O processo básico deSiCo crescimento do cristal é dividido em sublimação e decomposição de matérias-primas em alta temperatura, transporte de substâncias em fase gasosa sob a ação do gradiente de temperatura e crescimento de recristalização de substâncias em fase gasosa no cristal semente. Com base nisso, o interior do cadinho é dividido em três partes: área de matéria-prima, câmara de crescimento e cristal semente. Um modelo de simulação numérica foi desenhado com base na resistência realSiCequipamento de crescimento de cristal único (ver Figura 1). No cálculo: a parte inferior docadinhoestá a 90 mm de distância da parte inferior do aquecedor lateral, a temperatura superior do cadinho é 2100 ℃, o diâmetro da partícula da matéria-prima é 1000 μm, a porosidade é 0,6, a pressão de crescimento é 300 Pa e o tempo de crescimento é 100 h . A espessura do PG é de 5 mm, o diâmetro é igual ao diâmetro interno do cadinho e está localizado 30 mm acima da matéria-prima. Os processos de sublimação, carbonização e recristalização da zona de matéria-prima são considerados no cálculo, e a reação entre PG e substâncias em fase gasosa não é considerada. Os parâmetros de propriedades físicas relacionados ao cálculo são mostrados na Tabela 1.
Figura 1 Modelo de cálculo de simulação. (a) Modelo de campo térmico para simulação de crescimento de cristais; (b) Divisão da área interna do cadinho e problemas físicos relacionados
Tabela 1 Alguns parâmetros físicos utilizados no cálculo
A Figura 2 (a) mostra que a temperatura da estrutura contendo PG (denotada como estrutura 1) é maior que a da estrutura livre de PG (denotada como estrutura 0) abaixo de PG e menor que a da estrutura 0 acima de PG. O gradiente geral de temperatura aumenta e o PG atua como um agente isolante térmico. De acordo com as Figuras 2 (b) e 2 (c), os gradientes de temperatura axial e radial da estrutura 1 na zona de matéria-prima são menores, a distribuição de temperatura é mais uniforme e a sublimação do material é mais completa. Ao contrário da zona de matéria-prima, a Figura 2 (c) mostra que o gradiente radial de temperatura no cristal semente da estrutura 1 é maior, o que pode ser causado pelas diferentes proporções dos diferentes modos de transferência de calor, o que ajuda o cristal a crescer com uma interface convexa. . Na Figura 2 (d), a temperatura em diferentes posições no cadinho mostra uma tendência crescente à medida que o crescimento avança, mas a diferença de temperatura entre a estrutura 0 e a estrutura 1 diminui gradualmente na zona de matéria-prima e aumenta gradualmente na câmara de crescimento.
Figura 2 Distribuição de temperatura e alterações no cadinho. (a) Distribuição de temperatura dentro do cadinho da estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (direita) às 0 h, unidade: ℃; (b) Distribuição de temperatura na linha central do cadinho de estrutura 0 e estrutura 1 desde o fundo da matéria-prima até o cristal semente às 0 h; (c) Distribuição de temperatura do centro até a borda do cadinho na superfície do cristal semente (A) e na superfície da matéria-prima (B), meio (C) e fundo (D) às 0 h, o eixo horizontal r é o raio do cristal semente para A e raio da área da matéria-prima para B ~ D; (d) Mudanças de temperatura no centro da parte superior (A), superfície da matéria-prima (B) e meio (C) da câmara de crescimento da estrutura 0 e estrutura 1 às 0, 30, 60 e 100 h.
