Osnovni procesSiCRast kristala podijeljen je na sublimaciju i razgradnju sirovina na visokoj temperaturi, transport supstanci u gasovitoj fazi pod djelovanjem temperaturnog gradijenta i rekristalizaciju rasta supstanci u gasovitoj fazi na kristalnoj sjemeni. Na osnovu toga, unutrašnjost lončića je podijeljena na tri dijela: područje sirovine, komoru za rast i kristalnu sjemenu. Numerički simulacijski model je nacrtan na osnovu stvarnog otpora.SiCoprema za rast monokristala (vidi Sliku 1). U proračunu: dnolonacje udaljen 90 mm od dna bočnog grijača, gornja temperatura lončića je 2100 ℃, prečnik čestica sirovine je 1000 μm, poroznost je 0,6, pritisak rasta je 300 Pa, a vrijeme rasta je 100 h. Debljina PG-a je 5 mm, prečnik je jednak unutrašnjem prečniku lončića i nalazi se 30 mm iznad sirovine. Procesi sublimacije, karbonizacije i rekristalizacije zone sirovine su uzeti u obzir u proračunu, a reakcija između PG-a i supstanci u gasovitoj fazi nije uzeta u obzir. Parametri fizičkih svojstava povezani s proračunom prikazani su u Tabeli 1.
Slika 1. Model simulacije proračuna. (a) Model termalnog polja za simulaciju rasta kristala; (b) Podjela unutrašnjeg prostora lončića i srodni fizički problemi
Tabela 1 Neki fizički parametri korišteni u proračunu
Slika 2(a) pokazuje da je temperatura strukture koja sadrži PG (označena kao struktura 1) viša od temperature strukture bez PG (označena kao struktura 0) ispod PG, a niža od temperature strukture 0 iznad PG. Ukupni temperaturni gradijent se povećava, a PG djeluje kao toplotnoizolacijski agens. Prema slikama 2(b) i 2(c), aksijalni i radijalni temperaturni gradijenti strukture 1 u zoni sirovine su manji, raspodjela temperature je ujednačenija, a sublimacija materijala je potpunija. Za razliku od zone sirovine, slika 2(c) pokazuje da je radijalni temperaturni gradijent na kristalnom sjemenu strukture 1 veći, što može biti uzrokovano različitim omjerima različitih načina prijenosa topline, što pomaže kristalu da raste s konveksnim međupovršinom. Na slici 2(d), temperatura na različitim pozicijama u lončiću pokazuje rastući trend kako rast napreduje, ali temperaturna razlika između strukture 0 i strukture 1 postepeno se smanjuje u zoni sirovine i postepeno se povećava u komori za rast.
Slika 2 Raspodjela temperature i promjene u lončiću. (a) Raspodjela temperature unutar lončića strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h, jedinica: ℃; (b) Raspodjela temperature na središnjoj liniji lončića strukture 0 i strukture 1 od dna sirovine do kristalne sjemenke u 0 h; (c) Raspodjela temperature od centra do ruba lončića na površini kristalne sjemenke (A) i površini sirovine (B), sredini (C) i dnu (D) u 0 h, horizontalna osa r je radijus kristalne sjemenke za A, a radijus površine sirovine za B~D; (d) Promjene temperature u centru gornjeg dijela (A), površini sirovine (B) i sredini (C) komore za rast strukture 0 i strukture 1 u 0, 30, 60 i 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materijala u različitim vremenskim periodima u lončiću strukture 0 i strukture 1. Brzina protoka materijala u gasovitoj fazi u području sirovine i komori za rast povećava se s povećanjem položaja, a transport materijala slabi kako rast napreduje. Slika 3 također pokazuje da se pod uslovima simulacije sirovina prvo grafitizira na bočnom zidu lončića, a zatim na dnu lončića. Osim toga, dolazi do rekristalizacije na površini sirovine i ona se postepeno zgušnjava kako rast napreduje. Slike 4(a) i 4(b) pokazuju da se brzina protoka materijala unutar sirovine smanjuje kako rast napreduje, a