U prucessu basicu diSiCA crescita di i cristalli hè divisa in sublimazione è decomposizione di materie prime à alta temperatura, trasportu di sustanzi in fase gassosa sottu l'azione di u gradiente di temperatura, è crescita di ricristallizazione di sustanzi in fase gassosa à u cristallu di semente. Basatu annantu à questu, l'internu di u crogiolu hè divisu in trè parti: zona di materia prima, camera di crescita è cristallu di semente. Un mudellu di simulazione numerica hè statu disegnatu basatu annantu à a resistenza attuale.SiCApparatu di crescita di monocristalli (vede a Figura 1). In u calculu: u fondu di ucrogioluhè à 90 mm da u fondu di u riscaldatore laterale, a temperatura massima di u crogiolu hè 2100 ℃, u diametru di e particelle di materia prima hè 1000 μm, a porosità hè 0,6, a pressione di crescita hè 300 Pa, è u tempu di crescita hè 100 h. U spessore di PG hè 5 mm, u diametru hè uguale à u diametru internu di u crogiolu, è hè situatu 30 mm sopra a materia prima. I prucessi di sublimazione, carbonizazione è ricristallizazione di a zona di materia prima sò cunsiderati in u calculu, è a reazione trà PG è e sustanze in fase gassosa ùn hè micca cunsiderata. I parametri di e proprietà fisiche relative à u calculu sò mostrati in a Tabella 1.
Figura 1 Modellu di calculu di simulazione. (a) Modellu di campu termicu per a simulazione di a crescita di i cristalli; (b) Divisione di l'area interna di u crucible è prublemi fisichi cunnessi
Tavula 1 Alcuni parametri fisichi utilizati in u calculu
A Figura 2(a) mostra chì a temperatura di a struttura chì cuntene PG (indicata cum'è struttura 1) hè più alta di quella di a struttura senza PG (indicata cum'è struttura 0) sottu à PG, è più bassa di quella di a struttura 0 sopra à PG. U gradiente di temperatura generale aumenta, è PG agisce cum'è un agente isolante termicu. Sicondu e Figure 2(b) è 2(c), i gradienti di temperatura assiali è radiali di a struttura 1 in a zona di materia prima sò più chjuchi, a distribuzione di a temperatura hè più uniforme, è a sublimazione di u materiale hè più cumpleta. À u cuntrariu di a zona di materia prima, a Figura 2(c) mostra chì u gradiente di temperatura radiale à u cristallu di semente di a struttura 1 hè più grande, ciò chì pò esse causatu da e diverse proporzioni di diverse modalità di trasferimentu di calore, ciò chì aiuta u cristallu à cresce cù una interfaccia convessa. In a Figura 2(d), a temperatura in diverse pusizioni in u crogiolu mostra una tendenza crescente mentre a crescita avanza, ma a differenza di temperatura trà a struttura 0 è a struttura 1 diminuisce gradualmente in a zona di materia prima è aumenta gradualmente in a camera di crescita.
Figura 2 Distribuzione di a temperatura è cambiamenti in u crogiolu. (a) Distribuzione di a temperatura in u crogiolu di a struttura 0 (sinistra) è a struttura 1 (destra) à 0 h, unità: ℃; (b) Distribuzione di a temperatura nantu à a linea centrale di u crogiolu di a struttura 0 è a struttura 1 da u fondu di a materia prima à u cristallu di semente à 0 h; (c) Distribuzione di a temperatura da u centru à u bordu di u crogiolu nantu à a superficia di u cristallu di semente (A) è a superficia di a materia prima (B), u centru (C) è u fondu (D) à 0 h, l'asse orizzontale r hè u raghju di u cristallu di semente per A, è u raghju di l'area di a materia prima per B ~ D; (d) Cambiamenti di temperatura à u centru di a parte superiore (A), a superficia di a materia prima (B) è u centru (C) di a camera di crescita di a struttura 0 è a struttura 1 à 0, 30, 60 è 100 h.