A Figura 3 mostra o transporte de material em diferentes momentos no cadinho da estrutura 0 e da estrutura 1. A taxa de fluxo de material em fase gasosa na área de matéria-prima e na câmara de crescimento aumenta com o aumento da posição, e o transporte de material enfraquece à medida que o crescimento progride . A Figura 3 também mostra que nas condições de simulação, a matéria-prima primeiro grafitiza na parede lateral do cadinho e depois no fundo do cadinho. Além disso, ocorre recristalização na superfície da matéria-prima e ela engrossa gradativamente à medida que o crescimento avança. As Figuras 4 (a) e 4 (b) mostram que a vazão de material dentro da matéria-prima diminui à medida que o crescimento avança, e a vazão de material em 100 h é de cerca de 50% do momento inicial; no entanto, a vazão é relativamente grande na borda devido à grafitização da matéria-prima, e a vazão na borda é mais de 10 vezes maior que a vazão na área intermediária às 100 h; além disso, o efeito do PG na estrutura 1 faz com que a vazão de material na área de matéria-prima da estrutura 1 seja inferior à da estrutura 0. Na Figura 4(c), o fluxo de material tanto na área de matéria-prima quanto no a câmara de crescimento enfraquece gradualmente à medida que o crescimento avança, e o fluxo de material na área de matéria-prima continua a diminuir, o que é causado pela abertura do canal de fluxo de ar na borda do cadinho e pela obstrução da recristalização no topo; na câmara de crescimento, a taxa de fluxo de material da estrutura 0 diminui rapidamente nas 30 horas iniciais para 16%, e apenas diminui 3% no tempo subsequente, enquanto a estrutura 1 permanece relativamente estável durante todo o processo de crescimento. Portanto, o PG ajuda a estabilizar a taxa de fluxo do material na câmara de crescimento. A Figura 4 (d) compara a taxa de fluxo de material na frente de crescimento do cristal. No momento inicial e 100 h, o transporte de material na zona de crescimento da estrutura 0 é mais forte do que na estrutura 1, mas há sempre uma área de alta vazão na borda da estrutura 0, o que leva ao crescimento excessivo na borda . A presença de PG na estrutura 1 suprime efetivamente este fenômeno.
Figura 3 Fluxo de material no cadinho. Linhas de corrente (esquerda) e vetores de velocidade (direita) do transporte de material gasoso nas estruturas 0 e 1 em momentos diferentes, unidade do vetor velocidade: m/s
Figura 4 Mudanças na taxa de fluxo de material. (a) Mudanças na distribuição da vazão de material no meio da matéria-prima da estrutura 0 aos 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da matéria-prima; (b) Mudanças na distribuição da vazão de material no meio da matéria-prima da estrutura 1 nos tempos 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da matéria-prima; (c) Mudanças na vazão do material dentro da câmara de crescimento (A, B) e dentro da matéria-prima (C, D) das estruturas 0 e 1 ao longo do tempo; (d) Distribuição da taxa de fluxo de material perto da superfície do cristal semente das estruturas 0 e 1 às 0 e 100 h, r é o raio do cristal semente
C/Si afeta a estabilidade cristalina e a densidade de defeitos do crescimento do cristal de SiC. A Figura 5(a) compara a distribuição da razão C/Si das duas estruturas no momento inicial. A relação C/Si diminui gradualmente da parte inferior para o topo do cadinho, e a relação C/Si da estrutura 1 é sempre maior que a da estrutura 0 em diferentes posições. As Figuras 5 (b) e 5 (c) mostram que a relação C/Si aumenta gradativamente com o crescimento, o que está relacionado ao aumento da temperatura interna na fase posterior do crescimento, ao aumento da grafitização da matéria-prima e à reação do Si componentes na fase gasosa com o cadinho de grafite. Na Figura 5 (d), as relações C/Si da estrutura 0 e da estrutura 1 são bastante diferentes abaixo do PG (0, 25 mm), mas ligeiramente diferentes acima do PG (50 mm), e a diferença aumenta gradualmente à medida que se aproxima do cristal. . Em geral, a relação C/Si da estrutura 1 é maior, o que ajuda a estabilizar a forma cristalina e reduzir a probabilidade de transição de fase.
Figura 5 Distribuição e alterações da relação C/Si. (a) Distribuição da razão C/Si em cadinhos de estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (direita) às 0 h; (b) relação C/Si em diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 0 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (c) relação C/Si em diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 1 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparação da relação C/Si em diferentes distâncias (0, 25, 50, 75, 100 mm) da linha central do cadinho da estrutura 0 (linha sólida) e da estrutura 1 (linha tracejada) em diferentes momentos (0, 30, 60, 100 horas).
