Osnovni postopek priSiCrast kristalov je razdeljena na sublimacijo in razgradnjo surovin pri visoki temperaturi, transport snovi plinaste faze pod vplivom temperaturnega gradienta in rekristalizacijsko rast snovi plinaste faze na zarodnem kristalu. Na podlagi tega je notranjost lončka razdeljena na tri dele: območje surovin, rastno komoro in zarodni kristal. Numerični simulacijski model je bil narisan na podlagi dejanskega uporaSiCopremo za rast monokristalov (glej sliko 1). V izračunu: spodnji dellončekje 90 mm oddaljen od dna stranskega grelnika, zgornja temperatura lončka je 2100 ℃, premer delcev surovine je 1000 μm, poroznost je 0,6, rastni tlak je 300 Pa, čas rasti je 100 h. . Debelina PG je 5 mm, premer je enak notranjemu premeru lončka in se nahaja 30 mm nad surovino. V izračunu so upoštevani procesi sublimacije, karbonizacije in rekristalizacije surovinske cone, reakcija med PG in snovmi plinske faze pa ni upoštevana. Parametri fizične lastnosti, povezani z izračunom, so prikazani v tabeli 1.
Slika 1 Model simulacijskega izračuna. (a) Model toplotnega polja za simulacijo rasti kristalov; (b) Razdelitev notranjega območja lončka in s tem povezani fizični problemi
Tabela 1 Nekateri fizični parametri, uporabljeni pri izračunu
Slika 2(a) kaže, da je temperatura strukture, ki vsebuje PG (označena kot struktura 1), višja od temperature strukture brez PG (označene kot struktura 0) pod PG in nižja od temperature strukture 0 nad PG. Skupni temperaturni gradient se poveča, PG pa deluje kot toplotno izolacijsko sredstvo. Glede na slike 2(b) in 2(c) sta aksialni in radialni temperaturni gradient strukture 1 v coni surovine manjši, porazdelitev temperature je bolj enakomerna in sublimacija materiala je popolnejša. Za razliko od cone surovine slika 2(c) kaže, da je radialni temperaturni gradient na zarodnem kristalu strukture 1 večji, kar je lahko posledica različnih deležev različnih načinov prenosa toplote, kar pomaga kristalu rasti s konveksno mejo . Na sliki 2(d) temperatura na različnih položajih v lončku kaže trend naraščanja, ko rast napreduje, vendar se temperaturna razlika med strukturo 0 in strukturo 1 postopoma zmanjšuje v območju surovine in postopoma povečuje v rastni komori.
Slika 2 Porazdelitev temperature in spremembe v lončku. (a) Porazdelitev temperature znotraj lončka strukture 0 (levo) in strukture 1 (desno) pri 0 h, enota: ℃; (b) Porazdelitev temperature na središčni črti lončka strukture 0 in strukture 1 od dna surovine do zarodnega kristala pri 0 h; (c) Porazdelitev temperature od središča do roba lončka na površini začetnega kristala (A) in površini surovine (B), sredini (C) in dnu (D) pri 0 h, vodoravna os r je polmer začetnega kristala za A in polmer površine surovine za B~D; ( d ) Spremembe temperature v središču zgornjega dela (A), površine surovine (B) in sredine (C) rastne komore strukture 0 in strukture 1 pri 0, 30, 60 in 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materiala v različnih časih v lončku strukture 0 in strukture 1. Hitrost pretoka materiala v plinski fazi v območju surovin in rastni komori se poveča s povečanjem položaja, transport materiala pa oslabi, ko rast napreduje. . Slika 3 prav tako prikazuje, da v pogojih simulacije surovina najprej zgrafitizira na stranski steni lončka in nato na dnu lončka. Poleg tega pride do rekristalizacije na površini surovine, ki se z napredovanjem rasti postopoma debeli. Sliki 4(a) in 4(b) prikazujeta, da se hitrost pretoka materiala znotraj surovine z napredovanjem rasti zmanjšuje, stopnja pretoka materiala pri 100 h pa je približno 50 % začetnega trenutka; vendar je pretok na robu razmeroma velik zaradi grafitizacije surovine, pretok na robu pa je več kot 10-krat večji od pretoka v srednjem območju pri 100 h; poleg tega je zaradi učinka PG v strukturi 1 stopnja pretoka materiala v območju surovin strukture 1 nižja od tiste v strukturi 0. Na sliki 4(c) je pretok materiala v območju surovin in rastna komora postopoma slabi, ko rast napreduje, pretok materiala v območju surovin pa se še naprej zmanjšuje, kar je posledica odpiranja kanala za pretok zraka na robu lončka in oviranja rekristalizacije na vrh; v rastni komori se stopnja pretoka materiala strukture 0 hitro zmanjša v začetnih 30 urah na 16% in se v naslednjem času zmanjša le za 3%, medtem ko struktura 1 ostane relativno stabilna skozi celoten proces rasti. Zato PG pomaga stabilizirati hitrost pretoka materiala v rastni komori. Slika 4(d) primerja hitrost pretoka materiala na fronti rasti kristalov. V začetnem trenutku in 100 h je transport materiala v območju rasti strukture 0 močnejši kot v strukturi 1, vendar je na robu strukture 0 vedno območje visokega pretoka, kar vodi do prekomerne rasti na robu . Prisotnost PG v strukturi 1 učinkovito zavira ta pojav.
