Den grunnleggende prosessen medSiCkrystallvekst er delt inn i sublimering og dekomponering av råvarer ved høy temperatur, transport av gassfasestoffer under påvirkning av temperaturgradient, og rekrystalliseringsvekst av gassfasestoffer ved frøkrystallen. Basert på dette er det indre av digelen delt inn i tre deler: råvareareal, vekstkammer og frøkrystall. En numerisk simuleringsmodell ble tegnet basert på det faktiske resistivetSiCenkeltkrystallvekstutstyr (se figur 1). I beregningen: bunnen avsmeltedigeler 90 mm unna bunnen av sidevarmeren, topptemperaturen til digelen er 2100 ℃, råvarens partikkeldiameter er 1000 μm, porøsiteten er 0,6, veksttrykket er 300 Pa, og veksttiden er 100 timer . PG-tykkelsen er 5 mm, diameteren er lik den indre diameteren til digelen, og den er plassert 30 mm over råmaterialet. Sublimerings-, karboniserings- og rekrystalliseringsprosessene i råstoffsonen tas med i beregningen, og reaksjonen mellom PG og gassfasestoffer tas ikke i betraktning. De beregningsrelaterte fysiske egenskapsparametrene er vist i tabell 1.
Figur 1 Simuleringsberegningsmodell. (a) Termisk feltmodell for simulering av krystallvekst; (b) Inndeling av smeltedigelens indre område og relaterte fysiske problemer
Tabell 1 Noen fysiske parametere brukt i beregningen
Figur 2(a) viser at temperaturen til den PG-holdige strukturen (betegnet som struktur 1) er høyere enn den for den PG-frie strukturen (betegnet som struktur 0) under PG, og lavere enn den for struktur 0 over PG. Den totale temperaturgradienten øker, og PG fungerer som et varmeisolerende middel. I henhold til figurene 2(b) og 2(c) er de aksiale og radielle temperaturgradientene til struktur 1 i råstoffsonen mindre, temperaturfordelingen er mer jevn, og sublimeringen av materialet er mer fullstendig. I motsetning til råvaresonen, viser figur 2(c) at den radielle temperaturgradienten ved frøkrystallen til struktur 1 er større, noe som kan være forårsaket av forskjellige proporsjoner av forskjellige varmeoverføringsmoduser, som hjelper krystallen til å vokse med et konveks grensesnitt . I figur 2(d) viser temperaturen ved ulike posisjoner i digelen en økende trend ettersom veksten skrider frem, men temperaturforskjellen mellom struktur 0 og struktur 1 avtar gradvis i råvaresonen og øker gradvis i vekstkammeret.
Figur 2 Temperaturfordeling og endringer i digelen. (a) Temperaturfordeling inne i digelen til struktur 0 (venstre) og struktur 1 (høyre) ved 0 h, enhet: ℃; (b) Temperaturfordeling på senterlinjen til digelen av struktur 0 og struktur 1 fra bunnen av råmaterialet til frøkrystallen ved 0 timer; (c) Temperaturfordeling fra sentrum til kanten av digelen på frøkrystalloverflaten (A) og råstoffoverflaten (B), midten (C) og bunnen (D) ved 0 timer, den horisontale aksen r er frøkrystallradius for A, og råstoffarealradius for B~D; (d) Temperaturendringer i midten av den øvre delen (A), råstoffoverflaten (B) og midten (C) av vekstkammeret til struktur 0 og struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer.
