Základný procesSiCrast kryštálov sa delí na sublimáciu a rozklad surovín pri vysokej teplote, transport látok v plynnej fáze pôsobením teplotného gradientu a rekryštalizačný rast látok v plynnej fáze na zárodočnom kryštáli. Na základe toho je vnútro téglika rozdelené na tri časti: oblasť suroviny, rastová komora a zárodočný kryštál. Na základe skutočného odporu bol nakreslený numerický simulačný modelSiCzariadenie na rast monokryštálov (pozri obrázok 1). Vo výpočte: spodná časťtéglikje vzdialený 90 mm od spodnej časti bočného ohrievača, horná teplota téglika je 2100 ℃, priemer častíc suroviny je 1000 μm, pórovitosť je 0,6, rastový tlak je 300 Pa a doba rastu je 100 hodín . Hrúbka PG je 5 mm, priemer sa rovná vnútornému priemeru téglika a je umiestnený 30 mm nad surovinou. Vo výpočte sa zohľadňujú procesy sublimácie, karbonizácie a rekryštalizácie zóny suroviny a nezohľadňuje sa reakcia medzi PG a látkami v plynnej fáze. Parametre fyzikálnych vlastností súvisiace s výpočtom sú uvedené v tabuľke 1.
Obrázok 1 Simulačný výpočtový model. a) Model tepelného poľa na simuláciu rastu kryštálov; b) Rozdelenie vnútornej oblasti téglika a súvisiace fyzické problémy
Tabuľka 1 Niektoré fyzikálne parametre použité pri výpočte
Obrázok 2(a) ukazuje, že teplota štruktúry obsahujúcej PG (označenej ako štruktúra 1) je vyššia ako teplota štruktúry bez PG (označenej ako štruktúra 0) pod PG a nižšia ako teplota štruktúry 0 nad PG. Celkový teplotný gradient sa zvyšuje a PG pôsobí ako tepelne izolačné činidlo. Podľa obrázkov 2(b) a 2(c) sú axiálne a radiálne teplotné gradienty štruktúry 1 v zóne suroviny menšie, rozloženie teploty je rovnomernejšie a sublimácia materiálu je úplnejšia. Na rozdiel od zóny suroviny, obrázok 2(c) ukazuje, že radiálny teplotný gradient na zárodočnom kryštáli štruktúry 1 je väčší, čo môže byť spôsobené rôznymi pomermi rôznych režimov prenosu tepla, čo pomáha kryštálu rásť s konvexným rozhraním. . Na obrázku 2(d) teplota v rôznych polohách v tégliku vykazuje stúpajúci trend s postupujúcim rastom, ale teplotný rozdiel medzi štruktúrou 0 a štruktúrou 1 sa postupne znižuje v zóne suroviny a postupne sa zvyšuje v rastovej komore.
Obrázok 2 Rozloženie teploty a zmeny v tégliku. a) Rozloženie teploty vo vnútri téglika konštrukcie 0 (vľavo) a konštrukcie 1 (vpravo) pri 0 h, jednotka: ℃; (b) Rozloženie teploty na stredovej línii téglika štruktúry 0 a štruktúry 1 od spodnej časti suroviny k zárodočnému kryštálu v čase 0 hodín; (c) Rozloženie teploty od stredu k okraju téglika na povrchu očkovacieho kryštálu (A) a povrchu suroviny (B), v strede (C) a na dne (D) po 0 h, vodorovná os r je polomer zárodočného kryštálu pre A a polomer plochy suroviny pre B~D; (d) Zmeny teploty v strede hornej časti (A), povrchu suroviny (B) a strede (C) rastovej komory štruktúry 0 a štruktúry 1 po 0, 30, 60 a 100 h.
