Die basiese proses vanSiCKristalgroei word verdeel in sublimasie en ontbinding van grondstowwe by hoë temperatuur, vervoer van gasfasestowwe onder die werking van temperatuurgradiënt, en herkristallisasiegroei van gasfasestowwe by die saadkristal. Gebaseer hierop word die binnekant van die kroesie in drie dele verdeel: grondstofarea, groeikamer en saadkristal. 'n Numeriese simulasiemodel is geteken gebaseer op die werklike weerstand.SiCenkelkristalgroeitoerusting (sien Figuur 1). In die berekening: die onderkant van diesmeltkroesis 90 mm weg van die onderkant van die syverwarmer, die boonste temperatuur van die kroesie is 2100 ℃, die rou materiaaldeeltjiediameter is 1000 μm, die porositeit is 0.6, die groeidruk is 300 Pa, en die groeityd is 100 uur. Die PG-dikte is 5 mm, die diameter is gelyk aan die binnediameter van die kroesie, en dit is 30 mm bo die rou materiaal geleë. Die sublimasie-, karbonisasie- en herkristallisasieprosesse van die rou materiaalsone word in die berekening in ag geneem, en die reaksie tussen PG en gasfasestowwe word nie in ag geneem nie. Die berekeningsverwante fisiese eienskapsparameters word in Tabel 1 getoon.
Figuur 1 Simulasieberekeningsmodel. (a) Termiese veldmodel vir kristalgroeisimulasie; (b) Verdeling van die interne area van die kroesie en verwante fisiese probleme
Tabel 1 Enkele fisiese parameters wat in die berekening gebruik is
Figuur 2(a) toon dat die temperatuur van die PG-bevattende struktuur (aangedui as struktuur 1) hoër is as dié van die PG-vrye struktuur (aangedui as struktuur 0) onder PG, en laer as dié van struktuur 0 bo PG. Die algehele temperatuurgradiënt neem toe, en PG tree op as 'n hitte-isolerende middel. Volgens Figure 2(b) en 2(c) is die aksiale en radiale temperatuurgradiënte van struktuur 1 in die grondstofsone kleiner, die temperatuurverspreiding is meer eenvormig, en die sublimasie van die materiaal is meer volledig. Anders as die grondstofsone, toon Figuur 2(c) dat die radiale temperatuurgradiënt by die saadkristal van struktuur 1 groter is, wat moontlik veroorsaak kan word deur die verskillende verhoudings van verskillende hitte-oordragmodusse, wat die kristal help om met 'n konvekse koppelvlak te groei. In Figuur 2(d) toon die temperatuur by verskillende posisies in die kroesie 'n toenemende neiging soos die groei vorder, maar die temperatuurverskil tussen struktuur 0 en struktuur 1 neem geleidelik af in die grondstofsone en neem geleidelik toe in die groeikamer.
Figuur 2 Temperatuurverspreiding en veranderinge in die kroesie. (a) Temperatuurverspreiding binne die kroesie van struktuur 0 (links) en struktuur 1 (regs) teen 0 h, eenheid: ℃; (b) Temperatuurverspreiding op die middellyn van die kroesie van struktuur 0 en struktuur 1 vanaf die onderkant van die rou materiaal tot die saadkristal teen 0 h; (c) Temperatuurverspreiding vanaf die middelpunt tot die rand van die kroesie op die saadkristaloppervlak (A) en die rou materiaaloppervlak (B), middel (C) en onderkant (D) teen 0 h, die horisontale as r is die saadkristalradius vir A, en die rou materiaaloppervlakradius vir B~D; (d) Temperatuurveranderinge in die middelpunt van die boonste gedeelte (A), rou materiaaloppervlak (B) en middel (C) van die groeikamer van struktuur 0 en struktuur 1 teen 0, 30, 60 en 100 h.