Figur 3 viser materialtransporten til ulike tider i digelen til struktur 0 og struktur 1. Gassfasematerialstrømningshastigheten i råstoffområdet og vekstkammeret øker med økningen av posisjonen, og materialtransporten svekkes etter hvert som veksten skrider frem. . Figur 3 viser også at under simuleringsforholdene grafitiserer råmaterialet først på sideveggen av digelen og deretter på bunnen av digelen. I tillegg er det omkrystallisering på overflaten av råmaterialet og det tykner gradvis ettersom veksten skrider frem. Figur 4(a) og 4(b) viser at materialstrømningshastigheten inne i råmaterialet avtar etter hvert som veksten skrider frem, og materialstrømningshastigheten ved 100 timer er omtrent 50 % av det første øyeblikket; imidlertid er strømningshastigheten relativt stor ved kanten på grunn av grafittiseringen av råmaterialet, og strømningshastigheten ved kanten er mer enn 10 ganger strømningshastigheten i midtområdet ved 100 timer; i tillegg gjør effekten av PG i struktur 1 materialstrømningshastigheten i råvareområdet til struktur 1 lavere enn for struktur 0. I figur 4(c) er materialstrømmen i både råvareområdet og vekstkammeret svekkes gradvis etter hvert som veksten skrider frem, og materialstrømmen i råvareområdet fortsetter å avta, noe som er forårsaket av åpningen av luftstrømskanalen ved kanten av digelen og blokkering av rekrystallisering på toppen; i vekstkammeret synker materialstrømningshastigheten til struktur 0 raskt i løpet av de første 30 timene til 16 %, og avtar bare med 3 % i den påfølgende tiden, mens struktur 1 forblir relativt stabil gjennom hele vekstprosessen. Derfor bidrar PG til å stabilisere materialstrømningshastigheten i vekstkammeret. Figur 4(d) sammenligner materialstrømningshastigheten ved krystallvekstfronten. I det første øyeblikket og 100 timer er materialtransporten i vekstsonen til struktur 0 sterkere enn i struktur 1, men det er alltid et område med høy strømningshastighet ved kanten av struktur 0, noe som fører til overdreven vekst ved kanten . Tilstedeværelsen av PG i struktur 1 undertrykker effektivt dette fenomenet.
Figur 3 Materialflyt i digelen. Strømlinjer (venstre) og hastighetsvektorer (høyre) for gassmaterialtransport i strukturer 0 og 1 til forskjellige tider, hastighetsvektorenhet: m/s
Figur 4 Endringer i materialstrømningshastighet. (a) Endringer i materialstrømningshastighetsfordelingen i midten av råmaterialet i struktur 0 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radien til råstoffområdet; (b) Endringer i materialstrømningshastighetsfordelingen i midten av råmaterialet til struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radien til råstoffområdet; (c) Endringer i materialstrømningshastigheten inne i vekstkammeret (A, B) og inne i råmaterialet (C, D) til strukturene 0 og 1 over tid; (d) Materialstrømningshastighetsfordeling nær kimkrystalloverflaten til strukturene 0 og 1 ved 0 og 100 timer, r er radiusen til frøkrystallen
C/Si påvirker den krystallinske stabiliteten og defekttettheten til SiC-krystallvekst. Figur 5(a) sammenligner C/Si-forholdsfordelingen til de to strukturene i det første øyeblikket. C/Si-forholdet avtar gradvis fra bunnen til toppen av digelen, og C/Si-forholdet til struktur 1 er alltid høyere enn for struktur 0 ved forskjellige posisjoner. Figurene 5(b) og 5(c) viser at C/Si-forholdet gradvis øker med veksten, noe som er relatert til økningen i indre temperatur i det senere vekststadiet, forbedringen av råmaterialegrafitisering og reaksjonen av Si komponenter i gassfasen med grafittdigelen. I figur 5(d) er C/Si-forholdene til struktur 0 og struktur 1 ganske forskjellige under PG (0, 25 mm), men litt forskjellige over PG (50 mm), og forskjellen øker gradvis når den nærmer seg krystallen . Generelt er C/Si-forholdet til struktur 1 høyere, noe som bidrar til å stabilisere krystallformen og redusere sannsynligheten for faseovergang.
Figur 5 Fordeling og endringer av C/Si-forhold. (a) C/Si-forholdsfordeling i digler med struktur 0 (venstre) og struktur 1 (høyre) ved 0 timer; (b) C/Si-forhold i forskjellige avstander fra senterlinjen til digel av struktur 0 til forskjellige tider (0, 30, 60, 100 timer); (c) C/Si-forhold i forskjellige avstander fra senterlinjen til diglen til struktur 1 til forskjellige tider (0, 30, 60, 100 timer); (d) Sammenligning av C/Si-forhold ved forskjellige avstander (0, 25, 50, 75, 100 mm) fra senterlinjen til digelen til struktur 0 (heltrukken linje) og struktur 1 (stiplet linje) til forskjellige tider (0, 30, 60, 100 timer).
