El procés bàsic deSiCEl creixement del cristall es divideix en sublimació i descomposició de matèries primeres a alta temperatura, transport de substàncies en fase gasosa sota l'acció del gradient de temperatura i creixement per recristal·lització de substàncies en fase gasosa al cristall sembra. A partir d'això, l'interior del gresol es divideix en tres parts: zona de matèries primeres, cambra de creixement i cristall sembra. Es va dibuixar un model de simulació numèrica basat en la resistència real.SiCequip de creixement de monocristalls (vegeu la figura 1). En el càlcul: la part inferior delgresolestà a 90 mm de distància de la part inferior de l'escalfador lateral, la temperatura superior del gresol és de 2100 ℃, el diàmetre de les partícules de la matèria primera és de 1000 μm, la porositat és de 0,6, la pressió de creixement és de 300 Pa i el temps de creixement és de 100 h. El gruix del PG és de 5 mm, el diàmetre és igual al diàmetre interior del gresol i està situat 30 mm per sobre de la matèria primera. Els processos de sublimació, carbonització i recristal·lització de la zona de matèria primera es consideren en el càlcul, i la reacció entre el PG i les substàncies en fase gasosa no es considera. Els paràmetres de propietat física relacionats amb el càlcul es mostren a la Taula 1.
Figura 1 Model de càlcul de simulació. (a) Model de camp tèrmic per a la simulació del creixement de cristalls; (b) Divisió de l'àrea interna del gresol i problemes físics relacionats
Taula 1 Alguns paràmetres físics utilitzats en el càlcul
La figura 2(a) mostra que la temperatura de l'estructura que conté PG (denotada com a estructura 1) és més alta que la de l'estructura sense PG (denotada com a estructura 0) per sota de PG, i més baixa que la de l'estructura 0 per sobre de PG. El gradient de temperatura general augmenta i el PG actua com a agent aïllant tèrmic. Segons les figures 2(b) i 2(c), els gradients de temperatura axial i radial de l'estructura 1 a la zona de matèria primera són més petits, la distribució de temperatura és més uniforme i la sublimació del material és més completa. A diferència de la zona de matèria primera, la figura 2(c) mostra que el gradient de temperatura radial al cristall sembra de l'estructura 1 és més gran, cosa que pot ser causada per les diferents proporcions dels diferents modes de transferència de calor, cosa que ajuda el cristall a créixer amb una interfície convexa. A la figura 2(d), la temperatura a diferents posicions del gresol mostra una tendència creixent a mesura que avança el creixement, però la diferència de temperatura entre l'estructura 0 i l'estructura 1 disminueix gradualment a la zona de matèria primera i augmenta gradualment a la cambra de creixement.
Figura 2 Distribució i canvis de temperatura al gresol. (a) Distribució de temperatura dins del gresol de l'estructura 0 (esquerra) i l'estructura 1 (dreta) a les 0 h, unitat: ℃; (b) Distribució de temperatura a la línia central del gresol de l'estructura 0 i l'estructura 1 des de la part inferior de la matèria primera fins al cristall sembra a les 0 h; (c) Distribució de temperatura des del centre fins a la vora del gresol a la superfície del cristall sembra (A) i la superfície de la matèria primera (B), al mig (C) i a la part inferior (D) a les 0 h, l'eix horitzontal r és el radi del cristall sembra per a A i el radi de l'àrea de la matèria primera per a B~D; (d) Canvis de temperatura al centre de la part superior (A), la superfície de la matèria primera (B) i al mig (C) de la cambra de creixement de l'estructura 0 i l'estructura 1 a les 0, 30, 60 i 100 h.
