Procesul de bază alSiccreșterea cristalelor este împărțită în sublimarea și descompunerea materiilor prime la temperatură ridicată, transportul substanțelor în fază gazoasă sub acțiunea gradientului de temperatură și creșterea recristalizării substanțelor în fază gazoasă la cristalul sămânță. Pe baza acestui fapt, interiorul creuzetului este împărțit în trei părți: zona de materie primă, camera de creștere și cristalul sămânță. Un model de simulare numeric a fost desenat pe baza rezistivului realSicechipament de creștere cu un singur cristal (vezi Figura 1). În calcul: partea de jos acreuzeteste la 90 mm distanță de partea inferioară a încălzitorului lateral, temperatura superioară a creuzetului este de 2100 ℃, diametrul particulelor de materie primă este de 1000 μm, porozitatea este de 0,6, presiunea de creștere este de 300 Pa și timpul de creștere este de 100 h. . Grosimea PG este de 5 mm, diametrul este egal cu diametrul interior al creuzetului și este situat la 30 mm deasupra materiei prime. Procesele de sublimare, carbonizare și recristalizare ale zonei de materie primă sunt luate în considerare în calcul, iar reacția dintre PG și substanțele în fază gazoasă nu este luată în considerare. Parametrii proprietății fizice legați de calcul sunt prezentați în Tabelul 1.
Figura 1 Model de calcul de simulare. (a) Model de câmp termic pentru simularea creșterii cristalelor; (b) Împărțirea zonei interne a creuzetului și problemele fizice aferente
Tabelul 1 Câțiva parametri fizici utilizați în calcul
Figura 2(a) arată că temperatura structurii care conține PG (notat ca structură 1) este mai mare decât cea a structurii fără PG (notat ca structură 0) sub PG și mai mică decât cea a structurii 0 deasupra PG. Gradientul general de temperatură crește, iar PG acționează ca un agent termoizolant. Conform figurilor 2(b) și 2(c), gradienții de temperatură axial și radial ai structurii 1 în zona de materie primă sunt mai mici, distribuția temperaturii este mai uniformă și sublimarea materialului este mai completă. Spre deosebire de zona de materie primă, Figura 2(c) arată că gradientul radial de temperatură la cristalul sămânță al structurii 1 este mai mare, ceea ce poate fi cauzat de proporțiile diferite ale diferitelor moduri de transfer de căldură, ceea ce ajută cristalul să crească cu o interfață convexă. . În Figura 2(d), temperatura în diferite poziții din creuzet arată o tendință de creștere pe măsură ce creșterea progresează, dar diferența de temperatură dintre structura 0 și structura 1 scade treptat în zona de materie primă și crește treptat în camera de creștere.
Figura 2 Distribuția temperaturii și modificările în creuzet. (a) Distribuția temperaturii în interiorul creuzetului structurii 0 (stânga) și structurii 1 (dreapta) la 0 h, unitate: ℃; (b) Distribuția temperaturii pe linia centrală a creuzetului cu structura 0 și structura 1 de la partea de jos a materiei prime până la cristalul sămânță la 0 h; (c) Distribuția temperaturii de la centru la marginea creuzetului pe suprafața cristalului de semințe (A) și pe suprafața materiei prime (B), mijloc (C) și fund (D) la 0 h, axa orizontală r este raza cristalului de sămânță pentru A și raza ariei de materie primă pentru B~D; (d) Schimbările de temperatură în centrul părții superioare (A), a suprafeței materiei prime (B) și în mijlocul (C) a camerei de creștere a structurii 0 și structurii 1 la 0, 30, 60 și 100 de ore.
