Procesi themelor iSiCRritja e kristalit ndahet në sublimimin dhe dekompozimin e lëndëve të para në temperaturë të lartë, transportimin e substancave të fazës së gazit nën veprimin e gradientit të temperaturës dhe rritjen e rikristalizimit të substancave të fazës së gazit në kristalin e farës. Bazuar në këtë, pjesa e brendshme e kallëpit ndahet në tre pjesë: zona e lëndës së parë, dhoma e rritjes dhe kristali i farës. Një model simulimi numerik u hartua bazuar në rezistencën aktualeSiCpajisjet e rritjes me një kristal (shih Figurën 1). Në llogaritje: fundi icrucibleështë 90 mm larg nga fundi i ngrohësit anësor, temperatura e sipërme e krusit është 2100 ℃, diametri i grimcave të lëndës së parë është 1000 μm, poroziteti është 0,6, presioni i rritjes është 300 Pa dhe koha e rritjes është 100 orë . Trashësia e PG-së është 5 mm, diametri është i barabartë me diametrin e brendshëm të kutisë dhe ndodhet 30 mm mbi lëndën e parë. Në llogaritje merren parasysh proceset e sublimimit, karbonizimit dhe rikristalizimit të zonës së lëndës së parë dhe nuk merret parasysh reaksioni ndërmjet substancave PG dhe të fazës së gazit. Parametrat e vetive fizike të lidhura me llogaritjen janë paraqitur në Tabelën 1.
Figura 1 Modeli i llogaritjes së simulimit. (a) Modeli i fushës termike për simulimin e rritjes së kristalit; (b) Ndarja e zonës së brendshme të kutisë dhe problemet fizike të lidhura me to
Tabela 1 Disa parametra fizikë të përdorur në llogaritje
Figura 2(a) tregon se temperatura e strukturës që përmban PG (e shënuar si struktura 1) është më e lartë se ajo e strukturës pa PG (e shënuar si struktura 0) nën PG dhe më e ulët se ajo e strukturës 0 mbi PG. Gradienti i përgjithshëm i temperaturës rritet dhe PG vepron si një agjent izolues i nxehtësisë. Sipas figurave 2(b) dhe 2(c), gradientet e temperaturës boshtore dhe radiale të strukturës 1 në zonën e lëndës së parë janë më të vogla, shpërndarja e temperaturës është më uniforme dhe sublimimi i materialit është më i plotë. Ndryshe nga zona e lëndës së parë, Figura 2(c) tregon se gradienti radial i temperaturës në kristalin e farës së strukturës 1 është më i madh, i cili mund të shkaktohet nga përmasat e ndryshme të mënyrave të ndryshme të transferimit të nxehtësisë, gjë që ndihmon kristalin të rritet me një ndërfaqe konveks . Në figurën 2(d), temperatura në pozicione të ndryshme në kavanoz tregon një tendencë në rritje ndërsa rritja përparon, por diferenca e temperaturës midis strukturës 0 dhe strukturës 1 zvogëlohet gradualisht në zonën e lëndës së parë dhe rritet gradualisht në dhomën e rritjes.
Figura 2 Shpërndarja e temperaturës dhe ndryshimet në enë. (a) Shpërndarja e temperaturës brenda kallëpit të strukturës 0 (majtas) dhe strukturës 1 (djathtas) në 0 orë, njësia: ℃; (b) Shpërndarja e temperaturës në vijën qendrore të kutisë së strukturës 0 dhe strukturës 1 nga fundi i lëndës së parë deri te kristali i farës në 0 orë; (c) Shpërndarja e temperaturës nga qendra deri në skajin e kavanozit në sipërfaqen e kristalit të farës (A) dhe sipërfaqen e lëndës së parë (B), në mes (C) dhe në fund (D) në 0 orë, boshti horizontal r është rrezja e kristalit të farës për A, dhe rrezja e zonës së lëndës së parë për B~D; (d) Ndryshimet e temperaturës në qendër të pjesës së sipërme (A), sipërfaqes së lëndës së parë (B) dhe mesit (C) të dhomës së rritjes së strukturës 0 dhe strukturës 1 në 0, 30, 60 dhe 100 orë.
