Ang pangunahing proseso ngSiCAng paglago ng kristal ay nahahati sa sublimation at decomposition ng mga hilaw na materyales sa mataas na temperatura, transportasyon ng mga sangkap ng gas phase sa ilalim ng pagkilos ng gradient ng temperatura, at paglago ng recrystallization ng mga sangkap ng gas phase sa seed crystal. Batay dito, ang loob ng crucible ay nahahati sa tatlong bahagi: raw material area, growth chamber at seed crystal. Ang isang numerical simulation model ay iginuhit batay sa aktwal na resistiveSiCsingle crystal growth equipment (tingnan ang Figure 1). Sa pagkalkula: sa ilalim ngcrucibleay 90 mm ang layo mula sa ilalim ng side heater, ang pinakamataas na temperatura ng crucible ay 2100 ℃, ang raw material particle diameter ay 1000 μm, ang porosity ay 0.6, ang growth pressure ay 300 Pa, at ang growth time ay 100 h. . Ang kapal ng PG ay 5 mm, ang diameter ay katumbas ng panloob na diameter ng crucible, at ito ay matatagpuan 30 mm sa itaas ng hilaw na materyal. Ang mga proseso ng sublimation, carbonization, at recrystallization ng raw material zone ay isinasaalang-alang sa pagkalkula, at ang reaksyon sa pagitan ng PG at gas phase substance ay hindi isinasaalang-alang. Ang mga parameter ng pisikal na ari-arian na nauugnay sa pagkalkula ay ipinapakita sa Talahanayan 1.
Figure 1 Modelo ng pagkalkula ng simulation. (a) Thermal field model para sa crystal growth simulation; (b) Dibisyon ng panloob na lugar ng crucible at mga kaugnay na pisikal na problema
Talahanayan 1 Ilang pisikal na parameter na ginamit sa pagkalkula
Ipinapakita ng Figure 2(a) na ang temperatura ng PG-containing structure (na tinukoy bilang structure 1) ay mas mataas kaysa sa PG-free structure (na tinukoy bilang structure 0) sa ibaba ng PG, at mas mababa kaysa sa structure na 0 sa itaas ng PG. Ang pangkalahatang gradient ng temperatura ay tumataas, at ang PG ay gumaganap bilang isang heat-insulating agent. Ayon sa Figures 2(b) at 2(c), mas maliit ang axial at radial temperature gradients ng structure 1 sa raw material zone, mas pare-pareho ang temperature distribution, at mas kumpleto ang sublimation ng material. Hindi tulad ng raw material zone, ang Figure 2(c) ay nagpapakita na ang radial temperature gradient sa seed crystal ng structure 1 ay mas malaki, na maaaring sanhi ng iba't ibang proporsyon ng iba't ibang heat transfer mode, na tumutulong sa kristal na lumaki na may convex interface. . Sa Figure 2(d), ang temperatura sa iba't ibang posisyon sa crucible ay nagpapakita ng pagtaas ng trend habang umuunlad ang paglago, ngunit ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng structure 0 at structure 1 ay unti-unting bumababa sa raw material zone at unti-unting tumataas sa growth chamber.
Figure 2 Distribusyon ng temperatura at mga pagbabago sa crucible. (a) Distribusyon ng temperatura sa loob ng crucible ng structure 0 (kaliwa) at structure 1 (kanan) sa 0 h, unit: ℃; (b) Distribusyon ng temperatura sa gitnang linya ng crucible ng structure 0 at structure 1 mula sa ilalim ng raw material hanggang sa seed crystal sa 0 h; (c) Distribusyon ng temperatura mula sa gitna hanggang sa gilid ng crucible sa seed crystal surface (A) at ang raw material surface (B), middle (C) at bottom (D) sa 0 h, ang horizontal axis r ay ang seed crystal radius para sa A, at ang raw material area radius para sa B~D; (d) Ang mga pagbabago sa temperatura sa gitna ng itaas na bahagi (A), ibabaw ng hilaw na materyal (B) at gitna (C) ng silid ng paglago ng istraktura 0 at istraktura 1 sa 0, 30, 60, at 100 h.