A figura 3 mostra u trasportu di materiale in tempi diversi in u crogiolu di a struttura 0 è a struttura 1. A velocità di flussu di materiale in fase gassosa in a zona di materia prima è in a camera di crescita aumenta cù l'aumentu di a pusizione, è u trasportu di materiale s'indebulisce mentre a crescita avanza. A figura 3 mostra ancu chì in e cundizioni di simulazione, a materia prima si grafitizza prima nantu à a parete laterale di u crogiolu è dopu nantu à u fondu di u crogiolu. Inoltre, ci hè una ricristallizazione nantu à a superficia di a materia prima è s'ispessisce gradualmente mentre a crescita avanza. E figure 4(a) è 4(b) mostranu chì a velocità di flussu di materiale in a materia prima diminuisce mentre a crescita avanza, è a velocità di flussu di materiale à 100 h hè circa 50% di u mumentu iniziale; tuttavia, a velocità di flussu hè relativamente grande à u bordu per via di a grafitizazione di a materia prima, è a velocità di flussu à u bordu hè più di 10 volte quella di a velocità di flussu in a zona media à 100 h; Inoltre, l'effettu di PG in a struttura 1 face chì a velocità di flussu di materiale in a zona di materia prima di a struttura 1 sia più bassa di quella di a struttura 0. In a Figura 4(c), u flussu di materiale sia in a zona di materia prima sia in a camera di crescita s'indebulisce gradualmente mentre a crescita avanza, è u flussu di materiale in a zona di materia prima cuntinueghja à diminuisce, ciò chì hè causatu da l'apertura di u canale di flussu d'aria à u bordu di u crogiolu è l'ostruzione di a ricristallizazione in cima; in a camera di crescita, a velocità di flussu di materiale di a struttura 0 diminuisce rapidamente in e prime 30 ore à 16%, è diminuisce solu di 3% in u tempu successivu, mentre chì a struttura 1 ferma relativamente stabile durante tuttu u prucessu di crescita. Dunque, PG aiuta à stabilizà a velocità di flussu di materiale in a camera di crescita. A Figura 4(d) paraguna a velocità di flussu di materiale à u fronte di crescita di u cristallu. À u mumentu iniziale è à 100 ore, u trasportu di materiale in a zona di crescita di a struttura 0 hè più forte chè quellu in a struttura 1, ma ci hè sempre una zona di flussu elevatu à u bordu di a struttura 0, chì porta à una crescita eccessiva à u bordu. A presenza di PG in a struttura 1 sopprime efficacemente stu fenomenu.
Figura 3 Flussu di materiale in u crogiolu. Linee di corrente (à manca) è vettori di velocità (à diritta) di u trasportu di materiale gassoso in e strutture 0 è 1 à tempi diversi, unità di vettore di velocità: m/s
Figura 4 Cambiamenti in a velocità di flussu di materiale. (a) Cambiamenti in a distribuzione di a velocità di flussu di materiale in u centru di a materia prima di a struttura 0 à 0, 30, 60 è 100 h, r hè u raghju di l'area di a materia prima; (b) Cambiamenti in a distribuzione di a velocità di flussu di materiale in u centru di a materia prima di a struttura 1 à 0, 30, 60 è 100 h, r hè u raghju di l'area di a materia prima; (c) Cambiamenti in a velocità di flussu di materiale in a camera di crescita (A, B) è in a materia prima (C, D) di e strutture 0 è 1 in u tempu; (d) Distribuzione di a velocità di flussu di materiale vicinu à a superficia di u cristallu di semente di e strutture 0 è 1 à 0 è 100 h, r hè u raghju di u cristallu di semente.
C/Si affetta a stabilità cristallina è a densità di difetti di a crescita di cristalli SiC. A Figura 5(a) paraguna a distribuzione di u rapportu C/Si di e duie strutture à u mumentu iniziale. U rapportu C/Si diminuisce gradualmente da u fondu à a cima di u crogiolu, è u rapportu C/Si di a struttura 1 hè sempre più altu di quellu di a struttura 0 in diverse pusizioni. E Figure 5(b) è 5(c) mostranu chì u rapportu C/Si aumenta gradualmente cù a crescita, chì hè ligata à l'aumentu di a temperatura interna in a fase successiva di a crescita, u miglioramentu di a grafitizazione di a materia prima è a reazione di i cumpunenti Si in a fase gassosa cù u crogiolu di grafite. In a Figura 5(d), i rapporti C/Si di a struttura 0 è di a struttura 1 sò abbastanza diversi sottu à PG (0, 25 mm), ma ligeramente diversi sopra à PG (50 mm), è a differenza aumenta gradualmente mentre si avvicina à u cristallu. In generale, u rapportu C/Si di a struttura 1 hè più altu, ciò chì aiuta à stabilizà a forma cristallina è à riduce a probabilità di transizione di fase.
Figura 5 Distribuzione è cambiamenti di u rapportu C/Si. (a) Distribuzione di u rapportu C/Si in i crogioli di a struttura 0 (sinistra) è a struttura 1 (destra) à 0 h; (b) Rapportu C/Si à diverse distanze da a linea centrale di u crogiolu di a struttura 0 à tempi diversi (0, 30, 60, 100 h); (c) Rapportu C/Si à diverse distanze da a linea centrale di u crogiolu di a struttura 1 à tempi diversi (0, 30, 60, 100 h); (d) Paragone di u rapportu C/Si à diverse distanze (0, 25, 50, 75, 100 mm) da a linea centrale di u crogiolu di a struttura 0 (linea continua) è a struttura 1 (linea tratteggiata) à tempi diversi (0, 30, 60, 100 h).