Figuur 3 toon die materiaalvervoer op verskillende tye in die kroesie van struktuur 0 en struktuur 1. Die gasfase-materiaalvloeitempo in die roumateriaalarea en die groeikamer neem toe met die toename van posisie, en die materiaalvervoer verswak soos die groei vorder. Figuur 3 toon ook dat die rou materiaal onder die simulasietoestande eers op die sywand van die kroesie grafietiseer en dan op die bodem van die kroesie. Daarbenewens is daar herkristallisasie op die oppervlak van die rou materiaal en dit verdik geleidelik soos die groei vorder. Figure 4(a) en 4(b) toon dat die materiaalvloeitempo binne die rou materiaal afneem soos die groei vorder, en die materiaalvloeitempo teen 100 uur is ongeveer 50% van die aanvanklike oomblik; die vloeitempo is egter relatief groot by die rand as gevolg van die grafitisering van die rou materiaal, en die vloeitempo by die rand is meer as 10 keer dié van die vloeitempo in die middelste area teen 100 uur; Daarbenewens maak die effek van PG in struktuur 1 die materiaalvloeitempo in die grondstofarea van struktuur 1 laer as dié van struktuur 0. In Figuur 4(c) verswak die materiaalvloei in beide die grondstofarea en die groeikamer geleidelik soos die groei vorder, en die materiaalvloei in die grondstofarea bly afneem, wat veroorsaak word deur die opening van die lugvloeikanaal aan die rand van die kroesie en die obstruksie van herkristallisasie aan die bokant; in die groeikamer neem die materiaalvloeitempo van struktuur 0 vinnig af in die aanvanklike 30 uur tot 16%, en neem slegs met 3% af in die daaropvolgende tyd, terwyl struktuur 1 relatief stabiel bly dwarsdeur die groeiproses. Daarom help PG om die materiaalvloeitempo in die groeikamer te stabiliseer. Figuur 4(d) vergelyk die materiaalvloeitempo aan die kristalgroeifront. Op die aanvanklike oomblik en na 100 uur is die materiaalvervoer in die groeisone van struktuur 0 sterker as dié in struktuur 1, maar daar is altyd 'n hoë vloeitempo-area aan die rand van struktuur 0, wat lei tot oormatige groei aan die rand. Die teenwoordigheid van PG in struktuur 1 onderdruk hierdie verskynsel effektief.
Figuur 3 Materiaalvloei in die kroes. Stroomlyne (links) en snelheidsvektore (regs) van gasmateriaalvervoer in strukture 0 en 1 op verskillende tye, snelheidsvektoreenheid: m/s
Figuur 4 Veranderinge in materiaalvloeitempo. (a) Veranderinge in die materiaalvloeitempoverspreiding in die middel van die rou materiaal van struktuur 0 by 0, 30, 60 en 100 uur, r is die radius van die rou materiaalarea; (b) Veranderinge in die materiaalvloeitempoverspreiding in die middel van die rou materiaal van struktuur 1 by 0, 30, 60 en 100 uur, r is die radius van die rou materiaalarea; (c) Veranderinge in die materiaalvloeitempo binne die groeikamer (A, B) en binne die rou materiaal (C, D) van strukture 0 en 1 oor tyd; (d) Materiaalvloeitempoverspreiding naby die saadkristaloppervlak van strukture 0 en 1 by 0 en 100 uur, r is die radius van die saadkristal
C/Si beïnvloed die kristallyne stabiliteit en defekdigtheid van SiC-kristalgroei. Figuur 5(a) vergelyk die C/Si-verhoudingsverdeling van die twee strukture op die aanvanklike oomblik. Die C/Si-verhouding neem geleidelik af van onder na bo in die kroes, en die C/Si-verhouding van struktuur 1 is altyd hoër as dié van struktuur 0 op verskillende posisies. Figure 5(b) en 5(c) toon dat die C/Si-verhouding geleidelik toeneem met groei, wat verband hou met die toename in interne temperatuur in die latere stadium van groei, die verbetering van grondstofgrafitisering, en die reaksie van Si-komponente in die gasfase met die grafietkroes. In Figuur 5(d) is die C/Si-verhoudings van struktuur 0 en struktuur 1 heel anders onder PG (0, 25 mm), maar effens anders bo PG (50 mm), en die verskil neem geleidelik toe soos dit die kristal nader. Oor die algemeen is die C/Si-verhouding van struktuur 1 hoër, wat help om die kristalvorm te stabiliseer en die waarskynlikheid van fase-oorgang te verminder.
Figuur 5 Verspreiding en veranderinge van C/Si-verhouding. (a) C/Si-verhoudingsverspreiding in kroesies van struktuur 0 (links) en struktuur 1 (regs) teen 0 h; (b) C/Si-verhouding op verskillende afstande vanaf die middellyn van die kroesie van struktuur 0 op verskillende tye (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-verhouding op verskillende afstande vanaf die middellyn van die kroesie van struktuur 1 op verskillende tye (0, 30, 60, 100 h); (d) Vergelyking van die C/Si-verhouding op verskillende afstande (0, 25, 50, 75, 100 mm) vanaf die middellyn van die kroesie van struktuur 0 (soliede lyn) en struktuur 1 (stippellyn) op verskillende tye (0, 30, 60, 100 h).