Ipinapakita ng Figure 3 ang materyal na transportasyon sa iba't ibang oras sa crucible ng structure 0 at structure 1. Ang gas phase material flow rate sa raw material area at growth chamber ay tumataas sa pagtaas ng posisyon, at humihina ang material transport habang umuunlad ang paglago. . Ipinapakita rin ng Figure 3 na sa ilalim ng mga kundisyon ng simulation, ang hilaw na materyal ay unang nag-graph sa gilid ng dingding ng crucible at pagkatapos ay sa ilalim ng crucible. Bilang karagdagan, mayroong recrystallization sa ibabaw ng hilaw na materyal at unti-unti itong lumalapot habang umuunlad ang paglago. Ipinapakita ng mga figure 4(a) at 4(b) na ang bilis ng daloy ng materyal sa loob ng hilaw na materyal ay bumababa habang umuunlad ang paglaki, at ang bilis ng daloy ng materyal sa 100 h ay humigit-kumulang 50% ng unang sandali; gayunpaman, ang daloy ng rate ay medyo malaki sa gilid dahil sa graphitization ng hilaw na materyal, at ang daloy rate sa gilid ay higit sa 10 beses kaysa sa daloy rate sa gitnang lugar sa 100 h; bilang karagdagan, ang epekto ng PG sa istraktura 1 ay ginagawang mas mababa ang rate ng daloy ng materyal sa lugar ng hilaw na materyal ng istraktura 1 kaysa sa istraktura 0. Sa Figure 4(c), ang daloy ng materyal sa parehong lugar ng hilaw na materyal at ang unti-unting humihina ang growth chamber habang umuunlad ang paglaki, at patuloy na bumababa ang daloy ng materyal sa lugar ng hilaw na materyal, na sanhi ng pagbubukas ng channel ng daloy ng hangin sa gilid ng crucible at ang pagbara ng recrystallization sa ang tuktok; sa silid ng paglago, ang bilis ng daloy ng materyal ng istraktura 0 ay mabilis na bumababa sa paunang 30 h hanggang 16%, at bumababa lamang ng 3% sa kasunod na panahon, habang ang istraktura 1 ay nananatiling medyo matatag sa buong proseso ng paglago. Samakatuwid, nakakatulong ang PG na patatagin ang rate ng daloy ng materyal sa silid ng paglago. Inihahambing ng Figure 4(d) ang bilis ng daloy ng materyal sa harap ng paglago ng kristal. Sa paunang sandali at 100 h, ang transportasyon ng materyal sa zone ng paglago ng istraktura 0 ay mas malakas kaysa sa istraktura 1, ngunit palaging mayroong isang lugar ng mataas na rate ng daloy sa gilid ng istraktura 0, na humahantong sa labis na paglaki sa gilid. . Ang pagkakaroon ng PG sa istraktura 1 ay epektibong pinipigilan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito.