Figura 3 prezintă transportul materialului în momente diferite în creuzetul structurii 0 și structurii 1. Debitul de material în fază gazoasă în zona materiei prime și în camera de creștere crește odată cu creșterea poziției, iar transportul materialului slăbește pe măsură ce creșterea progresează . Figura 3 mai arată că, în condițiile de simulare, materia primă se grafitizează mai întâi pe peretele lateral al creuzetului și apoi pe fundul creuzetului. In plus, pe suprafata materiei prime are loc o recristalizare si aceasta se ingroasa treptat pe masura ce cresterea progreseaza. Figurile 4(a) și 4(b) arată că debitul de material în interiorul materiei prime scade pe măsură ce creșterea progresează, iar debitul de material la 100 h este de aproximativ 50% din momentul inițial; cu toate acestea, debitul este relativ mare la margine datorită grafitizării materiei prime, iar debitul la margine este de peste 10 ori mai mare decât debitul din zona mijlocie la 100 h; în plus, efectul PG în structura 1 face ca debitul de material din zona de materie primă a structurii 1 să fie mai mic decât cel al structurii 0. În Figura 4(c), fluxul de material atât în zona de materie primă, cât și în camera de creștere slăbește treptat pe măsură ce creșterea progresează, iar fluxul de material în zona materiei prime continuă să scadă, ceea ce este cauzat de deschiderea canalului de flux de aer la marginea creuzetului și obstrucția recristalizare în partea de sus; în camera de creștere, debitul de material al structurii 0 scade rapid în primele 30 de ore până la 16% și scade doar cu 3% în timpul următor, în timp ce structura 1 rămâne relativ stabilă pe tot parcursul procesului de creștere. Prin urmare, PG ajută la stabilizarea debitului de material în camera de creștere. Figura 4(d) compară debitul de material pe frontul de creștere a cristalului. La momentul inițial și la 100 de ore, transportul materialului în zona de creștere a structurii 0 este mai puternic decât cel din structura 1, dar există întotdeauna o zonă cu debit mare la marginea structurii 0, ceea ce duce la creșterea excesivă la margine. . Prezența PG în structura 1 suprimă efectiv acest fenomen.
Figura 3 Fluxul de material în creuzet. Linii (stânga) și vectori viteză (dreapta) ai transportului materialului gazos în structurile 0 și 1 la momente diferite, unitatea vectorului viteză: m/s
Figura 4 Modificări ale debitului de material. (a) Modificări ale distribuției debitului de material în mijlocul materiei prime din structura 0 la 0, 30, 60 și 100 h, r este raza zonei materiei prime; (b) Modificări ale distribuției debitului de material în mijlocul materiei prime din structura 1 la 0, 30, 60 și 100 h, r este raza zonei materiei prime; (c) Modificări ale debitului de material în interiorul camerei de creștere (A, B) și în interiorul materiei prime (C, D) a structurilor 0 și 1 în timp; (d) Distribuția debitului materialului lângă suprafața cristalului de însămânțare a structurilor 0 și 1 la 0 și 100 h, r este raza cristalului de însămânțare
C/Si afectează stabilitatea cristalină și densitatea defectelor creșterii cristalelor de SiC. Figura 5(a) compară distribuția raportului C/Si a celor două structuri la momentul inițial. Raportul C/Si scade treptat de la partea de jos spre partea superioară a creuzetului, iar raportul C/Si al structurii 1 este întotdeauna mai mare decât al structurii 0 în diferite poziții. Figurile 5(b) și 5(c) arată că raportul C/Si crește treptat odată cu creșterea, ceea ce este legat de creșterea temperaturii interne în etapa ulterioară a creșterii, de îmbunătățirea grafitizării materiei prime și de reacția Si componente în fază gazoasă cu creuzetul de grafit. În Figura 5(d), rapoartele C/Si ale structurii 0 și ale structurii 1 sunt destul de diferite sub PG (0, 25 mm), dar ușor diferite peste PG (50 mm), iar diferența crește treptat pe măsură ce se apropie de cristal. . În general, raportul C/Si al structurii 1 este mai mare, ceea ce ajută la stabilizarea formei cristalului și la reducerea probabilității tranziției de fază.
Figura 5 Distribuția și modificările raportului C/Si. (a) Distribuția raportului C/Si în creuzetele cu structura 0 (stânga) și structura 1 (dreapta) la 0 h; (b) Raportul C/Si la distanțe diferite de linia centrală a creuzetului structurii 0 la momente diferiți (0, 30, 60, 100 h); (c) raportul C/Si la distanțe diferite de linia centrală a creuzetului structurii 1 la momente diferiți (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparația raportului C/Si la diferite distanțe (0, 25, 50, 75, 100 mm) față de linia centrală a creuzetului structurii 0 (linie continuă) și structurii 1 (linie întreruptă) la momente diferite (0, 30, 60, 100 h).