Figuur 6 toon die veranderinge in deeltjiediameter en porositeit van die grondstofgebiede van die twee strukture. Die figuur toon dat die grondstofdiameter afneem en die porositeit toeneem naby die kroesiewand, en die randporositeit bly toeneem en die deeltjiediameter bly afneem soos die groei vorder. Die maksimum randporositeit is ongeveer 0.99 na 100 uur, en die minimum deeltjiediameter is ongeveer 300 μm. Die deeltjiediameter neem toe en die porositeit neem af op die boonste oppervlak van die grondstof, wat ooreenstem met herkristallisasie. Die dikte van die herkristallisasiegebied neem toe soos die groei vorder, en die deeltjiegrootte en porositeit bly verander. Die maksimum deeltjiediameter bereik meer as 1500 μm, en die minimum porositeit is 0.13. Boonop, aangesien PG die temperatuur van die grondstofgebied verhoog en die gasoorversadiging klein is, is die herkristallisasiedikte van die boonste deel van die grondstof van struktuur 1 klein, wat die grondstofbenuttingstempo verbeter.
Figuur 6 Veranderinge in deeltjiediameter (links) en porositeit (regs) van die grondstofarea van struktuur 0 en struktuur 1 op verskillende tye, deeltjiediameter-eenheid: μm
Figuur 7 toon dat struktuur 0 aan die begin van groei kromtrek, wat moontlik verband hou met die oormatige materiaalvloeitempo wat veroorsaak word deur die grafitisering van die rou materiaalrand. Die mate van kromtrekking word verswak tydens die daaropvolgende groeiproses, wat ooreenstem met die verandering in materiaalvloeitempo aan die voorkant van die kristalgroei van struktuur 0 in Figuur 4 (d). In struktuur 1, as gevolg van die effek van PG, toon die kristal-koppelvlak geen kromtrekking nie. Daarbenewens maak PG ook die groeitempo van struktuur 1 aansienlik laer as dié van struktuur 0. Die middeldikte van die kristal van struktuur 1 na 100 uur is slegs 68% van dié van struktuur 0.
Figuur 7 Koppelvlakveranderinge van struktuur 0- en struktuur 1-kristalle na 30, 60 en 100 uur
Kristalgroei is uitgevoer onder die prosestoestande van numeriese simulasie. Die kristalle wat deur struktuur 0 en struktuur 1 gekweek is, word onderskeidelik in Figuur 8(a) en Figuur 8(b) getoon. Die kristal van struktuur 0 toon 'n konkawe koppelvlak, met golwings in die sentrale area en 'n fase-oorgang aan die rand. Die oppervlakkonveksiteit verteenwoordig 'n sekere mate van inhomogeniteit in die vervoer van gasfasemateriale, en die voorkoms van fase-oorgang stem ooreen met die lae C/Si-verhouding. Die koppelvlak van die kristal wat deur struktuur 1 gekweek is, is effens konveks, geen fase-oorgang word gevind nie, en die dikte is 65% van die kristal sonder PG. Oor die algemeen stem die kristalgroeiresultate ooreen met die simulasieresultate, met 'n groter radiale temperatuurverskil by die kristalkoppelvlak van struktuur 1, die vinnige groei aan die rand word onderdruk, en die algehele materiaalvloeitempo is stadiger. Die algehele tendens stem ooreen met die numeriese simulasieresultate.
Figuur 8 SiC-kristalle gekweek onder struktuur 0 en struktuur 1
Gevolgtrekking
PG is bevorderlik vir die verbetering van die algehele temperatuur van die rou materiaalarea en die verbetering van aksiale en radiale temperatuuruniformiteit, wat die volle sublimasie en benutting van die rou materiaal bevorder; die boonste en onderste temperatuurverskil neem toe, en die radiale gradiënt van die saadkristaloppervlak neem toe, wat help om die konvekse koppelvlakgroei te handhaaf. Wat massa-oordrag betref, verminder die toevoeging van PG die algehele massa-oordragtempo, die materiaalvloeitempo in die groeikamer wat PG bevat, verander minder met tyd, en die hele groeiproses is meer stabiel. Terselfdertyd inhibeer PG ook effektief die voorkoms van oormatige randmassa-oordrag. Daarbenewens verhoog PG ook die C/Si-verhouding van die groeiomgewing, veral aan die voorkant van die saadkristalkoppelvlak, wat help om die voorkoms van faseverandering tydens die groeiproses te verminder. Terselfdertyd verminder die termiese isolasie-effek van PG die voorkoms van herkristallisasie in die boonste deel van die rou materiaal tot 'n sekere mate. Vir kristalgroei vertraag PG die kristalgroeitempo, maar die groei-koppelvlak is meer konveks. Daarom is PG 'n effektiewe manier om die groeiomgewing van SiC-kristalle te verbeter en die kristalkwaliteit te optimaliseer.
Plasingstyd: 18 Junie 2024