Temel süreçSiCKristal büyümesi, hammaddelerin yüksek sıcaklıkta süblimleşmesine ve ayrışmasına, gaz fazındaki maddelerin sıcaklık gradyanının etkisi altında taşınmasına ve tohum kristalinde gaz fazındaki maddelerin yeniden kristalleşme büyümesine bölünür. Buna dayanarak potanın içi üç bölüme ayrılmıştır: hammadde alanı, büyütme odası ve tohum kristali. Gerçek dirençli değerlere dayalı olarak sayısal bir simülasyon modeli çizildi.SiCtek kristal büyütme ekipmanı (bkz. Şekil 1). Hesaplamada: alt kısımpotaYan ısıtıcının alt kısmından 90 mm uzakta, potanın üst sıcaklığı 2100 °C, hammadde parçacık çapı 1000 μm, gözeneklilik 0,6, büyüme basıncı 300 Pa ve büyüme süresi 100 saattir. . PG kalınlığı 5 mm olup, çapı pota iç çapına eşit olup, hammaddenin 30 mm üzerinde yer almaktadır. Hesaplamada hammadde bölgesinin süblimleşme, karbonizasyon ve yeniden kristalleşme süreçleri dikkate alınır ve PG ile gaz fazındaki maddeler arasındaki reaksiyon dikkate alınmaz. Hesaplamaya ilişkin fiziksel özellik parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1 Simülasyon hesaplama modeli. (a) Kristal büyüme simülasyonu için termal alan modeli; (b) Pota iç alanının bölünmesi ve buna bağlı fiziksel problemler
Tablo 1 Hesaplamada kullanılan bazı fiziksel parametreler
Şekil 2(a), PG içeren yapının (yapı 1 olarak gösterilir) sıcaklığının, PG'nin altında PG içermeyen yapının sıcaklığından (yapı 0 olarak gösterilir) daha yüksek ve PG'nin üzerindeki yapı 0'ın sıcaklığından daha düşük olduğunu gösterir. Genel sıcaklık gradyanı artar ve PG, ısı yalıtım maddesi görevi görür. Şekil 2(b) ve 2(c)'ye göre, ham madde bölgesindeki yapı 1'in eksenel ve radyal sıcaklık gradyanları daha küçüktür, sıcaklık dağılımı daha düzgündür ve malzemenin süblimleşmesi daha eksiksizdir. Hammadde bölgesinden farklı olarak, Şekil 2(c), yapı 1'in tohum kristalindeki radyal sıcaklık gradyanının daha büyük olduğunu gösterir; bu, kristalin dışbükey bir arayüzle büyümesine yardımcı olan farklı ısı transfer modlarının farklı oranlarından kaynaklanabilir. . Şekil 2(d)'de potadaki farklı konumlardaki sıcaklık, büyüme ilerledikçe artan bir eğilim göstermektedir, ancak yapı 0 ile yapı 1 arasındaki sıcaklık farkı hammadde bölgesinde giderek azalmakta, büyüme odasında ise giderek artmaktadır.
Şekil 2 Potadaki sıcaklık dağılımı ve değişimler. (a) Yapı 0 (solda) ve yapı 1'in (sağda) 0 saatte potası içindeki sıcaklık dağılımı, birim: °C; (b) 0. saatte ham maddenin tabanından tohum kristaline kadar yapı 0 ve yapı 1 potasının merkez hattı üzerindeki sıcaklık dağılımı; (c) Tohum kristal yüzeyinde (A) ve hammadde yüzeyinde (B), orta (C) ve tabanda (D) 0 saatte potanın merkezinden kenarına kadar sıcaklık dağılımı, yatay eksen r A için tohum kristal yarıçapı ve B~D için ham madde alanı yarıçapı; (d) Yapı 0 ve yapı 1'in büyüme odasının üst kısmının (A) merkezinde, hammadde yüzeyinde (B) ve ortasında (C) 0, 30, 60 ve 100 saatte sıcaklık değişiklikleri.
