Основни процес одСиЦраст кристала се дели на сублимацију и разлагање сировина на високој температури, транспорт супстанци гасне фазе под дејством температурног градијента и рекристализациони раст супстанци гасне фазе на кристалу семена. На основу тога, унутрашњост лончића је подељена на три дела: област сировине, комора за раст и кристал за семе. На основу стварног отпора нацртан је нумерички симулациони моделСиЦопрема за раст монокристала (видети слику 1). У прорачуну: днолончићје удаљен 90 мм од дна бочног грејача, горња температура лончића је 2100 ℃, пречник честица сировог материјала је 1000 μм, порозност је 0,6, притисак раста је 300 Па, а време раста је 100 х. . Дебљина ПГ је 5 мм, пречник је једнак унутрашњем пречнику лончића, а налази се 30 мм изнад сировине. У прорачуну су узети у обзир процеси сублимације, карбонизације и рекристализације зоне сировине, а реакција између супстанци ПГ и гасне фазе није узета у обзир. Параметри физичких својстава који се односе на прорачун приказани су у табели 1.
Слика 1. Модел симулационог прорачуна. (а) Модел топлотног поља за симулацију раста кристала; (б) Подела унутрашње површине лонца и повезани физички проблеми
Табела 1 Неки физички параметри коришћени у прорачуну
Слика 2(а) показује да је температура структуре која садржи ПГ (означена као структура 1) виша од температуре структуре без ПГ (означене као структура 0) испод ПГ, и нижа од температуре структуре 0 изнад ПГ. Укупан температурни градијент се повећава, а ПГ делује као топлотно изолационо средство. Према сликама 2(б) и 2(ц), аксијални и радијални температурни градијенти структуре 1 у зони сировине су мањи, расподела температуре је равномернија, а сублимација материјала потпунија. За разлику од зоне сировог материјала, слика 2(ц) показује да је радијални температурни градијент на кристалу семена структуре 1 већи, што може бити узроковано различитим пропорцијама различитих начина преноса топлоте, што помаже кристалу да расте са конвексним интерфејсом . На слици 2(д), температура на различитим позицијама у лончићу показује растући тренд како раст напредује, али температурна разлика између структуре 0 и структуре 1 постепено се смањује у зони сировог материјала и постепено расте у комори за раст.
Слика 2 Расподела температуре и промене у лончићу. (а) Расподела температуре унутар лончића структуре 0 (лево) и структуре 1 (десно) на 0 х, јединица: ℃; (б) Расподела температуре на средишњој линији лончића структуре 0 и структуре 1 од дна сировог материјала до кристала семена у 0 х; (ц) Расподела температуре од центра до ивице лончића на површини кристала семена (А) и површини сировог материјала (Б), средини (Ц) и дну (Д) у 0 х, хоризонтална оса р је полупречник кристала семена за А, и радијус површине сировог материјала за Б~Д; (д) Промене температуре у центру горњег дела (А), површине сировог материјала (Б) и средине (Ц) коморе за раст структуре 0 и структуре 1 на 0, 30, 60 и 100 х.
Слика 3 приказује транспорт материјала у различито време у лончићу структуре 0 и структуре 1. Брзина протока материјала гасне фазе у области сировог материјала и комори за раст расте са повећањем положаја, а транспорт материјала слаби како раст напредује. . Слика 3 такође показује да се у условима симулације сировина прво графитише на бочном зиду лончића, а затим на дну лончића. Поред тога, долази до рекристализације на површини сировине и она се постепено згушњава како раст напредује. Слике 4(а) и 4(б) показују да се проток материјала унутар сировог материјала смањује како раст напредује, а брзина протока материјала на 100 х износи око 50% почетног момента; међутим, брзина протока је релативно велика на ивици због графитизације сировог материјала, а брзина протока на ивици је више од 10 пута већа од брзине протока у средњој области на 100 х; поред тога, ефекат ПГ у структури 1 чини проток материјала у области сировог материјала структуре 1 нижим од оне у структури 0. На слици 4(ц), проток материјала у области сировог материјала иу области комора за раст постепено слаби како раст напредује, а проток материјала у области сировине наставља да опада, што је узроковано отварањем канала за проток ваздуха на ивици лончића и опструкцијом рекристализација на врху; у комори за раст, брзина протока материјала структуре 0 се брзо смањује у почетних 30 х на 16%, а опада само за 3% у наредном периоду, док структура 1 остаје релативно стабилна током процеса раста. Стога, ПГ помаже да се стабилизује проток материјала у комори за раст. Слика 4(д) упоређује брзину протока материјала на фронту раста кристала. У почетном тренутку и 100 х, транспорт материјала у зони раста структуре 0 је јачи од оног у структури 1, али увек постоји велика површина протока на ивици структуре 0, што доводи до прекомерног раста на ивици. . Присуство ПГ у структури 1 ефикасно потискује овај феномен.
