optimizuoti.
Paskelbimo laikas: 2024-06-18