Figura 3 tregon transportin e materialit në kohë të ndryshme në krusinën e strukturës 0 dhe strukturës 1. Shkalla e rrjedhës së materialit në fazën e gazit në zonën e lëndës së parë dhe dhomën e rritjes rritet me rritjen e pozicionit dhe transporti i materialit dobësohet ndërsa rritja përparon. . Figura 3 tregon gjithashtu se në kushtet e simulimit, lënda e parë grafitizohet fillimisht në murin anësor të kazanit dhe më pas në pjesën e poshtme të enës. Përveç kësaj, ka rikristalizim në sipërfaqen e lëndës së parë dhe gradualisht trashet ndërsa rritja përparon. Figurat 4(a) dhe 4(b) tregojnë se shpejtësia e rrjedhjes së materialit brenda lëndës së parë zvogëlohet ndërsa rritja përparon dhe shpejtësia e rrjedhjes së materialit në 100 orë është rreth 50% e momentit fillestar; megjithatë, shpejtësia e rrjedhës është relativisht e madhe në skaj për shkak të grafitizimit të lëndës së parë, dhe shpejtësia e rrjedhjes në skaj është më shumë se 10 herë ajo e shpejtësisë së rrjedhës në zonën e mesme në 100 orë; përveç kësaj, efekti i PG në strukturën 1 e bën shkallën e rrjedhës së materialit në zonën e lëndës së parë të strukturës 1 më të ulët se ajo e strukturës 0. Në figurën 4(c), rrjedha e materialit si në zonën e lëndës së parë ashtu edhe në dhoma e rritjes dobësohet gradualisht ndërsa rritja përparon dhe fluksi i materialit në zonën e lëndës së parë vazhdon të ulet, gjë që shkaktohet nga hapja e kanalit të rrjedhës së ajrit në skajin e krusit dhe pengimi i rikristalizimi në krye; në dhomën e rritjes, shkalla e rrjedhës së materialit të strukturës 0 zvogëlohet me shpejtësi në 30 orët fillestare në 16%, dhe zvogëlohet vetëm me 3% në kohën pasuese, ndërsa struktura 1 mbetet relativisht e qëndrueshme gjatë gjithë procesit të rritjes. Prandaj, PG ndihmon në stabilizimin e shkallës së rrjedhës së materialit në dhomën e rritjes. Figura 4(d) krahason shpejtësinë e rrjedhës së materialit në pjesën e përparme të rritjes së kristalit. Në momentin fillestar dhe 100 orë, transporti i materialit në zonën e rritjes së strukturës 0 është më i fortë se ai në strukturën 1, por ka gjithmonë një zonë me shpejtësi të lartë rrjedhjeje në skajin e strukturës 0, gjë që çon në rritje të tepruar në skaj. . Prania e PG në strukturën 1 e shtyp në mënyrë efektive këtë fenomen.