Obrázok 3 ukazuje transport materiálu v rôznych časoch v tégliku štruktúry 0 a štruktúry 1. Rýchlosť toku materiálu v plynnej fáze v oblasti suroviny a rastovej komore sa zvyšuje so zvyšovaním polohy a transport materiálu sa oslabuje, keď rast pokračuje. . Obrázok 3 tiež ukazuje, že za podmienok simulácie surovina najskôr grafitizuje na bočnej stene téglika a potom na dne téglika. Okrem toho dochádza k rekryštalizácii na povrchu suroviny a tá sa postupom rastu postupne zahusťuje. Obrázky 4(a) a 4(b) ukazujú, že rýchlosť toku materiálu vo vnútri suroviny klesá s progresiou rastu a rýchlosť toku materiálu po 100 hodinách je približne 50 % počiatočného momentu; prietok je však relatívne veľký na okraji v dôsledku grafitizácie suroviny a prietok na okraji je viac ako 10-krát väčší ako prietok v strednej oblasti po 100 hodinách; okrem toho účinok PG v štruktúre 1 spôsobuje, že rýchlosť toku materiálu v oblasti suroviny v štruktúre 1 je nižšia ako v štruktúre 0. Na obrázku 4(c) je tok materiálu v oblasti suroviny aj v rastová komora postupne slabne, ako rast postupuje, a tok materiálu v oblasti suroviny sa naďalej znižuje, čo je spôsobené otvorením kanála na prúdenie vzduchu na okraji téglika a prekážkou rekryštalizácie na vrchu; v rastovej komore rýchlosť toku materiálu štruktúry 0 rýchlo klesá v počiatočných 30 hodinách na 16 % a v nasledujúcom čase sa znižuje len o 3 %, zatiaľ čo štruktúra 1 zostáva relatívne stabilná počas celého procesu rastu. Preto PG pomáha stabilizovať rýchlosť toku materiálu v rastovej komore. Obrázok 4(d) porovnáva rýchlosť toku materiálu na čele rastu kryštálov. V počiatočnom momente a 100 h je transport materiálu v rastovej zóne štruktúry 0 silnejší ako transport v štruktúre 1, ale vždy existuje oblasť s vysokým prietokom na okraji štruktúry 0, čo vedie k nadmernému rastu na okraji . Prítomnosť PG v štruktúre 1 účinne potláča tento jav.
Obrázok 3 Tok materiálu v tégliku. Prúdnice (vľavo) a vektory rýchlosti (vpravo) transportu materiálu plynu v štruktúrach 0 a 1 v rôznych časoch, jednotka vektora rýchlosti: m/s
Obrázok 4 Zmeny rýchlosti toku materiálu. a) zmeny v distribúcii rýchlosti toku materiálu v strede suroviny štruktúry 0 pri 0, 30, 60 a 100 h, r je polomer plochy suroviny; (b) zmeny v distribúcii rýchlosti toku materiálu v strede suroviny štruktúry 1 v 0, 30, 60 a 100 h, r je polomer plochy suroviny; (c) Zmeny v rýchlosti toku materiálu vo vnútri rastovej komory (A, B) a vo vnútri suroviny (C, D) štruktúr 0 a 1 v priebehu času; (d) Distribúcia rýchlosti toku materiálu v blízkosti povrchu zárodočného kryštálu štruktúr 0 a 1 v čase 0 a 100 h, r je polomer zárodočného kryštálu
C/Si ovplyvňuje kryštalickú stabilitu a hustotu defektov rastu kryštálov SiC. Obrázok 5(a) porovnáva rozdelenie pomeru C/Si dvoch štruktúr v počiatočnom momente. Pomer C/Si postupne klesá od dna k vrchu téglika a pomer C/Si štruktúry 1 je vždy vyšší ako pomer štruktúry 0 v rôznych polohách. Obrázky 5(b) a 5(c) ukazujú, že pomer C/Si sa s rastom postupne zvyšuje, čo súvisí so zvýšením vnútornej teploty v neskoršom štádiu rastu, zvýšením grafitizácie suroviny a reakciou Si zložky v plynnej fáze s grafitovým téglikom. Na obrázku 5(d) sú pomery C/Si štruktúry 0 a štruktúry 1 celkom odlišné pod PG (0, 25 mm), ale mierne odlišné nad PG (50 mm) a rozdiel sa postupne zvyšuje, keď sa približuje ku kryštálu. . Vo všeobecnosti je pomer C/Si štruktúry 1 vyšší, čo pomáha stabilizovať kryštálovú formu a znižuje pravdepodobnosť fázového prechodu.
Obrázok 5 Rozloženie a zmeny pomeru C/Si. a) distribúcia pomeru C/Si v téglikoch štruktúry 0 (vľavo) a štruktúry 1 (vpravo) v čase 0 hodín; (b) pomer C/Si v rôznych vzdialenostiach od osi téglika konštrukcie 0 v rôznych časoch (0, 30, 60, 100 h); (c) pomer C/Si v rôznych vzdialenostiach od osi téglika konštrukcie 1 v rôznych časoch (0, 30, 60, 100 h); d) Porovnanie pomeru C/Si v rôznych vzdialenostiach (0, 25, 50, 75, 100 mm) od osi téglika konštrukcie 0 (plná čiara) a konštrukcie 1 (prerušovaná čiara) v rôznych časoch (0, 30, 60, 100 h).