La figura 3 mostra el transport de material en diferents moments al gresol de l'estructura 0 i l'estructura 1. El cabal de material en fase gasosa a la zona de matèria primera i a la cambra de creixement augmenta amb l'augment de la posició, i el transport de material s'afebleix a mesura que avança el creixement. La figura 3 també mostra que, en les condicions de simulació, la matèria primera primer es grafititza a la paret lateral del gresol i després a la part inferior del gresol. A més, hi ha una recristal·lització a la superfície de la matèria primera i s'espesseix gradualment a mesura que avança el creixement. Les figures 4(a) i 4(b) mostren que el cabal de material dins de la matèria primera disminueix a mesura que avança el creixement, i el cabal de material a 100 h és aproximadament el 50% del moment inicial; tanmateix, el cabal és relativament gran a la vora a causa de la grafitització de la matèria primera, i el cabal a la vora és més de 10 vegades superior al cabal de la zona mitjana a 100 h; A més, l'efecte del PG a l'estructura 1 fa que el cabal de material a la zona de matèria primera de l'estructura 1 sigui inferior al de l'estructura 0. A la Figura 4(c), el cabal de material tant a la zona de matèria primera com a la cambra de creixement s'afebleix gradualment a mesura que avança el creixement, i el cabal de material a la zona de matèria primera continua disminuint, cosa que és causada per l'obertura del canal de flux d'aire a la vora del gresol i l'obstrucció de la recristal·lització a la part superior; a la cambra de creixement, el cabal de material de l'estructura 0 disminueix ràpidament en les 30 h inicials fins al 16%, i només disminueix un 3% en el temps posterior, mentre que l'estructura 1 es manté relativament estable durant tot el procés de creixement. Per tant, el PG ajuda a estabilitzar el cabal de material a la cambra de creixement. La Figura 4(d) compara el cabal de material al front de creixement del cristall. En el moment inicial i després de 100 h, el transport de material a la zona de creixement de l'estructura 0 és més fort que a l'estructura 1, però sempre hi ha una zona de cabal elevat a la vora de l'estructura 0, cosa que provoca un creixement excessiu a la vora. La presència de PG a l'estructura 1 suprimeix eficaçment aquest fenomen.
Figura 3 Flux de material al gresol. Línies de corrent (esquerra) i vectors de velocitat (dreta) del transport de material gasós a les estructures 0 i 1 en diferents moments, unitat del vector de velocitat: m/s
Figura 4 Canvis en el cabal de material. (a) Canvis en la distribució del cabal de material al mig de la matèria primera de l'estructura 0 a 0, 30, 60 i 100 h, r és el radi de l'àrea de la matèria primera; (b) Canvis en la distribució del cabal de material al mig de la matèria primera de l'estructura 1 a 0, 30, 60 i 100 h, r és el radi de l'àrea de la matèria primera; (c) Canvis en el cabal de material dins de la cambra de creixement (A, B) i dins de la matèria primera (C, D) de les estructures 0 i 1 al llarg del temps; (d) Distribució del cabal de material prop de la superfície del cristall sembra de les estructures 0 i 1 a 0 i 100 h, r és el radi del cristall sembra.
El C/Si afecta l'estabilitat cristal·lina i la densitat de defectes del creixement del cristall de SiC. La figura 5(a) compara la distribució de la relació C/Si de les dues estructures en el moment inicial. La relació C/Si disminueix gradualment des de la part inferior fins a la superior del gresol, i la relació C/Si de l'estructura 1 sempre és superior a la de l'estructura 0 en diferents posicions. Les figures 5(b) i 5(c) mostren que la relació C/Si augmenta gradualment amb el creixement, cosa que està relacionada amb l'augment de la temperatura interna en l'etapa posterior del creixement, la millora de la grafitització de la matèria primera i la reacció dels components de Si en fase gasosa amb el gresol de grafit. A la figura 5(d), les relacions C/Si de l'estructura 0 i l'estructura 1 són força diferents per sota de PG (0, 25 mm), però lleugerament diferents per sobre de PG (50 mm), i la diferència augmenta gradualment a mesura que s'acosta al cristall. En general, la relació C/Si de l'estructura 1 és superior, cosa que ajuda a estabilitzar la forma cristal·lina i a reduir la probabilitat de transició de fase.
Figura 5 Distribució i canvis de la relació C/Si. (a) Distribució de la relació C/Si en gresols de l'estructura 0 (esquerra) i l'estructura 1 (dreta) a les 0 h; (b) Relació C/Si a diferents distàncies de la línia central del gresol de l'estructura 0 en diferents moments (0, 30, 60, 100 h); (c) Relació C/Si a diferents distàncies de la línia central del gresol de l'estructura 1 en diferents moments (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparació de la relació C/Si a diferents distàncies (0, 25, 50, 75, 100 mm) de la línia central del gresol de l'estructura 0 (línia contínua) i l'estructura 1 (línia discontínua) en diferents moments (0, 30, 60, 100 h).
