Il-proċess bażiku taSiCtkabbir tal-kristall huwa maqsum sublimazzjoni u dekompożizzjoni ta 'materja prima f'temperatura għolja, trasport ta' sustanzi tal-fażi tal-gass taħt l-azzjoni tal-gradjent tat-temperatura, u tkabbir ta 'rikristallizzazzjoni ta' sustanzi tal-fażi tal-gass fil-kristall taż-żerriegħa. Ibbażat fuq dan, l-intern tal-griġjol huwa maqsum fi tliet partijiet: żona tal-materja prima, kamra tat-tkabbir u kristall taż-żerriegħa. Ġie mfassal mudell ta 'simulazzjoni numerika bbażat fuq ir-reżistenza attwaliSiCtagħmir ta 'tkabbir ta' kristall wieħed (ara Figura 1). Fil-kalkolu: il-qiegħ tal-griġjolhuwa 90 mm 'il bogħod mill-qiegħ tal-heater tal-ġenb, it-temperatura ta' fuq tal-griġjol hija 2100 ℃, id-dijametru tal-partiċelli tal-materja prima huwa 1000 μm, il-porożità hija 0.6, il-pressjoni tat-tkabbir hija 300 Pa, u l-ħin tat-tkabbir huwa 100 h . Il-ħxuna PG hija ta '5 mm, id-dijametru huwa ugwali għad-dijametru ta' ġewwa tal-griġjol, u jinsab 30 mm 'il fuq mill-materja prima. Il-proċessi ta 'sublimazzjoni, karbonizzazzjoni u rikristallizzazzjoni taż-żona tal-materja prima huma kkunsidrati fil-kalkolu, u r-reazzjoni bejn is-sustanzi PG u tal-fażi tal-gass mhix ikkunsidrata. Il-parametri tal-proprjetà fiżika relatati mal-kalkolu huma murija fit-Tabella 1.
Figura 1 Mudell ta' kalkolu ta' simulazzjoni. (a) Mudell tal-kamp termali għas-simulazzjoni tat-tkabbir tal-kristall; (b) Diviżjoni taż-żona interna tal-griġjol u problemi fiżiċi relatati
Tabella 1 Xi parametri fiżiċi użati fil-kalkolu
Il-Figura 2(a) turi li t-temperatura tal-istruttura li fiha PG (denotata bħala struttura 1) hija ogħla minn dik tal-istruttura ħielsa minn PG (denotata bħala struttura 0) taħt PG, u aktar baxxa minn dik tal-istruttura 0 fuq PG. Il-gradjent tat-temperatura ġenerali jiżdied, u PG jaġixxi bħala aġent ta 'insulazzjoni tas-sħana. Skont il-Figuri 2(b) u 2(c), il-gradjenti tat-temperatura assjali u radjali tal-istruttura 1 fiż-żona tal-materja prima huma iżgħar, id-distribuzzjoni tat-temperatura hija aktar uniformi, u s-sublimazzjoni tal-materjal hija aktar kompleta. B'differenza miż-żona tal-materja prima, il-Figura 2(c) turi li l-gradjent tat-temperatura radjali fil-kristall taż-żerriegħa tal-istruttura 1 huwa akbar, li jista 'jkun ikkawżat mill-proporzjonijiet differenti ta' modi differenti ta 'trasferiment tas-sħana, li jgħin lill-kristall jikber b'interface konvessa . Fil-Figura 2(d), it-temperatura f'pożizzjonijiet differenti fil-griġjol turi xejra dejjem tiżdied hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, iżda d-differenza fit-temperatura bejn l-istruttura 0 u l-istruttura 1 tonqos gradwalment fiż-żona tal-materja prima u tiżdied gradwalment fil-kamra tat-tkabbir.
Figura 2 Distribuzzjoni tat-temperatura u bidliet fil-griġjol. (a) Id-distribuzzjoni tat-temperatura ġewwa l-griġjol tal-istruttura 0 (xellug) u l-istruttura 1 (lemin) f'0 h, unità: ℃; (b) Id-distribuzzjoni tat-temperatura fuq il-linja ċentrali tal-griġjol tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 mill-qiegħ tal-materja prima sal-kristall taż-żerriegħa f'0 h; (c) Distribuzzjoni tat-temperatura miċ-ċentru sat-tarf tal-griġjol fuq il-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa (A) u l-wiċċ tal-materja prima (B), nofs (C) u qiegħ (D) f'0 h, l-assi orizzontali r huwa l- raġġ tal-kristall taż-żerriegħa għal A, u r-raġġ taż-żona tal-materja prima għal B ~ D; (d) Bidliet fit-temperatura fiċ-ċentru tal-parti ta 'fuq (A), wiċċ tal-materja prima (B) u nofs (C) tal-kamra tat-tkabbir tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 f'0, 30, 60, u 100 siegħa.
