Základní procesSiCRůst krystalů se dělí na sublimaci a rozklad surovin při vysoké teplotě, transport látek v plynné fázi působením teplotního gradientu a rekrystalizační růst látek v plynné fázi na zárodečném krystalu. Na základě toho je vnitřek kelímku rozdělen na tři části: oblast surovin, růstovou komoru a zárodečný krystal. Na základě skutečného odporu byl vytvořen numerický simulační model.SiCzařízení pro růst monokrystalů (viz obrázek 1). Ve výpočtu: spodní částkelímekje 90 mm od dna bočního ohřívače, horní teplota kelímku je 2100 ℃, průměr částic suroviny je 1000 μm, pórovitost je 0,6, růstový tlak je 300 Pa a doba růstu je 100 h. Tloušťka PG je 5 mm, průměr se rovná vnitřnímu průměru kelímku a je umístěn 30 mm nad surovinou. Ve výpočtu jsou zohledněny procesy sublimace, karbonizace a rekrystalizace zóny suroviny a reakce mezi PG a látkami v plynné fázi není zohledněna. Parametry fyzikálních vlastností související s výpočtem jsou uvedeny v tabulce 1.
Obrázek 1 Simulační výpočetní model. (a) Model tepelného pole pro simulaci růstu krystalů; (b) Dělení vnitřního prostoru kelímku a související fyzikální problémy
Tabulka 1 Některé fyzikální parametry použité ve výpočtu
Obrázek 2(a) ukazuje, že teplota struktury obsahující PG (označené jako struktura 1) je vyšší než teplota struktury bez PG (označené jako struktura 0) pod PG a nižší než teplota struktury 0 nad PG. Celkový teplotní gradient se zvyšuje a PG působí jako tepelně izolační činidlo. Podle obrázků 2(b) a 2(c) jsou axiální a radiální teplotní gradienty struktury 1 v zóně suroviny menší, rozložení teploty je rovnoměrnější a sublimace materiálu je úplnější. Na rozdíl od zóny suroviny obrázek 2(c) ukazuje, že radiální teplotní gradient u zárodečného krystalu struktury 1 je větší, což může být způsobeno různými podíly různých režimů přenosu tepla, což napomáhá růstu krystalu s konvexním rozhraním. Na obrázku 2(d) vykazuje teplota v různých polohách kelímku rostoucí trend s postupujícím růstem, ale teplotní rozdíl mezi strukturou 0 a strukturou 1 se v zóně suroviny postupně snižuje a v růstové komoře se postupně zvyšuje.
Obrázek 2 Rozložení teploty a změny v kelímku. (a) Rozložení teploty uvnitř kelímku struktury 0 (vlevo) a struktury 1 (vpravo) v čase 0 h, jednotka: ℃; (b) Rozložení teploty na středové ose kelímku struktury 0 a struktury 1 od dna suroviny k zárodečnému krystalu v čase 0 h; (c) Rozložení teploty od středu k okraji kelímku na povrchu zárodečného krystalu (A) a povrchu suroviny (B), středu (C) a spodku (D) v čase 0 h, vodorovná osa r je poloměr zárodečného krystalu pro A a poloměr plochy suroviny pro B~D; (d) Změny teploty ve středu horní části (A), na povrchu suroviny (B) a uprostřed (C) růstové komory struktury 0 a struktury 1 v čase 0, 30, 60 a 100 h.
Obrázek 3 ukazuje transport materiálu v různých časech v kelímku struktury 0 a struktury 1. Průtok materiálu v plynné fázi v oblasti suroviny a růstové komoře se zvyšuje se zvyšující se polohou a transport materiálu slábne s postupujícím růstem. Obrázek 3 také ukazuje, že za simulačních podmínek surovina nejprve grafitizuje na boční stěně kelímku a poté na dně kelímku. Kromě toho dochází k rekrystalizaci na povrchu suroviny a ta postupně houstne s postupujícím růstem. Obrázky 4(a) a 4(b) ukazují, že průtok materiálu uvnitř suroviny se s postupujícím růstem snižuje a průtok materiálu po 100 hodinách je asi 50 % počátečního okamžiku; průtok je však na okraji relativně velký v důsledku grafitizace suroviny a průtok na okraji je více než 10krát vyšší než průtok ve střední oblasti po 100 hodinách; Kromě toho vliv PG ve struktuře 1 snižuje rychlost toku materiálu v oblasti suroviny struktury 1 než u struktury 0. Na obrázku 4(c) tok materiálu jak v oblasti suroviny, tak v růstové komoře postupně slábne s postupujícím růstem a tok materiálu v oblasti suroviny se dále snižuje, což je způsobeno otevřením kanálu pro proudění vzduchu na okraji kelímku a překážkou rekrystalizace v horní části; v růstové komoře rychlost toku materiálu struktury 0 v prvních 30 hodinách prudce klesá na 16 % a v následující době se snižuje pouze o 3 %, zatímco struktura 1 zůstává po celou dobu růstu relativně stabilní. PG proto pomáhá stabilizovat rychlost toku materiálu v růstové komoře. Obrázek 4(d) porovnává rychlost toku materiálu na frontě růstu krystalů. V počátečním okamžiku a po 100 hodinách je transport materiálu v růstové zóně struktury 0 silnější než ve struktuře 1, ale na okraji struktury 0 je vždy oblast s vysokou rychlostí proudění, což vede k nadměrnému růstu na okraji. Přítomnost PG ve struktuře 1 tento jev účinně potlačuje.