La figura 6 mostra els canvis en el diàmetre de les partícules i la porositat de les regions de la matèria primera de les dues estructures. La figura mostra que el diàmetre de la matèria primera disminueix i la porositat augmenta prop de la paret del gresol, i la porositat de la vora continua augmentant i el diàmetre de les partícules continua disminuint a mesura que avança el creixement. La porositat màxima de la vora és d'aproximadament 0,99 a les 100 h, i el diàmetre mínim de les partícules és d'aproximadament 300 μm. El diàmetre de les partícules augmenta i la porositat disminueix a la superfície superior de la matèria primera, cosa que correspon a la recristal·lització. El gruix de l'àrea de recristal·lització augmenta a mesura que avança el creixement, i la mida de les partícules i la porositat continuen canviant. El diàmetre màxim de les partícules arriba a més de 1500 μm, i la porositat mínima és de 0,13. A més, com que el PG augmenta la temperatura de l'àrea de la matèria primera i la sobresaturació del gas és petita, el gruix de recristal·lització de la part superior de la matèria primera de l'estructura 1 és petit, cosa que millora la taxa d'utilització de la matèria primera.
Figura 6 Canvis en el diàmetre de les partícules (esquerra) i la porositat (dreta) de la zona de matèria primera de l'estructura 0 i l'estructura 1 en diferents moments, unitat de diàmetre de les partícules: μm
La figura 7 mostra que l'estructura 0 es deforma al començament del creixement, cosa que pot estar relacionada amb l'excessiu cabal de material causat per la grafitització de la vora de la matèria primera. El grau de deformació s'afebleix durant el procés de creixement posterior, cosa que correspon al canvi en el cabal de material a la part frontal del creixement del cristall de l'estructura 0 a la figura 4 (d). A l'estructura 1, a causa de l'efecte del PG, la interfície del cristall no mostra deformació. A més, el PG també fa que la taxa de creixement de l'estructura 1 sigui significativament inferior a la de l'estructura 0. El gruix central del cristall de l'estructura 1 després de 100 h és només el 68% del de l'estructura 0.
Figura 7 Canvis d'interfície dels cristalls d'estructura 0 i estructura 1 a 30, 60 i 100 h
El creixement del cristall es va dur a terme sota les condicions de procés de la simulació numèrica. Els cristalls que han crescut amb l'estructura 0 i l'estructura 1 es mostren a la Figura 8(a) i la Figura 8(b), respectivament. El cristall de l'estructura 0 mostra una interfície còncava, amb ondulacions a la zona central i una transició de fase a la vora. La convexitat superficial representa un cert grau d'inhomogeneïtat en el transport de materials en fase gasosa, i l'ocurrència de la transició de fase correspon a la baixa relació C/Si. La interfície del cristall que ha crescut amb l'estructura 1 és lleugerament convexa, no es troba cap transició de fase i el gruix és del 65% del cristall sense PG. En general, els resultats del creixement del cristall corresponen als resultats de la simulació, amb una diferència de temperatura radial més gran a la interfície del cristall de l'estructura 1, el creixement ràpid a la vora es suprimeix i el cabal de material general és més lent. La tendència general és coherent amb els resultats de la simulació numèrica.
Figura 8 Cristalls de SiC cultivats sota l'estructura 0 i l'estructura 1
Conclusió
El PG afavoreix la millora de la temperatura general de la zona de la matèria primera i la millora de la uniformitat de la temperatura axial i radial, promovent la sublimació i utilització completa de la matèria primera; augmenta la diferència de temperatura superior i inferior i augmenta el gradient radial de la superfície del cristall de llavor, cosa que ajuda a mantenir el creixement de la interfície convexa. Pel que fa a la transferència de massa, la introducció de PG redueix la taxa de transferència de massa general, el cabal de material a la cambra de creixement que conté PG canvia menys amb el temps i tot el procés de creixement és més estable. Al mateix temps, el PG també inhibeix eficaçment l'ocurrència d'una transferència de massa excessiva a la vora. A més, el PG també augmenta la relació C/Si de l'entorn de creixement, especialment a la vora frontal de la interfície del cristall de llavor, cosa que ajuda a reduir l'ocurrència de canvis de fase durant el procés de creixement. Al mateix temps, l'efecte d'aïllament tèrmic del PG redueix fins a cert punt l'ocurrència de recristal·lització a la part superior de la matèria primera. Per al creixement del cristall, el PG alenteix la taxa de creixement del cristall, però la interfície de creixement és més convexa. Per tant, el PG és un mitjà eficaç per millorar l'entorn de creixement dels cristalls de SiC i optimitzar la qualitat del cristall.
Data de publicació: 18 de juny de 2024