Şekil 3'te yapı 0 ve yapı 1'in potasında farklı zamanlarda malzeme taşınması gösterilmektedir. Hammadde alanı ve büyütme odasındaki gaz fazındaki malzeme akış hızı konumun artmasıyla artar, büyüme ilerledikçe malzeme taşınması zayıflar . Şekil 3 ayrıca simülasyon koşulları altında ham maddenin önce potanın yan duvarında, ardından potanın tabanında grafitleştiğini göstermektedir. Ayrıca hammaddenin yüzeyinde yeniden kristalleşme olur ve büyüme ilerledikçe giderek kalınlaşır. Şekil 4(a) ve 4(b), büyüme ilerledikçe hammadde içindeki malzeme akış hızının azaldığını ve 100 saatteki malzeme akış hızının başlangıç anın yaklaşık %50'si olduğunu göstermektedir; ancak, hammaddenin grafitleşmesi nedeniyle kenardaki akış hızı nispeten yüksektir ve kenardaki akış hızı, 100 saatte orta alandaki akış hızının 10 katından fazladır; Ayrıca PG'nin yapı 1'deki etkisi, yapı 1'in hammadde alanındaki malzeme akış hızını yapı 0'ınkinden daha düşük hale getirmektedir. Şekil 4(c)'de hem hammadde alanındaki hem de Büyüme ilerledikçe büyüme odası giderek zayıflar ve hammadde alanındaki malzeme akışı azalmaya devam eder, bu durum pota kenarında hava akış kanalının açılması ve üst kısımda yeniden kristalleşmenin engellenmesinden kaynaklanır; büyüme odasında, yapı 0'ın malzeme akış hızı ilk 30 saatte hızlı bir şekilde %16'ya düşer ve sonraki zamanda yalnızca %3 azalırken yapı 1, büyüme süreci boyunca nispeten stabil kalır. Bu nedenle PG, büyütme odasındaki malzeme akış hızının stabilize edilmesine yardımcı olur. Şekil 4(d), kristal büyüme cephesindeki malzeme akış hızını karşılaştırır. Başlangıç anında ve 100 saatte, 0 yapısının büyüme bölgesindeki malzeme aktarımı, 1 numaralı yapınınkinden daha güçlüdür, ancak 0 yapısının kenarında her zaman yüksek akış hızına sahip bir alan vardır, bu da kenarda aşırı büyümeye yol açar . Yapı 1'de PG'nin varlığı bu fenomeni etkili bir şekilde bastırır.
Şekil 3 Potadaki malzeme akışı. 0 ve 1 yapılarında farklı zamanlarda gaz malzeme taşınmasının akış çizgileri (sol) ve hız vektörleri (sağ), hız vektör birimi: m/s
Şekil 4 Malzeme akış hızındaki değişiklikler. (a) 0 yapısındaki hammaddenin ortasında 0, 30, 60 ve 100. saatlerde malzeme akış hızı dağılımındaki değişiklikler; r, hammadde alanının yarıçapıdır; (b) Yapı 1'in hammaddesinin ortasında 0, 30, 60 ve 100 saatte malzeme akış hızı dağılımındaki değişiklikler; r, hammadde alanının yarıçapıdır; (c) Büyütme odası (A, B) içindeki ve 0 ve 1 yapılarının ham maddesi (C, D) içindeki malzeme akış hızının zaman içinde değişmesi; (d) 0 ve 100 saatte 0 ve 1 yapılarının tohum kristal yüzeyine yakın malzeme akış hızı dağılımı, r, tohum kristalinin yarıçapıdır
C/Si, SiC kristal büyümesinin kristal stabilitesini ve kusur yoğunluğunu etkiler. Şekil 5(a), iki yapının başlangıç anındaki C/Si oranı dağılımını karşılaştırmaktadır. C/Si oranı potanın altından tepesine doğru giderek azalır ve farklı konumlarda yapı 1'in C/Si oranı her zaman yapı 0'ınkinden daha yüksektir. Şekil 5(b) ve 5(c), C/Si oranının büyümeyle birlikte kademeli olarak arttığını göstermektedir; bu, büyümenin sonraki aşamasında iç sıcaklığın artmasıyla, hammadde grafitleşmesinin artmasıyla ve Si'nin reaksiyonuyla ilişkilidir. Grafit pota ile gaz fazındaki bileşenler. Şekil 5(d)'de yapı 0 ve yapı 1'in C/Si oranları PG'nin (0,25 mm) altında oldukça farklı, PG'nin (50 mm) üzerinde ise biraz farklıdır ve kristale yaklaştıkça fark giderek artar. . Genel olarak yapı 1'in C/Si oranı daha yüksektir, bu da kristal formunun stabilize edilmesine ve faz geçişi olasılığının azaltılmasına yardımcı olur.
Şekil 5 C/Si oranının dağılımı ve değişimi. (a) 0. saatte yapı 0 (sol) ve yapı 1 (sağ) potalarında C/Si oranı dağılımı; (b) Yapı 0'ın potasının merkez hattından farklı zamanlarda (0, 30, 60, 100 saat) farklı mesafelerde C/Si oranı; (c) Yapı 1'in potasının merkez hattından farklı zamanlarda (0, 30, 60, 100 saat) farklı mesafelerde C/Si oranı; (d) Yapı 0'ın (düz çizgi) ve yapı 1'in (kesikli çizgi) potanın merkez hattından farklı zamanlarda (0, 25, 50, 75, 100 mm) farklı mesafelerde (0, 25, 50, 75, 100 mm) C/Si oranının karşılaştırılması 30, 60, 100 saat).