Figur 6 viser endringene i partikkeldiameter og porøsitet til råvareregionene til de to strukturene. Figuren viser at råvarediameteren avtar og porøsiteten øker nær smeltedigelveggen, og kantporøsiteten fortsetter å øke og partikkeldiameteren fortsetter å avta etter hvert som veksten skrider frem. Maksimal kantporøsitet er ca. 0,99 ved 100 timer, og minste partikkeldiameter er ca. 300 μm. Partikkeldiameteren øker og porøsiteten avtar på den øvre overflaten av råmaterialet, tilsvarende rekrystallisering. Tykkelsen på rekrystalliseringsområdet øker ettersom veksten skrider frem, og partikkelstørrelsen og porøsiteten fortsetter å endre seg. Maksimal partikkeldiameter når mer enn 1500 μm, og minimum porøsitet er 0,13. I tillegg, siden PG øker temperaturen på råstoffområdet og gassovermetningen er liten, er rekrystalliseringstykkelsen til den øvre delen av råmaterialet til struktur 1 liten, noe som forbedrer råstoffutnyttelsesgraden.
Figur 6 Endringer i partikkeldiameter (venstre) og porøsitet (høyre) til råvareområdet til struktur 0 og struktur 1 til forskjellige tider, partikkeldiameterenhet: μm
Figur 7 viser at struktur 0 deformeres i begynnelsen av veksten, noe som kan være relatert til den for høye materialstrømningshastigheten forårsaket av grafittiseringen av råvarekanten. Graden av vridning svekkes under den påfølgende vekstprosessen, noe som tilsvarer endringen i materialstrømningshastigheten foran på krystallveksten til struktur 0 i figur 4 (d). I struktur 1, på grunn av effekten av PG, viser ikke krystallgrensesnittet vridning. I tillegg gjør PG også veksthastigheten til struktur 1 betydelig lavere enn for struktur 0. Sentrumstykkelsen på krystallen til struktur 1 etter 100 timer er bare 68 % av struktur 0.
Figur 7 Grensesnittendringer av struktur 0 og struktur 1 krystaller ved 30, 60 og 100 timer
Krystallvekst ble utført under prosessbetingelsene for numerisk simulering. Krystallene dyrket av struktur 0 og struktur 1 er vist i henholdsvis figur 8(a) og figur 8(b). Krystallen av struktur 0 viser et konkavt grensesnitt, med bølger i det sentrale området og en faseovergang i kanten. Overflatekonveksiteten representerer en viss grad av inhomogenitet i transporten av gassfasematerialer, og forekomsten av faseovergang tilsvarer det lave C/Si-forholdet. Grensesnittet til krystallen dyrket av struktur 1 er lett konveks, ingen faseovergang er funnet, og tykkelsen er 65 % av krystallen uten PG. Generelt tilsvarer krystallvekstresultatene simuleringsresultatene, med en større radiell temperaturforskjell ved krystallgrensesnittet til struktur 1, den raske veksten ved kanten undertrykkes, og den totale materialstrømningshastigheten er langsommere. Den generelle trenden er i samsvar med de numeriske simuleringsresultatene.
Figur 8 SiC-krystaller dyrket under struktur 0 og struktur 1
Konklusjon
PG bidrar til forbedring av den generelle temperaturen i råstoffområdet og forbedring av aksial og radiell temperaturensartethet, og fremmer full sublimering og utnyttelse av råmaterialet; topp- og bunntemperaturforskjellen øker, og den radielle gradienten til frøkrystalloverflaten øker, noe som bidrar til å opprettholde den konvekse grensesnittveksten. Når det gjelder masseoverføring, reduserer introduksjonen av PG den totale masseoverføringshastigheten, materialstrømningshastigheten i vekstkammeret som inneholder PG endres mindre med tiden, og hele vekstprosessen er mer stabil. Samtidig hemmer PG også effektivt forekomsten av overdreven kantmasseoverføring. I tillegg øker PG også C/Si-forholdet til vekstmiljøet, spesielt i forkanten av frøkrystallgrensesnittet, noe som bidrar til å redusere forekomsten av faseendring under vekstprosessen. Samtidig reduserer den termiske isolasjonseffekten til PG til en viss grad forekomsten av rekrystallisering i den øvre delen av råmaterialet. For krystallvekst bremser PG krystallveksthastigheten, men vekstgrensesnittet er mer konveks. Derfor er PG et effektivt middel for å forbedre vekstmiljøet til SiC-krystaller og optimalisere krystallkvaliteten.
Innleggstid: 18. juni 2024