Slika 3 Tok materiala v lončku. Linije toka (levo) in vektorji hitrosti (desno) transporta plinskega materiala v strukturah 0 in 1 v različnih časih, enota vektorja hitrosti: m/s
Slika 4 Spremembe v pretoku materiala. (a) Spremembe v porazdelitvi hitrosti pretoka materiala v sredini surovine strukture 0 pri 0, 30, 60 in 100 h, r je polmer območja surovine; (b) Spremembe v porazdelitvi hitrosti pretoka materiala v sredini surovine strukture 1 pri 0, 30, 60 in 100 h, r je polmer območja surovine; (c) spremembe v hitrosti pretoka materiala znotraj rastne komore (A, B) in znotraj surovine (C, D) struktur 0 in 1 skozi čas; (d) Porazdelitev hitrosti pretoka materiala v bližini površine zarodnega kristala struktur 0 in 1 pri 0 in 100 h, r je polmer zarodnega kristala
C/Si vpliva na kristalno stabilnost in gostoto napak pri rasti kristalov SiC. Slika 5(a) primerja porazdelitev razmerja C/Si obeh struktur v začetnem trenutku. Razmerje C/Si postopoma pada od dna do vrha lončka, razmerje C/Si strukture 1 pa je vedno višje kot pri strukturi 0 na različnih položajih. Sliki 5(b) in 5(c) kažeta, da se razmerje C/Si postopoma povečuje z rastjo, kar je povezano s povišanjem notranje temperature v poznejši fazi rasti, izboljšanjem grafitizacije surovin in reakcijo Si komponente v plinski fazi z grafitnim lončkom. Na sliki 5(d) sta razmerja C/Si strukture 0 in strukture 1 precej različna pod PG (0, 25 mm), vendar nekoliko drugačna nad PG (50 mm), razlika pa postopoma narašča, ko se približuje kristalu . Na splošno je razmerje C/Si strukture 1 višje, kar pomaga stabilizirati kristalno obliko in zmanjšati verjetnost faznega prehoda.
Slika 5 Porazdelitev in spremembe razmerja C/Si. (a) porazdelitev razmerja C/Si v lončkih strukture 0 (levo) in strukture 1 (desno) pri 0 h; (b) razmerje C/Si na različnih razdaljah od središčne črte lončka strukture 0 v različnih časih (0, 30, 60, 100 h); (c) razmerje C/Si na različnih razdaljah od središčne črte lončka strukture 1 v različnih časih (0, 30, 60, 100 h); (d) Primerjava razmerja C/Si na različnih razdaljah (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središčne črte lončka strukture 0 (polna črta) in strukture 1 (črtkana črta) v različnih časih (0, 30, 60, 100 h).