Слика 3 Проток материјала у лончићу. Линије тока (лево) и вектори брзине (десно) транспорта гасног материјала у структурама 0 и 1 у различито време, јединица вектора брзине: м/с
Слика 4 Промене у протоку материјала. (а) Промене у расподели протока материјала у средини сировог материјала структуре 0 на 0, 30, 60 и 100 х, р је полупречник површине сировог материјала; (б) Промене у расподели протока материјала у средини сировине структуре 1 на 0, 30, 60 и 100 х, р је полупречник површине сировине; (ц) Промене у протоку материјала унутар коморе за раст (А, Б) и унутар сировог материјала (Ц, Д) структура 0 и 1 током времена; (д) Расподела протока материјала у близини површине кристала за семе структура 0 и 1 на 0 и 100 х, р је полупречник кристала семена
Ц/Си утиче на кристалну стабилност и густину дефеката раста кристала СиЦ. Слика 5(а) упоређује расподелу односа Ц/Си две структуре у почетном тренутку. Однос Ц/Си постепено се смањује од дна ка врху лончића, а Ц/Си однос структуре 1 је увек већи од оног код структуре 0 на различитим позицијама. Слике 5(б) и 5(ц) показују да се однос Ц/Си постепено повећава са растом, што је повезано са повећањем унутрашње температуре у каснијој фази раста, повећањем графитизације сировине и реакцијом Си. компоненте у гасној фази са графитним лонцем. На слици 5(д), Ц/Си односи структуре 0 и структуре 1 су прилично различити испод ПГ (0, 25 мм), али мало другачији изнад ПГ (50 мм), а разлика се постепено повећава како се приближава кристалу. . Генерално, однос Ц/Си структуре 1 је већи, што помаже у стабилизацији кристалног облика и смањењу вероватноће фазног прелаза.
Слика 5 Расподела и промене Ц/Си односа. (а) Расподела односа Ц/Си у лонцима структуре 0 (лево) и структуре 1 (десно) на 0 х; (б) однос Ц/Си на различитим растојањима од средишње линије лончића структуре 0 у различито време (0, 30, 60, 100 х); (ц) однос Ц/Си на различитим растојањима од средишње линије лончића структуре 1 у различито време (0, 30, 60, 100 х); (д) Поређење односа Ц/Си на различитим растојањима (0, 25, 50, 75, 100 мм) од средишње линије лончића структуре 0 (пуна линија) и структуре 1 (испрекидана линија) у различито време (0, 30, 60, 100 сати).
Слика 6 показује промене у пречнику честица и порозности региона сировина две структуре. Слика показује да се пречник сировог материјала смањује и порозност повећава у близини зида лончића, а порозност ивице наставља да расте и пречник честица наставља да се смањује како раст напредује. Максимална ивична порозност је око 0,99 на 100 х, а минимални пречник честица је око 300 μм. Пречник честица се повећава, а порозност се смањује на горњој површини сировине, што одговара рекристализацији. Дебљина подручја рекристализације се повећава како раст напредује, а величина честица и порозност настављају да се мењају. Максимални пречник честица достиже више од 1500 μм, а минимална порозност је 0,13. Поред тога, пошто ПГ повећава температуру површине сировине и презасићеност гасом је мала, дебљина рекристализације горњег дела сировине структуре 1 је мала, што побољшава стопу искоришћења сировине.
Слика 6 Промене пречника честица (лево) и порозности (десно) површине сировог материјала структуре 0 и структуре 1 у различито време, јединица пречника честица: μм
Слика 7 показује да се структура 0 искривљује на почетку раста, што може бити повезано са прекомерним протоком материјала узрокованом графитизацијом ивице сировог материјала. Степен савијања је ослабљен током накнадног процеса раста, што одговара промени брзине протока материјала на предњој страни раста кристала структуре 0 на слици 4 (д). У структури 1, због ефекта ПГ, интерфејс кристала не показује искривљење. Поред тога, ПГ такође чини стопу раста структуре 1 знатно нижом од оне структуре 0. Дебљина центра кристала структуре 1 после 100 х је само 68% од оне структуре 0.
Слика 7 Промене на интерфејсу кристала структуре 0 и структуре 1 на 30, 60 и 100 сати
Раст кристала је спроведен у процесним условима нумеричке симулације. Кристали узгојени по структури 0 и структури 1 приказани су на слици 8(а) и слици 8(б), респективно. Кристал структуре 0 показује конкавну међупростору, са таласима у централној области и фазним прелазом на ивици. Површинска конвексност представља одређени степен нехомогености у транспорту материјала у гасној фази, а појава фазног прелаза одговара ниском Ц/Си односу. Интерфејс кристала узгојеног структуром 1 је благо конвексан, није пронађен фазни прелаз, а дебљина је 65% кристала без ПГ. Генерално, резултати раста кристала одговарају резултатима симулације, са већом радијалном температурном разликом на кристалној интерфејсу структуре 1, брз раст на ивици је потиснут, а укупна брзина протока материјала је спорија. Укупан тренд је у складу са резултатима нумеричке симулације.
Слика 8 Кристали СиЦ узгајани под структуром 0 и структуром 1
Закључак
ПГ доприноси побољшању укупне температуре сировинског подручја и побољшању равномерности аксијалне и радијалне температуре, промовишући пуну сублимацију и коришћење сировине; горња и доња температурна разлика се повећава, а радијални градијент површине кристала семена се повећава, што помаже у одржавању раста конвексног интерфејса. Што се тиче преноса масе, увођење ПГ смањује укупну брзину преноса масе, брзина протока материјала у комори за раст која садржи ПГ се мање мења током времена, а цео процес раста је стабилнији. Истовремено, ПГ такође ефикасно инхибира појаву прекомерног преноса масе на ивици. Поред тога, ПГ такође повећава однос Ц/Си у окружењу раста, посебно на предњој ивици интерфејса кристала семена, што помаже да се смањи појава промене фазе током процеса раста. Истовремено, ефекат топлотне изолације ПГ-а у одређеној мери смањује појаву рекристализације у горњем делу сировине. За раст кристала, ПГ успорава брзину раста кристала, али је интерфејс раста конвекснији. Стога је ПГ ефикасно средство за побољшање окружења раста СиЦ кристала и оптимизацију квалитета кристала.
Време поста: 18.06.2024