brzina protoka materijala nakon 100 sati iznosi oko 50% početnog trenutka; međutim, brzina protoka je relativno velika na rubu zbog grafitizacije sirovine, a brzina protoka na rubu je više od 10 puta veća od brzine protoka u srednjem području nakon 100 sati; Osim toga, učinak PG-a u strukturi 1 smanjuje brzinu protoka materijala u području sirovine strukture 1 u odnosu na strukturu 0. Na slici 4(c), protok materijala i u području sirovine i u komori za rast postepeno slabi kako rast napreduje, a protok materijala u području sirovine nastavlja se smanjivati, što je uzrokovano otvaranjem kanala za protok zraka na rubu lončića i opstrukcijom rekristalizacije na vrhu; u komori za rast, brzina protoka materijala strukture 0 brzo se smanjuje u prvih 30 sati na 16%, a u narednom vremenu se smanjuje samo za 3%, dok struktura 1 ostaje relativno stabilna tokom cijelog procesa rasta. Stoga, PG pomaže u stabilizaciji brzine protoka materijala u komori za rast. Slika 4(d) uspoređuje brzinu protoka materijala na frontu rasta kristala. U početnom trenutku i nakon 100 sati, transport materijala u zoni rasta strukture 0 je jači nego u strukturi 1, ali uvijek postoji područje visoke brzine protoka na rubu strukture 0, što dovodi do prekomjernog rasta na rubu. Prisustvo PG u strukturi 1 efikasno suzbija ovaj fenomen.
Slika 3 Tok materijala u lončiću. Linije strujanja (lijevo) i vektori brzine (desno) transporta plinovitog materijala u strukturama 0 i 1 u različitim vremenskim trenucima, jedinica vektora brzine: m/s
Slika 4 Promjene u brzini protoka materijala. (a) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 0 u 0, 30, 60 i 100 h, r je poluprečnik područja sirovine; (b) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 1 u 0, 30, 60 i 100 h, r je poluprečnik područja sirovine; (c) Promjene u brzini protoka materijala unutar komore za rast (A, B) i unutar sirovine (C, D) struktura 0 i 1 tokom vremena; (d) Raspodjela brzine protoka materijala u blizini površine kristalne sjemenke struktura 0 i 1 u 0 i 100 h, r je poluprečnik kristalne sjemenke
C/Si utiče na kristalnu stabilnost i gustinu defekata rasta SiC kristala. Slika 5(a) upoređuje raspodjelu odnosa C/Si dvije strukture u početnom trenutku. Odnos C/Si postepeno se smanjuje od dna prema vrhu lončića, a odnos C/Si strukture 1 je uvijek veći od odnosa strukture 0 na različitim pozicijama. Slike 5(b) i 5(c) pokazuju da odnos C/Si postepeno raste s rastom, što je povezano s porastom unutrašnje temperature u kasnijoj fazi rasta, poboljšanjem grafitizacije sirovine i reakcijom Si komponenti u gasnoj fazi s grafitnim lončićem. Na slici 5(d), odnosi C/Si strukture 0 i strukture 1 su prilično različiti ispod PG (0, 25 mm), ali malo drugačiji iznad PG (50 mm), a razlika se postepeno povećava kako se približava kristalu. Općenito, odnos C/Si strukture 1 je veći, što pomaže u stabilizaciji kristalnog oblika i smanjenju vjerovatnoće faznog prelaza.
Slika 5. Raspodjela i promjene odnosa C/Si. (a) Raspodjela odnosa C/Si u lončićima strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h; (b) Odnos C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 0 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (c) Odnos C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 1 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (d) Poređenje odnosa C/Si na različitim udaljenostima (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središnje linije lončića strukture 0 (puna linija) i strukture 1 (isprekidana linija) u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h).