Obrázok 6 ukazuje zmeny v priemere častíc a pórovitosti oblastí surovín dvoch štruktúr. Obrázok ukazuje, že priemer suroviny sa zmenšuje a pórovitosť sa zväčšuje v blízkosti steny téglika a pórovitosť okraja sa naďalej zväčšuje a priemer častíc sa naďalej zmenšuje, keď rast pokračuje. Maximálna okrajová pórovitosť je približne 0,99 po 100 hodinách a minimálny priemer častíc je približne 300 μm. Priemer častíc sa zväčšuje a pórovitosť klesá na hornom povrchu suroviny, čo zodpovedá rekryštalizácii. Hrúbka rekryštalizačnej oblasti sa zvyšuje s postupujúcim rastom a veľkosť častíc a pórovitosť sa naďalej menia. Maximálny priemer častíc dosahuje viac ako 1500 μm a minimálna pórovitosť je 0,13. Okrem toho, keďže PG zvyšuje teplotu oblasti suroviny a presýtenie plynom je malé, hrúbka rekryštalizácie hornej časti suroviny štruktúry 1 je malá, čo zlepšuje mieru využitia suroviny.
Obrázok 6 Zmeny priemeru častíc (vľavo) a pórovitosti (vpravo) oblasti suroviny štruktúry 0 a štruktúry 1 v rôznych časoch, jednotka priemeru častíc: μm
Obrázok 7 ukazuje, že štruktúra 0 sa deformuje na začiatku rastu, čo môže súvisieť s nadmernou rýchlosťou toku materiálu spôsobenou grafitizáciou okraja suroviny. Stupeň deformácie je oslabený počas následného procesu rastu, čo zodpovedá zmene rýchlosti toku materiálu v prednej časti rastu kryštálov štruktúry 0 na obrázku 4 (d). V štruktúre 1 v dôsledku účinku PG nevykazuje kryštálové rozhranie deformáciu. Okrem toho PG tiež výrazne znižuje rýchlosť rastu štruktúry 1 ako rýchlosť rastu štruktúry 0. Stredná hrúbka kryštálu štruktúry 1 po 100 hodinách je len 68 % hrúbky štruktúry 0.
Obrázok 7 Zmeny rozhrania kryštálov štruktúry 0 a štruktúry 1 po 30, 60 a 100 hodinách
Rast kryštálov sa uskutočňoval v procesných podmienkach numerickej simulácie. Kryštály pestované štruktúrou 0 a štruktúrou 1 sú znázornené na obrázku 8(a) a obrázku 8(b). Kryštál štruktúry 0 vykazuje konkávne rozhranie so zvlnením v centrálnej oblasti a fázovým prechodom na okraji. Povrchová konvexnosť predstavuje určitý stupeň nehomogenity pri transporte materiálov v plynnej fáze a výskyt fázového prechodu zodpovedá nízkemu pomeru C/Si. Rozhranie kryštálu pestovaného štruktúrou 1 je mierne konvexné, nezistil sa žiadny fázový prechod a hrúbka je 65 % kryštálu bez PG. Vo všeobecnosti výsledky rastu kryštálov zodpovedajú výsledkom simulácie, s väčším radiálnym teplotným rozdielom na kryštálovom rozhraní štruktúry 1, rýchly rast na okraji je potlačený a celkový prietok materiálu je pomalší. Celkový trend je v súlade s výsledkami numerickej simulácie.
Obrázok 8 Kryštály SiC pestované pod štruktúrou 0 a štruktúrou 1
Záver
PG prispieva k zlepšeniu celkovej teploty oblasti suroviny a zlepšeniu rovnomernosti axiálnej a radiálnej teploty, čím sa podporuje úplná sublimácia a využitie suroviny; horný a spodný teplotný rozdiel sa zvyšuje a radiálny gradient povrchu zárodočného kryštálu sa zvyšuje, čo pomáha udržiavať rast konvexného rozhrania. Pokiaľ ide o prenos hmoty, zavedenie PG znižuje celkovú rýchlosť prenosu hmoty, rýchlosť toku materiálu v rastovej komore obsahujúcej PG sa časom mení menej a celý proces rastu je stabilnejší. Súčasne PG tiež účinne inhibuje výskyt nadmerného prenosu hmoty okrajov. Okrem toho PG tiež zvyšuje pomer C/Si rastového prostredia, najmä na prednom okraji rozhrania očkovacích kryštálov, čo pomáha znižovať výskyt fázovej zmeny počas procesu rastu. Tepelnoizolačný účinok PG zároveň do určitej miery znižuje výskyt rekryštalizácie v hornej časti suroviny. Pre rast kryštálov PG spomaľuje rýchlosť rastu kryštálov, ale rastové rozhranie je konvexnejšie. Preto je PG účinným prostriedkom na zlepšenie prostredia rastu kryštálov SiC a optimalizáciu kvality kryštálov.
Čas odoslania: 18. júna 2024