Slika 6 prikazuje spremembe v premeru delcev in poroznosti območij surovin obeh struktur. Slika prikazuje, da se premer surovine zmanjša in poroznost poveča v bližini stene lončka, poroznost roba pa se še naprej povečuje in premer delcev se z napredovanjem rasti še naprej zmanjšuje. Največja robna poroznost je približno 0,99 pri 100 h, najmanjši premer delcev pa približno 300 μm. Premer delcev se poveča in poroznost zmanjša na zgornji površini surovine, kar ustreza rekristalizaciji. Debelina rekristalizacijskega območja se povečuje z napredovanjem rasti, velikost delcev in poroznost pa se še naprej spreminjata. Največji premer delcev doseže več kot 1500 μm, minimalna poroznost pa 0,13. Poleg tega, ker PG poveča temperaturo območja surovine in je prenasičenost plina majhna, je debelina rekristalizacije zgornjega dela surovine strukture 1 majhna, kar izboljša stopnjo izkoriščenosti surovine.
Slika 6 Spremembe premera delcev (levo) in poroznosti (desno) območja surovine strukture 0 in strukture 1 v različnih časih, enota premera delcev: μm
Slika 7 prikazuje, da se struktura 0 na začetku rasti zvija, kar je lahko povezano s prevelikim pretokom materiala, ki ga povzroča grafitizacija roba surovine. Stopnja ukrivljenosti je med nadaljnjim procesom rasti oslabljena, kar ustreza spremembi hitrosti pretoka materiala na sprednji strani kristalne rasti strukture 0 na sliki 4 (d). V strukturi 1 zaradi učinka PG kristalni vmesnik ne kaže upogibanja. Poleg tega je zaradi PG tudi stopnja rasti strukture 1 znatno nižja od tiste pri strukturi 0. Sredinska debelina kristala strukture 1 po 100 urah znaša le 68 % debeline strukture 0.
Slika 7 Spremembe vmesnika kristalov strukture 0 in strukture 1 pri 30, 60 in 100 h
Rast kristalov je potekala v procesnih pogojih numerične simulacije. Kristali, vzgojeni s strukturo 0 in strukturo 1, so prikazani na sliki 8(a) oziroma sliki 8(b). Kristal strukture 0 kaže konkavno vmesnik z valovi v osrednjem območju in faznim prehodom na robu. Konveksnost površine predstavlja določeno stopnjo nehomogenosti pri transportu materialov v plinski fazi, pojav faznega prehoda pa ustreza nizkemu razmerju C/Si. Vmesna površina kristala, vzgojenega s strukturo 1, je rahlo konveksna, faznega prehoda ni, debelina pa je 65% kristala brez PG. Na splošno rezultati rasti kristalov ustrezajo rezultatom simulacije, z večjo radialno temperaturno razliko na kristalnem vmesniku strukture 1 je hitra rast na robu potlačena in celotna hitrost pretoka materiala je počasnejša. Splošni trend je skladen z rezultati numerične simulacije.
Slika 8 Kristali SiC, gojeni pod strukturo 0 in strukturo 1
Zaključek
PG prispeva k izboljšanju splošne temperature območja surovin in izboljšanju aksialne in radialne enakomernosti temperature, spodbuja popolno sublimacijo in uporabo surovine; razlika med zgornjo in spodnjo temperaturo se poveča in radialni gradient površine kristalnega semena se poveča, kar pomaga vzdrževati rast konveksnega vmesnika. Kar zadeva prenos mase, uvedba PG zmanjša skupno hitrost prenosa mase, stopnja pretoka materiala v rastni komori, ki vsebuje PG, se s časom manj spreminja in celoten proces rasti je bolj stabilen. Hkrati PG tudi učinkovito zavira pojav prekomernega robnega prenosa mase. Poleg tega PG poveča tudi razmerje C/Si v rastnem okolju, zlasti na sprednjem robu vmesnika kristalnega semena, kar pomaga zmanjšati pojav fazne spremembe med procesom rasti. Hkrati učinek toplotne izolacije PG v določeni meri zmanjša pojav rekristalizacije v zgornjem delu surovine. Za rast kristalov PG upočasni hitrost rasti kristalov, vendar je vmesnik rasti bolj konveksen. Zato je PG učinkovito sredstvo za izboljšanje rastnega okolja kristalov SiC in optimizacijo kakovosti kristalov.
Čas objave: 18. junij 2024