Figure 3 Daloy ng materyal sa crucible. Mga streamline (kaliwa) at velocity vectors (kanan) ng gas material transport sa mga istruktura 0 at 1 sa magkaibang oras, velocity vector unit: m/s
Figure 4 Mga pagbabago sa rate ng daloy ng materyal. (a) Mga pagbabago sa pamamahagi ng bilis ng daloy ng materyal sa gitna ng hilaw na materyal ng istraktura 0 sa 0, 30, 60, at 100 h, r ay ang radius ng lugar ng hilaw na materyal; (b) Mga pagbabago sa pamamahagi ng bilis ng daloy ng materyal sa gitna ng hilaw na materyal ng istraktura 1 sa 0, 30, 60, at 100 h, r ay ang radius ng lugar ng hilaw na materyal; (c) Mga pagbabago sa bilis ng daloy ng materyal sa loob ng silid ng paglago (A, B) at sa loob ng hilaw na materyal (C, D) ng mga istruktura 0 at 1 sa paglipas ng panahon; (d) Pamamahagi ng bilis ng daloy ng materyal malapit sa ibabaw ng seed crystal ng mga istruktura 0 at 1 sa 0 at 100 h, ang r ay ang radius ng seed crystal
Nakakaapekto ang C/Si sa crystalline stability at defect density ng SiC crystal growth. Inihahambing ng Figure 5(a) ang C/Si ratio distribution ng dalawang istruktura sa unang sandali. Ang C/Si ratio ay unti-unting bumababa mula sa ibaba hanggang sa itaas ng crucible, at ang C/Si ratio ng structure 1 ay palaging mas mataas kaysa sa structure 0 sa iba't ibang posisyon. Ang mga figure 5(b) at 5(c) ay nagpapakita na ang ratio ng C/Si ay unti-unting tumataas sa paglaki, na nauugnay sa pagtaas ng panloob na temperatura sa huling yugto ng paglago, ang pagpapahusay ng raw material graphitization, at ang reaksyon ng Si mga bahagi sa gas phase na may graphite crucible. Sa Figure 5(d), ang C/Si ratios ng structure 0 at structure 1 ay medyo magkaiba sa ibaba ng PG (0, 25 mm), ngunit bahagyang naiiba sa itaas ng PG (50 mm), at ang pagkakaiba ay unti-unting tumataas habang papalapit ito sa crystal . Sa pangkalahatan, ang C/Si ratio ng istraktura 1 ay mas mataas, na tumutulong na patatagin ang kristal na anyo at bawasan ang posibilidad ng phase transition.
Figure 5 Distribusyon at pagbabago ng C/Si ratio. (a) C/Si ratio distribution sa crucibles ng structure 0 (kaliwa) at structure 1 (kanan) sa 0 h; (b) C/Si ratio sa iba't ibang distansya mula sa gitnang linya ng crucible ng istraktura 0 sa iba't ibang oras (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si ratio sa iba't ibang distansya mula sa gitnang linya ng crucible ng structure 1 sa iba't ibang oras (0, 30, 60, 100 h); (d) Paghahambing ng C/Si ratio sa iba't ibang distansya (0, 25, 50, 75, 100 mm) mula sa gitnang linya ng crucible ng structure 0 (solid line) at structure 1 (dashed line) sa magkakaibang oras (0, 30, 60, 100 h).
Ipinapakita ng Figure 6 ang mga pagbabago sa diameter ng butil at porosity ng mga rehiyon ng hilaw na materyal ng dalawang istruktura. Ipinapakita ng figure na bumababa ang diameter ng raw material at tumataas ang porosity malapit sa crucible wall, at patuloy na tumataas ang porosity ng gilid at patuloy na bumababa ang diameter ng particle habang umuunlad ang paglago. Ang maximum na porosity ng gilid ay humigit-kumulang 0.99 sa 100 h, at ang minimum na diameter ng particle ay halos 300 μm. Tumataas ang diameter ng particle at bumababa ang porosity sa itaas na ibabaw ng hilaw na materyal, na tumutugma sa recrystallization. Ang kapal ng lugar ng recrystallization ay tumataas habang umuunlad ang paglaki, at patuloy na nagbabago ang laki at porosity ng butil. Ang maximum na diameter ng particle ay umabot sa higit sa 1500 μm, at ang pinakamababang porosity ay 0.13. Bilang karagdagan, dahil pinapataas ng PG ang temperatura ng lugar ng hilaw na materyal at ang supersaturation ng gas ay maliit, ang kapal ng recrystallization ng itaas na bahagi ng hilaw na materyal ng istraktura 1 ay maliit, na nagpapabuti sa rate ng paggamit ng hilaw na materyal.