A figura 6 mostra i cambiamenti in u diametru di e particelle è a porosità di e regioni di materia prima di e duie strutture. A figura mostra chì u diametru di a materia prima diminuisce è a porosità aumenta vicinu à u muru di u crogiuolo, è a porosità di u bordu cuntinueghja à aumentà è u diametru di e particelle cuntinueghja à diminuisce mentre a crescita avanza. A porosità massima di u bordu hè circa 0,99 à 100 h, è u diametru minimu di e particelle hè circa 300 μm. U diametru di e particelle aumenta è a porosità diminuisce nantu à a superficia superiore di a materia prima, currispondente à a ricristallizazione. U spessore di l'area di ricristallizazione aumenta mentre a crescita avanza, è a dimensione di e particelle è a porosità cuntinueghjanu à cambià. U diametru massimu di e particelle righjunghje più di 1500 μm, è a porosità minima hè 0,13. Inoltre, postu chì PG aumenta a temperatura di l'area di materia prima è a supersaturazione di gas hè chjuca, u spessore di ricristallizazione di a parte superiore di a materia prima di a struttura 1 hè chjucu, ciò chì migliora u tassu di utilizzazione di a materia prima.
Figura 6 Cambiamenti in u diametru di e particelle (sinistra) è a porosità (destra) di a zona di materia prima di a struttura 0 è a struttura 1 in tempi diversi, unità di diametru di e particelle: μm
A figura 7 mostra chì a struttura 0 si deforma à l'iniziu di a crescita, ciò chì pò esse ligatu à u flussu eccessivu di materiale causatu da a grafitizazione di u bordu di a materia prima. U gradu di deformazione hè indebulitu durante u prucessu di crescita successivu, ciò chì currisponde à u cambiamentu di u flussu di materiale à u fronte di a crescita cristallina di a struttura 0 in a Figura 4 (d). In a struttura 1, per via di l'effettu di PG, l'interfaccia cristallina ùn mostra micca deformazione. Inoltre, PG rende ancu u ritmu di crescita di a struttura 1 significativamente più bassu di quellu di a struttura 0. U spessore di u centru di u cristallu di a struttura 1 dopu à 100 ore hè solu u 68% di quellu di a struttura 0.
Figura 7 Cambiamenti d'interfaccia di i cristalli di struttura 0 è struttura 1 à 30, 60 è 100 h
A crescita di i cristalli hè stata realizata in e cundizioni di prucessu di simulazione numerica. I cristalli cresciuti da a struttura 0 è a struttura 1 sò mostrati in a Figura 8(a) è a Figura 8(b), rispettivamente. U cristallu di a struttura 0 mostra una interfaccia concava, cù ondulazioni in a zona cintrali è una transizione di fase à u bordu. A cunvessità superficiale rapprisenta un certu gradu di inhomogeneità in u trasportu di materiali in fase gassosa, è l'occorrenza di a transizione di fase currisponde à u bassu rapportu C/Si. L'interfaccia di u cristallu cresciutu da a struttura 1 hè ligeramente convessa, ùn si trova alcuna transizione di fase, è u spessore hè di 65% di u cristallu senza PG. In generale, i risultati di a crescita di i cristalli currispondenu à i risultati di a simulazione, cù una differenza di temperatura radiale più grande à l'interfaccia cristallina di a struttura 1, a crescita rapida à u bordu hè soppressa, è a velocità generale di flussu di materiale hè più lenta. A tendenza generale hè coerente cù i risultati di a simulazione numerica.
Figura 8 Cristalli di SiC cresciuti sottu a struttura 0 è a struttura 1
Cunclusione
U PG hè favurevule à u miglioramentu di a temperatura generale di a zona di a materia prima è à u miglioramentu di l'uniformità di a temperatura assiale è radiale, prumove a sublimazione è l'utilizazione cumpleta di a materia prima; a differenza di temperatura superiore è inferiore aumenta, è u gradiente radiale di a superficia di u cristallu di semente aumenta, ciò chì aiuta à mantene a crescita di l'interfaccia convessa. In termini di trasferimentu di massa, l'introduzione di PG riduce a velocità generale di trasferimentu di massa, a velocità di flussu di materiale in a camera di crescita chì cuntene PG cambia menu cù u tempu, è tuttu u prucessu di crescita hè più stabile. À u listessu tempu, PG inibisce ancu efficacemente l'occorrenza di un trasferimentu di massa eccessivu di u bordu. Inoltre, PG aumenta ancu u rapportu C/Si di l'ambiente di crescita, in particulare à u bordu frontale di l'interfaccia di u cristallu di semente, ciò chì aiuta à riduce l'occorrenza di cambiamenti di fase durante u prucessu di crescita. À u listessu tempu, l'effettu d'isolamentu termicu di PG riduce l'occorrenza di ricristallizazione in a parte superiore di a materia prima finu à un certu puntu. Per a crescita di u cristallu, PG rallenta a velocità di crescita di u cristallu, ma l'interfaccia di crescita hè più convessa. Dunque, PG hè un mezzu efficace per migliurà l'ambiente di crescita di i cristalli di SiC è ottimizà a qualità di i cristalli.
Data di publicazione: 18 di ghjugnu 2024