Il-Figura 3 turi t-trasport tal-materjal f'ħinijiet differenti fil-griġjol tal-istruttura 0 u l-istruttura 1. Ir-rata tal-fluss tal-materjal tal-fażi tal-gass fiż-żona tal-materja prima u l-kamra tat-tkabbir tiżdied biż-żieda tal-pożizzjoni, u t-trasport tal-materjal jiddgħajjef hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem . Il-Figura 3 turi wkoll li taħt il-kundizzjonijiet ta 'simulazzjoni, il-materja prima l-ewwel graphitizes fuq il-ħajt tal-ġenb tal-griġjol u mbagħad fuq il-qiegħ tal-griġjol. Barra minn hekk, hemm rikristallizzazzjoni fuq il-wiċċ tal-materja prima u gradwalment jeħxien hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem. Figuri 4(a) u 4(b) juru li r-rata tal-fluss tal-materjal ġewwa l-materja prima tonqos hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u r-rata tal-fluss tal-materjal f'100 siegħa hija madwar 50% tal-mument inizjali; madankollu, ir-rata tal-fluss hija relattivament kbira fit-tarf minħabba l-grafitizzazzjoni tal-materja prima, u r-rata tal-fluss fit-tarf hija aktar minn 10 darbiet dik tar-rata tal-fluss fiż-żona tan-nofs f'100 siegħa; barra minn hekk, l-effett tal-PG fl-istruttura 1 jagħmel ir-rata tal-fluss tal-materjal fiż-żona tal-materja prima tal-istruttura 1 aktar baxxa minn dik tal-istruttura 0. Fil-Figura 4(c), il-fluss tal-materjal kemm fiż-żona tal-materja prima kif ukoll fil- kamra tat-tkabbir tiddgħajjef gradwalment hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u l-fluss tal-materjal fiż-żona tal-materja prima jkompli jonqos, li huwa kkawżat mill-ftuħ tal-kanal tal-fluss tal-arja fit-tarf tal-griġjol u l-ostruzzjoni tal- rikristallizzazzjoni fil-quċċata; fil-kamra tat-tkabbir, ir-rata tal-fluss tal-materjal tal-istruttura 0 tonqos malajr fl-ewwel 30 h sa 16%, u tonqos biss bi 3% fiż-żmien sussegwenti, filwaqt li l-istruttura 1 tibqa 'relattivament stabbli matul il-proċess tat-tkabbir. Għalhekk, PG jgħin biex jistabbilizza r-rata tal-fluss tal-materjal fil-kamra tat-tkabbir. Figura 4(d) tqabbel ir-rata tal-fluss tal-materjal fil-faċċata tat-tkabbir tal-kristall. Fil-mument inizjali u 100 siegħa, it-trasport tal-materjal fiż-żona tat-tkabbir tal-istruttura 0 huwa aktar b'saħħtu minn dak fl-istruttura 1, iżda dejjem hemm żona ta 'rata ta' fluss għolja fit-tarf tal-istruttura 0, li twassal għal tkabbir eċċessiv fit-tarf . Il-preżenza ta 'PG fl-istruttura 1 effettivament trażżan dan il-fenomenu.