Şekil 6, iki yapının ham madde bölgelerinin parçacık çapındaki ve gözenekliliğindeki değişiklikleri göstermektedir. Şekilde, pota duvarına yakın yerlerde hammadde çapının azaldığı ve gözenekliliğin arttığı, büyüme ilerledikçe kenar gözenekliliğinin artmaya devam ettiği ve parçacık çapının da azalmaya devam ettiği görülmektedir. Maksimum kenar gözenekliliği 100 saatte yaklaşık 0,99'dur ve minimum parçacık çapı yaklaşık 300 μm'dir. Hammaddenin üst yüzeyinde parçacık çapı artar ve gözeneklilik azalır, bu da yeniden kristalleşmeye karşılık gelir. Büyüme ilerledikçe yeniden kristalleşme alanının kalınlığı artar ve parçacık boyutu ve gözeneklilik değişmeye devam eder. Maksimum parçacık çapı 1500 μm'nin üzerine çıkar ve minimum gözeneklilik 0,13'tür. Ek olarak, PG ham madde alanının sıcaklığını arttırdığından ve gaz aşırı doygunluğu küçük olduğundan, yapı 1'in ham maddesinin üst kısmının yeniden kristalleşme kalınlığı küçüktür, bu da ham madde kullanım oranını artırır.
Şekil 6 Yapı 0 ve yapı 1'in hammadde alanının parçacık çapı (sol) ve gözenekliliğinin (sağ) farklı zamanlarda değişimi, parçacık çapı birimi: μm
Şekil 7, hammadde kenarının grafitleşmesinin neden olduğu aşırı malzeme akış hızıyla ilişkili olabilecek büyüme başlangıcında yapı 0'ın eğrildiğini göstermektedir. Şekil 4 (d)'deki yapı 0'ın kristal büyümesinin önündeki malzeme akış hızındaki değişime karşılık gelen sonraki büyüme süreci sırasında eğrilme derecesi zayıflar. Yapı 1'de PG'nin etkisine bağlı olarak kristal arayüzünde bükülme görülmez. Ek olarak PG ayrıca yapı 1'in büyüme hızını yapı 0'ınkinden önemli ölçüde daha düşük yapar. Yapı 1'in kristalinin 100 saat sonra merkez kalınlığı yapı 0'ınkinin yalnızca %68'idir.
Şekil 7 Yapı 0 ve yapı 1 kristallerinin 30, 60 ve 100 saatte arayüz değişiklikleri
Kristal büyümesi sayısal simülasyonun işlem koşulları altında gerçekleştirildi. Yapı 0 ve yapı 1 tarafından büyütülen kristaller sırasıyla Şekil 8(a) ve Şekil 8(b)'de gösterilmektedir. Yapı 0'ın kristali, merkezi alanda dalgalanmalar ve kenarda bir faz geçişi ile içbükey bir arayüz gösterir. Yüzey dışbükeyliği, gaz fazındaki malzemelerin taşınmasında belirli bir derecede homojensizliği temsil eder ve faz geçişinin meydana gelmesi, düşük C/Si oranına karşılık gelir. Yapı 1 tarafından büyütülen kristalin arayüzü hafif dışbükeydir, faz geçişi bulunmaz ve kalınlık PG'siz kristalin %65'idir. Genel olarak, kristal büyüme sonuçları simülasyon sonuçlarına karşılık gelir; yapı 1'in kristal arayüzünde daha büyük bir radyal sıcaklık farkı vardır, kenardaki hızlı büyüme bastırılır ve genel malzeme akış hızı daha yavaştır. Genel eğilim sayısal simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır.
Şekil 8 Yapı 0 ve yapı 1 altında büyüyen SiC kristalleri
Çözüm
PG, ham madde alanının genel sıcaklığının iyileştirilmesine ve eksenel ve radyal sıcaklık eşitliğinin iyileştirilmesine yardımcı olur, ham maddenin tam süblimasyonunu ve kullanımını teşvik eder; üst ve alt sıcaklık farkı artar ve tohum kristal yüzeyinin radyal eğimi artar, bu da dışbükey arayüz büyümesinin korunmasına yardımcı olur. Kütle aktarımı açısından, PG'nin eklenmesi genel kütle aktarım hızını azaltır, PG içeren büyütme odasındaki malzeme akış hızı zamanla daha az değişir ve tüm büyüme süreci daha stabil olur. PG aynı zamanda aşırı kenar kütle transferinin oluşmasını da etkili bir şekilde engeller. Ek olarak PG, özellikle tohum kristal arayüzünün ön kenarında, büyüme ortamının C/Si oranını da arttırır, bu da büyüme süreci sırasında faz değişikliği oluşumunun azaltılmasına yardımcı olur. Aynı zamanda PG'nin ısı yalıtım etkisi, hammaddenin üst kısmında yeniden kristalleşme oluşumunu belirli ölçüde azaltır. Kristal büyümesi için PG, kristal büyüme hızını yavaşlatır, ancak büyüme arayüzü daha dışbükeydir. Bu nedenle PG, SiC kristallerinin büyüme ortamını iyileştirmek ve kristal kalitesini optimize etmek için etkili bir araçtır.
Gönderim zamanı: Haziran-18-2024