Figura 3 Rrjedha e materialit në enë. Linjat rrjedhëse (majtas) dhe vektorët e shpejtësisë (djathtas) të transportit të materialit të gazit në strukturat 0 dhe 1 në kohë të ndryshme, njësia vektoriale e shpejtësisë: m/s
Figura 4 Ndryshimet në shpejtësinë e rrjedhjes së materialit. (a) Ndryshimet në shpërndarjen e shkallës së rrjedhës së materialit në mes të lëndës së parë të strukturës 0 në 0, 30, 60 dhe 100 orë, r është rrezja e zonës së lëndës së parë; (b) Ndryshimet në shpërndarjen e shkallës së rrjedhës së materialit në mes të lëndës së parë të strukturës 1 në 0, 30, 60 dhe 100 orë, r është rrezja e zonës së lëndës së parë; (c) Ndryshimet në shpejtësinë e rrjedhjes së materialit brenda dhomës së rritjes (A, B) dhe brenda lëndës së parë (C, D) të strukturave 0 dhe 1 me kalimin e kohës; (d) Shpërndarja e shkallës së rrjedhës së materialit pranë sipërfaqes së kristalit të farës së strukturave 0 dhe 1 në 0 dhe 100 orë, r është rrezja e kristalit të farës
C/Si ndikon në stabilitetin kristalor dhe densitetin e defektit të rritjes së kristalit SiC. Figura 5(a) krahason shpërndarjen e raportit C/Si të dy strukturave në momentin fillestar. Raporti C/Si zvogëlohet gradualisht nga fundi në majë të kavanozit, dhe raporti C/Si i strukturës 1 është gjithmonë më i lartë se ai i strukturës 0 në pozicione të ndryshme. Figura 5(b) dhe 5(c) tregojnë se raporti C/Si rritet gradualisht me rritjen, i cili lidhet me rritjen e temperaturës së brendshme në fazën e mëvonshme të rritjes, rritjen e grafitizimit të lëndës së parë dhe reagimin e Si. komponentët në fazën e gazit me gropë grafit. Në figurën 5(d), raportet C/Si të strukturës 0 dhe strukturës 1 janë mjaft të ndryshme nën PG (0, 25 mm), por paksa të ndryshme mbi PG (50 mm), dhe ndryshimi rritet gradualisht ndërsa i afrohet kristalit . Në përgjithësi, raporti C/Si i strukturës 1 është më i lartë, gjë që ndihmon në stabilizimin e formës kristalore dhe zvogëlimin e probabilitetit të kalimit fazor.
Figura 5 Shpërndarja dhe ndryshimet e raportit C/Si. (a) Shpërndarja e raportit C/Si në gropat e strukturës 0 (majtas) dhe strukturës 1 (djathtas) në 0 orë; (b) raporti C/Si në distanca të ndryshme nga vija qendrore e gërmimeve të strukturës 0 në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë); (c) raporti C/Si në distanca të ndryshme nga vija qendrore e gërmimeve të strukturës 1 në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë); (d) Krahasimi i raportit C/Si në distanca të ndryshme (0, 25, 50, 75, 100 mm) nga vija qendrore e gërmimit të strukturës 0 (vijë e ngurtë) dhe struktura 1 (vijë e ndërprerë) në kohë të ndryshme (0, 30, 60, 100 orë).
Figura 6 tregon ndryshimet në diametrin e grimcave dhe porozitetin e rajoneve të lëndës së parë të dy strukturave. Figura tregon se diametri i lëndës së parë zvogëlohet dhe poroziteti rritet pranë murit të kavanozit, dhe poroziteti i skajit vazhdon të rritet dhe diametri i grimcave vazhdon të ulet ndërsa rritja përparon. Poroziteti maksimal i skajit është rreth 0,99 në 100 orë, dhe diametri minimal i grimcave është rreth 300 μm. Diametri i grimcave rritet dhe poroziteti zvogëlohet në sipërfaqen e sipërme të lëndës së parë, që korrespondon me rikristalizimin. Trashësia e zonës së rikristalizimit rritet ndërsa rritja përparon, dhe madhësia e grimcave dhe poroziteti vazhdojnë të ndryshojnë. Diametri maksimal i grimcave arrin më shumë se 1500 μm, dhe poroziteti minimal është 0.13. Përveç kësaj, meqenëse PG rrit temperaturën e zonës së lëndës së parë dhe mbingopja e gazit është e vogël, trashësia e rikristalizimit të pjesës së sipërme të lëndës së parë të strukturës 1 është e vogël, gjë që përmirëson shkallën e përdorimit të lëndës së parë.