Slika 6 prikazuje promjene u promjeru čestica i poroznosti područja sirovine dvije strukture. Slika pokazuje da se promjer sirovine smanjuje, a poroznost povećava blizu stijenke lončića, te da se poroznost rubova nastavlja povećavati i da se promjer čestica nastavlja smanjivati kako rast napreduje. Maksimalna poroznost rubova je oko 0,99 nakon 100 sati, a minimalni promjer čestica je oko 300 μm. Promjer čestica se povećava, a poroznost se smanjuje na gornjoj površini sirovine, što odgovara rekristalizaciji. Debljina područja rekristalizacije se povećava kako rast napreduje, a veličina i poroznost čestica se nastavljaju mijenjati. Maksimalni promjer čestica dostiže više od 1500 μm, a minimalna poroznost je 0,13. Osim toga, budući da PG povećava temperaturu područja sirovine, a prezasićenost plinom je mala, debljina rekristalizacije gornjeg dijela sirovine strukture 1 je mala, što poboljšava stopu iskorištenja sirovine.
Slika 6 Promjene u prečniku čestica (lijevo) i poroznosti (desno) područja sirovine strukture 0 i strukture 1 u različitim vremenskim periodima, jedinica prečnika čestica: μm
Slika 7 pokazuje da se struktura 0 savija na početku rasta, što može biti povezano s prekomjernom brzinom protoka materijala uzrokovanom grafitizacijom ruba sirovine. Stepen savijanja se slabi tokom naknadnog procesa rasta, što odgovara promjeni brzine protoka materijala na čelu rasta kristala strukture 0 na Slici 4 (d). U strukturi 1, zbog utjecaja PG-a, kristalna površina ne pokazuje savijanje. Osim toga, PG također znatno smanjuje brzinu rasta strukture 1 u odnosu na strukturu 0. Debljina centra kristala strukture 1 nakon 100 sati iznosi samo 68% debljine strukture 0.
Slika 7 Promjene na granici kristala strukture 0 i strukture 1 nakon 30, 60 i 100 sati
Rast kristala proveden je pod procesnim uslovima numeričke simulacije. Kristali uzgojeni pomoću strukture 0 i strukture 1 prikazani su na slici 8(a) i slici 8(b), respektivno. Kristal strukture 0 pokazuje konkavnu površinu, s valovitošću u središnjem području i faznim prijelazom na rubu. Površinska konveksnost predstavlja određeni stepen nehomogenosti u transportu materijala u gasovitoj fazi, a pojava faznog prijelaza odgovara niskom odnosu C/Si. Površina kristala uzgojenog pomoću strukture 1 je blago konveksna, nije pronađen fazni prijelaz, a debljina je 65% debljine kristala bez PG. Općenito, rezultati rasta kristala odgovaraju rezultatima simulacije, s većom radijalnom temperaturnom razlikom na kristalnoj površini strukture 1, brzi rast na rubu je potisnut, a ukupna brzina protoka materijala je sporija. Ukupni trend je u skladu s rezultatima numeričke simulacije.
Slika 8 SiC kristali uzgojeni pod strukturom 0 i strukturom 1
Zaključak
PG doprinosi poboljšanju ukupne temperature područja sirovine i poboljšanju aksijalne i radijalne ujednačenosti temperature, promovirajući potpunu sublimaciju i iskorištavanje sirovine; povećava se gornja i donja temperaturna razlika, a povećava se i radijalni gradijent površine kristala sjemena, što pomaže u održavanju rasta konveksne granice. Što se tiče prijenosa mase, uvođenje PG-a smanjuje ukupnu brzinu prijenosa mase, brzina protoka materijala u komori za rast koja sadrži PG se manje mijenja s vremenom, a cijeli proces rasta je stabilniji. Istovremeno, PG također efikasno inhibira pojavu prekomjernog prijenosa mase na rubovima. Osim toga, PG također povećava omjer C/Si u okruženju za rast, posebno na prednjoj ivici granice kristala sjemena, što pomaže u smanjenju pojave fazne promjene tokom procesa rasta. Istovremeno, učinak toplinske izolacije PG-a do određene mjere smanjuje pojavu rekristalizacije u gornjem dijelu sirovine. Za rast kristala, PG usporava brzinu rasta kristala, ali granica rasta je konveksnija. Stoga je PG efikasno sredstvo za poboljšanje okruženja za rast SiC kristala i optimizaciju kvaliteta kristala.
Vrijeme objave: 18. juni 2024.