A Figura 6 mostra as alterações no diâmetro das partículas e na porosidade das regiões de matéria-prima das duas estruturas. A figura mostra que o diâmetro da matéria-prima diminui e a porosidade aumenta perto da parede do cadinho, e a porosidade da borda continua a aumentar e o diâmetro da partícula continua a diminuir à medida que o crescimento avança. A porosidade máxima da borda é de cerca de 0,99 às 100 h, e o diâmetro mínimo da partícula é de cerca de 300 μm. O diâmetro das partículas aumenta e a porosidade diminui na superfície superior da matéria-prima, correspondendo à recristalização. A espessura da área de recristalização aumenta à medida que o crescimento progride, e o tamanho das partículas e a porosidade continuam a mudar. O diâmetro máximo das partículas atinge mais de 1500 μm e a porosidade mínima é de 0,13. Além disso, como o PG aumenta a temperatura da área da matéria-prima e a supersaturação do gás é pequena, a espessura de recristalização da parte superior da matéria-prima da estrutura 1 é pequena, o que melhora a taxa de utilização da matéria-prima.
Figura 6 Mudanças no diâmetro das partículas (esquerda) e na porosidade (direita) da área da matéria-prima da estrutura 0 e da estrutura 1 em momentos diferentes, unidade de diâmetro de partícula: μm
A Figura 7 mostra que a estrutura 0 se deforma no início do crescimento, o que pode estar relacionado ao excesso de fluxo de material causado pela grafitização da borda da matéria-prima. O grau de empenamento é enfraquecido durante o processo de crescimento subsequente, que corresponde à mudança na taxa de fluxo do material na frente do crescimento do cristal da estrutura 0 na Figura 4 (d). Na estrutura 1, devido ao efeito do PG, a interface do cristal não apresenta empenamento. Além disso, o PG também torna a taxa de crescimento da estrutura 1 significativamente menor que a da estrutura 0. A espessura central do cristal da estrutura 1 após 100 h é de apenas 68% daquela da estrutura 0.
Figura 7 Mudanças de interface dos cristais de estrutura 0 e estrutura 1 em 30, 60 e 100 h
O crescimento do cristal foi realizado sob condições de processo de simulação numérica. Os cristais cultivados pela estrutura 0 e estrutura 1 são mostrados na Figura 8 (a) e na Figura 8 (b), respectivamente. O cristal de estrutura 0 apresenta interface côncava, com ondulações na região central e transição de fase na borda. A convexidade da superfície representa um certo grau de heterogeneidade no transporte de materiais em fase gasosa, e a ocorrência de transição de fase corresponde à baixa relação C/Si. A interface do cristal cultivado pela estrutura 1 é ligeiramente convexa, nenhuma transição de fase é encontrada e a espessura é de 65% do cristal sem PG. Em geral, os resultados do crescimento do cristal correspondem aos resultados da simulação, com uma maior diferença de temperatura radial na interface do cristal da estrutura 1, o rápido crescimento na borda é suprimido e a taxa geral de fluxo do material é mais lenta. A tendência geral é consistente com os resultados da simulação numérica.
Figura 8 Cristais de SiC cultivados sob estrutura 0 e estrutura 1
Conclusão
O PG favorece a melhoria da temperatura geral da área da matéria-prima e a melhoria da uniformidade da temperatura axial e radial, promovendo a plena sublimação e aproveitamento da matéria-prima; a diferença de temperatura superior e inferior aumenta e o gradiente radial da superfície do cristal semente aumenta, o que ajuda a manter o crescimento da interface convexa. Em termos de transferência de massa, a introdução de PG reduz a taxa global de transferência de massa, a taxa de fluxo de material na câmara de crescimento contendo PG muda menos com o tempo e todo o processo de crescimento é mais estável. Ao mesmo tempo, o PG também inibe efetivamente a ocorrência de transferência excessiva de massa nas bordas. Além disso, o PG também aumenta a relação C/Si do ambiente de crescimento, especialmente na borda frontal da interface do cristal semente, o que ajuda a reduzir a ocorrência de mudança de fase durante o processo de crescimento. Ao mesmo tempo, o efeito de isolamento térmico do PG reduz até certo ponto a ocorrência de recristalização na parte superior da matéria-prima. Para o crescimento do cristal, o PG retarda a taxa de crescimento do cristal, mas a interface de crescimento é mais convexa. Portanto, o PG é um meio eficaz para melhorar o ambiente de crescimento dos cristais de SiC e otimizar a qualidade do cristal.
Horário da postagem: 18 de junho de 2024