Figure 6 Mga pagbabago sa particle diameter (kaliwa) at porosity (kanan) ng raw material area ng structure 0 at structure 1 sa iba't ibang oras, particle diameter unit: μm
Ipinapakita ng Figure 7 na ang structure 0 ay nag-warps sa simula ng paglago, na maaaring nauugnay sa sobrang bilis ng daloy ng materyal na dulot ng graphitization ng hilaw na materyal na gilid. Ang antas ng warping ay humina sa panahon ng kasunod na proseso ng paglago, na tumutugma sa pagbabago sa rate ng daloy ng materyal sa harap ng paglaki ng kristal ng istraktura 0 sa Figure 4 (d). Sa istraktura 1, dahil sa epekto ng PG, ang kristal na interface ay hindi nagpapakita ng warping. Bilang karagdagan, ginagawa rin ng PG ang rate ng paglago ng istraktura 1 na makabuluhang mas mababa kaysa sa istraktura 0. Ang kapal ng gitna ng kristal ng istraktura 1 pagkatapos ng 100 h ay 68% lamang ng istraktura 0.
Figure 7 Mga pagbabago sa interface ng structure 0 at structure 1 na kristal sa 30, 60, at 100 h
Ang paglaki ng kristal ay isinagawa sa ilalim ng mga kondisyon ng proseso ng numerical simulation. Ang mga kristal na pinalaki ng istraktura 0 at istraktura 1 ay ipinapakita sa Figure 8(a) at Figure 8(b), ayon sa pagkakabanggit. Ang kristal ng istraktura 0 ay nagpapakita ng isang malukong interface, na may mga undulations sa gitnang lugar at isang phase transition sa gilid. Ang convexity ng ibabaw ay kumakatawan sa isang tiyak na antas ng inhomogeneity sa transportasyon ng mga gas-phase na materyales, at ang paglitaw ng phase transition ay tumutugma sa mababang C/Si ratio. Ang interface ng kristal na pinalaki ng istraktura 1 ay bahagyang matambok, walang phase transition na natagpuan, at ang kapal ay 65% ng kristal na walang PG. Sa pangkalahatan, ang mga resulta ng paglaki ng kristal ay tumutugma sa mga resulta ng simulation, na may mas malaking pagkakaiba sa temperatura ng radial sa interface ng kristal ng istraktura 1, ang mabilis na paglaki sa gilid ay pinipigilan, at ang pangkalahatang rate ng daloy ng materyal ay mas mabagal. Ang pangkalahatang trend ay pare-pareho sa mga resulta ng numerical simulation.
Figure 8 SiC crystals na lumago sa ilalim ng structure 0 at structure 1
Konklusyon
Ang PG ay nakakatulong sa pagpapabuti ng pangkalahatang temperatura ng lugar ng hilaw na materyal at pagpapabuti ng pagkakapareho ng temperatura ng ehe at radial, na nagtataguyod ng buong sublimation at paggamit ng hilaw na materyal; tumataas ang pagkakaiba sa temperatura sa itaas at ibaba, at tumataas ang radial gradient ng ibabaw ng kristal ng binhi, na tumutulong upang mapanatili ang paglaki ng matambok na interface. Sa mga tuntunin ng paglipat ng masa, ang pagpapakilala ng PG ay binabawasan ang kabuuang rate ng paglipat ng masa, ang bilis ng daloy ng materyal sa silid ng paglago na naglalaman ng PG ay mas mababa ang pagbabago sa paglipas ng panahon, at ang buong proseso ng paglago ay mas matatag. Kasabay nito, epektibo ring pinipigilan ng PG ang paglitaw ng labis na paglipat ng masa sa gilid. Bilang karagdagan, pinapataas din ng PG ang ratio ng C/Si ng kapaligiran ng paglago, lalo na sa harap na gilid ng interface ng seed crystal, na tumutulong upang mabawasan ang paglitaw ng pagbabago ng bahagi sa panahon ng proseso ng paglago. Kasabay nito, ang epekto ng thermal insulation ng PG ay binabawasan ang paglitaw ng recrystallization sa itaas na bahagi ng hilaw na materyal sa isang tiyak na lawak. Para sa paglaki ng kristal, pinapabagal ng PG ang rate ng paglago ng kristal, ngunit ang interface ng paglago ay mas matambok. Samakatuwid, ang PG ay isang epektibong paraan upang mapabuti ang kapaligiran ng paglago ng mga kristal ng SiC at i-optimize ang kalidad ng kristal.
Oras ng post: Hun-18-2024