Figura 3 Fluss tal-materjal fil-griġjol. Tissimplifika (xellug) u vettori tal-veloċità (lemin) tat-trasport tal-materjal tal-gass fi strutturi 0 u 1 f'ħinijiet differenti, unità tal-vettur tal-veloċità: m/s
Figura 4 Bidliet fir-rata tal-fluss tal-materjal. (a) Bidliet fid-distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal fin-nofs tal-materja prima tal-istruttura 0 f'0, 30, 60, u 100 siegħa, r huwa r-raġġ taż-żona tal-materja prima; (b) Bidliet fid-distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal fin-nofs tal-materja prima tal-istruttura 1 f'0, 30, 60, u 100 siegħa, r huwa r-raġġ taż-żona tal-materja prima; (c) Bidliet fir-rata tal-fluss tal-materjal ġewwa l-kamra tat-tkabbir (A, B) u ġewwa l-materja prima (C, D) tal-istrutturi 0 u 1 matul iż-żmien; (d) Distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal ħdejn il-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa tal-istrutturi 0 u 1 f'0 u 100 siegħa, r huwa r-raġġ tal-kristall taż-żerriegħa
C/Si jaffettwa l-istabbiltà kristallina u d-densità tad-difett tat-tkabbir tal-kristall SiC. Figura 5(a) tqabbel id-distribuzzjoni tal-proporzjon C/Si taż-żewġ strutturi fil-mument inizjali. Il-proporzjon C/Si jonqos gradwalment minn isfel għal fuq tal-griġjol, u l-proporzjon C/Si tal-istruttura 1 huwa dejjem ogħla minn dak tal-istruttura 0 f'pożizzjonijiet differenti. Il-Figuri 5(b) u 5(c) juru li l-proporzjon C/Si jiżdied gradwalment mat-tkabbir, li huwa relatat maż-żieda fit-temperatura interna fl-istadju aktar tard tat-tkabbir, it-titjib tal-grafitizzazzjoni tal-materja prima, u r-reazzjoni tas-Si komponenti fil-fażi tal-gass bil-griġjol tal-grafita. Fil-Figura 5(d), il-proporzjonijiet C/Si tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 huma pjuttost differenti taħt PG (0, 25 mm), iżda kemmxejn differenti fuq PG (50 mm), u d-differenza tiżdied gradwalment hekk kif toqrob lejn il-kristall . B'mod ġenerali, il-proporzjon C/Si tal-istruttura 1 huwa ogħla, li jgħin biex jistabbilizza l-forma tal-kristall u jnaqqas il-probabbiltà ta 'tranżizzjoni tal-fażi.
Figura 5 Distribuzzjoni u bidliet tal-proporzjon C/Si. (a) Distribuzzjoni tal-proporzjon C/Si fi griġjoli ta' struttura 0 (xellug) u struttura 1 (lemin) f'0 h; (b) Proporzjon C/Si f'distanzi differenti mil-linja ċentrali tal-griġjol tal-istruttura 0 f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 h); (c) Proporzjon C/Si f'distanzi differenti mil-linja ċentrali tal-griġjol tal-istruttura 1 f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 h); (d) Tqabbil tal-proporzjon C/Si f'distanzi differenti (0, 25, 50, 75, 100 mm) mil-linja taċ-ċentru tal-griġjol tal-istruttura 0 (linja solida) u l-istruttura 1 (linja b'sing) f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 h).
Il-Figura 6 turi l-bidliet fid-dijametru tal-partikoli u l-porożità tar-reġjuni tal-materja prima taż-żewġ strutturi. Iċ-ċifra turi li d-dijametru tal-materja prima jonqos u l-porożità tiżdied ħdejn il-ħajt tal-griġjol, u l-porożità tat-tarf tkompli tiżdied u d-dijametru tal-partiċelli jkompli jonqos hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem. Il-porożità massima tat-tarf hija ta 'madwar 0.99 f'100 siegħa, u d-dijametru minimu tal-partiċelli huwa ta' madwar 300 μm. Id-dijametru tal-partiċelli jiżdied u l-porożità tonqos fuq il-wiċċ ta 'fuq tal-materja prima, li tikkorrispondi għar-rikristallizzazzjoni. Il-ħxuna taż-żona tar-rikristallizzazzjoni tiżdied hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u d-daqs tal-partiċelli u l-porożità jkomplu jinbidlu. Id-dijametru massimu tal-partiċelli jilħaq aktar minn 1500 μm, u l-porożità minima hija 0.13. Barra minn hekk, peress li PG iżid it-temperatura taż-żona tal-materja prima u s-supersaturation tal-gass hija żgħira, il-ħxuna tar-rikristallizzazzjoni tal-parti ta 'fuq tal-materja prima tal-istruttura 1 hija żgħira, li ttejjeb ir-rata ta' utilizzazzjoni tal-materja prima.