Figura 6 Ndryshimet në diametrin e grimcave (majtas) dhe porozitetin (djathtas) të zonës së lëndës së parë të strukturës 0 dhe strukturës 1 në kohë të ndryshme, njësia e diametrit të grimcave: μm
Figura 7 tregon se struktura 0 deformohet në fillim të rritjes, gjë që mund të lidhet me shpejtësinë e tepërt të rrjedhës së materialit të shkaktuar nga grafitizimi i skajit të lëndës së parë. Shkalla e shtrembërimit dobësohet gjatë procesit të rritjes pasuese, e cila korrespondon me ndryshimin e shpejtësisë së rrjedhës së materialit në pjesën e përparme të rritjes së kristalit të strukturës 0 në Figurën 4 (d). Në strukturën 1, për shkak të efektit të PG, ndërfaqja e kristalit nuk shfaq deformim. Përveç kësaj, PG e bën gjithashtu shkallën e rritjes së strukturës 1 dukshëm më të ulët se ajo e strukturës 0. Trashësia qendrore e kristalit të strukturës 1 pas 100 orësh është vetëm 68% e asaj të strukturës 0.
Figura 7 Ndryshimet e ndërfaqes së kristaleve të strukturës 0 dhe strukturës 1 në 30, 60 dhe 100 orë
Rritja e kristalit u krye në kushtet e procesit të simulimit numerik. Kristalet e rritura nga struktura 0 dhe struktura 1 tregohen respektivisht në Figurën 8(a) dhe Figura 8(b). Kristali i strukturës 0 tregon një ndërfaqe konkave, me valëzime në zonën qendrore dhe një tranzicion fazor në skaj. Konveksiteti i sipërfaqes përfaqëson një shkallë të caktuar johomogjeniteti në transportin e materialeve në fazë gazi, dhe shfaqja e tranzicionit fazor korrespondon me raportin e ulët C/Si. Ndërfaqja e kristalit të rritur nga struktura 1 është pak konveks, nuk gjendet asnjë tranzicion fazor dhe trashësia është 65% e kristalit pa PG. Në përgjithësi, rezultatet e rritjes së kristalit korrespondojnë me rezultatet e simulimit, me një ndryshim më të madh të temperaturës radiale në ndërfaqen e kristalit të strukturës 1, rritja e shpejtë në skaj është e shtypur dhe shpejtësia e përgjithshme e rrjedhës së materialit është më e ngadaltë. Tendenca e përgjithshme është në përputhje me rezultatet e simulimit numerik.
Figura 8 Kristalet SiC të rritura nën strukturën 0 dhe strukturën 1
konkluzioni
PG është e favorshme për përmirësimin e temperaturës së përgjithshme të zonës së lëndës së parë dhe përmirësimin e uniformitetit të temperaturës boshtore dhe radiale, duke promovuar sublimimin dhe përdorimin e plotë të lëndës së parë; diferenca e temperaturës së sipërme dhe të poshtme rritet dhe gradienti radial i sipërfaqes së kristalit të farës rritet, gjë që ndihmon në ruajtjen e rritjes së ndërfaqes konveks. Për sa i përket transferimit të masës, futja e PG zvogëlon shkallën e përgjithshme të transferimit të masës, shpejtësia e rrjedhës së materialit në dhomën e rritjes që përmban PG ndryshon më pak me kalimin e kohës dhe i gjithë procesi i rritjes është më i qëndrueshëm. Në të njëjtën kohë, PG gjithashtu pengon në mënyrë efektive shfaqjen e transferimit të tepërt të masës së skajit. Përveç kësaj, PG rrit gjithashtu raportin C/Si të mjedisit të rritjes, veçanërisht në skajin e përparmë të ndërfaqes së kristalit të farës, gjë që ndihmon në reduktimin e shfaqjes së ndryshimit të fazës gjatë procesit të rritjes. Në të njëjtën kohë, efekti termoizolues i PG redukton në një masë të caktuar shfaqjen e rikristalizimit në pjesën e sipërme të lëndës së parë. Për rritjen e kristalit, PG ngadalëson shkallën e rritjes së kristalit, por ndërfaqja e rritjes është më konveks. Prandaj, PG është një mjet efektiv për të përmirësuar mjedisin e rritjes së kristaleve SiC dhe për të optimizuar cilësinë e kristalit.
Koha e postimit: Qershor-18-2024