Figura 6 prezintă modificările în diametrul particulelor și porozitatea regiunilor de materie primă ale celor două structuri. Figura arată că diametrul materiei prime scade și porozitatea crește lângă peretele creuzetului, iar porozitatea marginii continuă să crească, iar diametrul particulelor continuă să scadă pe măsură ce creșterea progresează. Porozitatea maximă a marginilor este de aproximativ 0,99 la 100 de ore, iar diametrul minim al particulei este de aproximativ 300 μm. Diametrul particulelor crește și porozitatea scade pe suprafața superioară a materiei prime, corespunzătoare recristalizării. Grosimea zonei de recristalizare crește pe măsură ce creșterea progresează, iar dimensiunea particulelor și porozitatea continuă să se modifice. Diametrul maxim al particulei ajunge la mai mult de 1500 μm, iar porozitatea minimă este de 0,13. În plus, deoarece PG crește temperatura zonei de materie primă și suprasaturarea gazului este mică, grosimea de recristalizare a părții superioare a materiei prime din structura 1 este mică, ceea ce îmbunătățește rata de utilizare a materiei prime.
Figura 6 Modificări ale diametrului particulelor (stânga) și porozității (dreapta) a zonei de materie primă a structurii 0 și structurii 1 la momente diferite, unitatea de diametru al particulei: μm
Figura 7 arată că structura 0 se deformează la începutul creșterii, ceea ce poate fi legat de debitul excesiv de material cauzat de grafitizarea marginii materiei prime. Gradul de deformare este slăbit în timpul procesului de creștere ulterior, ceea ce corespunde modificării debitului de material în partea din față a creșterii cristalului a structurii 0 din Figura 4 (d). În structura 1, datorită efectului PG, interfața cu cristale nu prezintă deformare. În plus, PG face ca rata de creștere a structurii 1 să fie semnificativ mai mică decât cea a structurii 0. Grosimea centrală a cristalului structurii 1 după 100 de ore este doar 68% din cea a structurii 0.
Figura 7 Modificări ale interfeței cristalelor structurii 0 și structurii 1 la 30, 60 și 100 de ore
Creșterea cristalelor a fost realizată în condițiile procesului de simulare numerică. Cristalele crescute de structura 0 și structura 1 sunt prezentate în Figura 8(a) și respectiv Figura 8(b). Cristalul din structura 0 prezintă o interfață concavă, cu ondulații în zona centrală și o tranziție de fază la margine. Convexitatea suprafeței reprezintă un anumit grad de neomogenitate în transportul materialelor în fază gazoasă, iar apariția tranziției de fază corespunde raportului C/Si scăzut. Interfața cristalului crescut de structura 1 este ușor convexă, nu se găsește tranziție de fază, iar grosimea este de 65% din cristalul fără PG. În general, rezultatele creșterii cristalelor corespund rezultatelor simulării, cu o diferență radială de temperatură mai mare la interfața cristalină a structurii 1, creșterea rapidă la margine este suprimată și debitul total al materialului este mai lent. Tendința generală este în concordanță cu rezultatele simulării numerice.
Figura 8 Cristale de SiC crescute sub structura 0 și structura 1
Concluzie
PG este propice pentru îmbunătățirea temperaturii generale a zonei de materie primă și îmbunătățirea uniformității temperaturii axiale și radiale, promovând sublimarea și utilizarea completă a materiei prime; diferența de temperatură de sus și de jos crește, iar gradientul radial al suprafeței cristalului de semințe crește, ceea ce ajută la menținerea creșterii interfeței convexe. În ceea ce privește transferul de masă, introducerea PG reduce viteza totală de transfer de masă, debitul de material în camera de creștere care conține PG se modifică mai puțin în timp și întregul proces de creștere este mai stabil. În același timp, PG inhibă efectiv apariția transferului excesiv de masă de margine. În plus, PG crește, de asemenea, raportul C/Si al mediului de creștere, în special la marginea frontală a interfeței cu cristale semințe, ceea ce ajută la reducerea apariției schimbării de fază în timpul procesului de creștere. În același timp, efectul de izolare termică al PG reduce într-o anumită măsură apariția recristalizării în partea superioară a materiei prime. Pentru creșterea cristalelor, PG încetinește rata de creștere a cristalelor, dar interfața de creștere este mai convexă. Prin urmare, PG este un mijloc eficient de a îmbunătăți mediul de creștere al cristalelor de SiC și de a optimiza calitatea cristalului.
Ora postării: 18-jun-2024