Figura 6 Bidliet fid-dijametru tal-partiċelli (xellug) u l-porożità (lemin) taż-żona tal-materja prima tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 f'ħinijiet differenti, unità tad-dijametru tal-partiċelli: μm
Il-Figura 7 turi li l-istruttura 0 warps fil-bidu tat-tkabbir, li tista 'tkun relatata mar-rata tal-fluss tal-materjal eċċessiv ikkawżata mill-grafitizzazzjoni tat-tarf tal-materja prima. Il-grad ta 'warping huwa mdgħajjef matul il-proċess ta' tkabbir sussegwenti, li jikkorrispondi għall-bidla fir-rata tal-fluss tal-materjal fuq quddiem tat-tkabbir tal-kristall tal-istruttura 0 fil-Figura 4 (d). Fl-istruttura 1, minħabba l-effett ta 'PG, l-interface tal-kristall ma jurix warping. Barra minn hekk, PG jagħmel ukoll ir-rata tat-tkabbir tal-istruttura 1 aktar baxxa b'mod sinifikanti minn dik tal-istruttura 0. Il-ħxuna taċ-ċentru tal-kristall tal-istruttura 1 wara 100 siegħa hija biss 68% ta 'dik tal-istruttura 0.
Figura 7 Bidliet fl-interface tal-kristalli tal-istruttura 0 u tal-istruttura 1 fi 30, 60, u 100 siegħa
It-tkabbir tal-kristall sar taħt il-kundizzjonijiet tal-proċess ta 'simulazzjoni numerika. Il-kristalli mkabbra mill-istruttura 0 u l-istruttura 1 huma murija fil-Figura 8(a) u l-Figura 8(b), rispettivament. Il-kristall ta 'l-istruttura 0 juri interface konkavi, b'ondulazzjonijiet fiż-żona ċentrali u transizzjoni ta' fażi fit-tarf. Il-konvessità tal-wiċċ tirrappreżenta ċertu grad ta 'nuqqas ta' omoġeneità fit-trasport ta 'materjali tal-fażi tal-gass, u l-okkorrenza ta' transizzjoni tal-fażi tikkorrispondi għall-proporzjon C/Si baxx. L-interface tal-kristall imkabbar mill-istruttura 1 hija kemmxejn konvessa, ma tinstab l-ebda transizzjoni tal-fażi, u l-ħxuna hija 65% tal-kristall mingħajr PG. B'mod ġenerali, ir-riżultati tat-tkabbir tal-kristall jikkorrispondu mar-riżultati tas-simulazzjoni, b'differenza akbar fit-temperatura radjali fl-interface tal-kristall tal-istruttura 1, it-tkabbir mgħaġġel fit-tarf huwa mrażżan, u r-rata tal-fluss tal-materjal ġenerali hija aktar bil-mod. It-tendenza ġenerali hija konsistenti mar-riżultati tas-simulazzjoni numerika.
Figura 8 Kristalli SiC imkabbra taħt l-istruttura 0 u l-istruttura 1
Konklużjoni
PG iwassal għat-titjib tat-temperatura ġenerali taż-żona tal-materja prima u t-titjib tal-uniformità tat-temperatura assjali u radjali, li jippromwovi s-sublimazzjoni sħiħa u l-utilizzazzjoni tal-materja prima; id-differenza fit-temperatura ta 'fuq u ta' isfel tiżdied, u l-gradjent radjali tal-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa jiżdied, li jgħin biex jinżamm it-tkabbir tal-interface konvessi. F'termini ta 'trasferiment tal-massa, l-introduzzjoni ta' PG tnaqqas ir-rata ġenerali tat-trasferiment tal-massa, ir-rata tal-fluss tal-materjal fil-kamra tat-tkabbir li fiha PG tinbidel inqas maż-żmien, u l-proċess kollu tat-tkabbir huwa aktar stabbli. Fl-istess ħin, PG jinibixxi wkoll b'mod effettiv l-okkorrenza ta 'trasferiment eċċessiv tal-massa tat-tarf. Barra minn hekk, PG iżid ukoll il-proporzjon C/Si tal-ambjent tat-tkabbir, speċjalment fit-tarf ta 'quddiem tal-interface tal-kristall taż-żerriegħa, li jgħin biex titnaqqas l-okkorrenza ta' bidla fil-fażi matul il-proċess tat-tkabbir. Fl-istess ħin, l-effett ta 'insulazzjoni termali ta' PG inaqqas l-okkorrenza ta 'rikristallizzazzjoni fil-parti ta' fuq tal-materja prima sa ċertu punt. Għat-tkabbir tal-kristall, PG inaqqas ir-rata tat-tkabbir tal-kristall, iżda l-interface tat-tkabbir hija aktar konvessa. Għalhekk, PG huwa mezz effettiv biex itejjeb l-ambjent tat-tkabbir tal-kristalli SiC u jottimizza l-kwalità tal-kristall.
Ħin tal-post: Ġunju-18-2024