Obrázek 3 Tok materiálu v kelímku. Proudnice (vlevo) a vektory rychlosti (vpravo) transportu plynného materiálu ve strukturách 0 a 1 v různých časech, jednotka vektoru rychlosti: m/s
Obrázek 4 Změny v průtoku materiálu. (a) Změny v rozložení průtoku materiálu uprostřed suroviny struktury 0 v čase 0, 30, 60 a 100 h, r je poloměr oblasti suroviny; (b) Změny v rozložení průtoku materiálu uprostřed suroviny struktury 1 v čase 0, 30, 60 a 100 h, r je poloměr oblasti suroviny; (c) Změny průtoku materiálu uvnitř růstové komory (A, B) a uvnitř suroviny (C, D) struktur 0 a 1 v čase; (d) Rozložení průtoku materiálu v blízkosti povrchu zárodečného krystalu struktur 0 a 1 v čase 0 a 100 h, r je poloměr zárodečného krystalu
C/Si ovlivňuje krystalickou stabilitu a hustotu defektů růstu krystalů SiC. Obrázek 5(a) porovnává rozložení poměru C/Si obou struktur v počátečním okamžiku. Poměr C/Si postupně klesá od dna kelímku k vrcholu a poměr C/Si struktury 1 je vždy vyšší než poměr struktury 0 v různých polohách. Obrázky 5(b) a 5(c) ukazují, že poměr C/Si se s růstem postupně zvyšuje, což souvisí se zvýšením vnitřní teploty v pozdější fázi růstu, zvýšením grafitizace suroviny a reakcí složek Si v plynné fázi s grafitovým kelímkem. Na obrázku 5(d) se poměry C/Si struktury 0 a struktury 1 značně liší pod PG (0, 25 mm), ale mírně se liší nad PG (50 mm) a rozdíl se postupně zvětšuje s přiblížením ke krystalu. Obecně je poměr C/Si struktury 1 vyšší, což pomáhá stabilizovat krystalovou formu a snižuje pravděpodobnost fázového přechodu.
Obrázek 5 Rozložení a změny poměru C/Si. (a) Rozložení poměru C/Si v kelímcích struktury 0 (vlevo) a struktury 1 (vpravo) v čase 0 h; (b) Poměr C/Si v různých vzdálenostech od středové čáry kelímku struktury 0 v různých časech (0, 30, 60, 100 h); (c) Poměr C/Si v různých vzdálenostech od středové čáry kelímku struktury 1 v různých časech (0, 30, 60, 100 h); (d) Porovnání poměru C/Si v různých vzdálenostech (0, 25, 50, 75, 100 mm) od středové čáry kelímku struktury 0 (plná čára) a struktury 1 (čárkovaná čára) v různých časech (0, 30, 60, 100 h).
Obrázek 6 ukazuje změny průměru částic a pórovitosti oblastí suroviny obou struktur. Obrázek ukazuje, že průměr suroviny se zmenšuje a pórovitost se zvětšuje v blízkosti stěny kelímku, přičemž pórovitost okrajů se s postupujícím růstem dále zvětšuje a průměr částic se dále zmenšuje. Maximální pórovitost okrajů je po 100 hodinách přibližně 0,99 a minimální průměr částic je přibližně 300 μm. Průměr částic se zvětšuje a pórovitost se snižuje na horním povrchu suroviny, což odpovídá rekrystalizaci. Tloušťka oblasti rekrystalizace se s postupujícím růstem zvětšuje a velikost a pórovitost částic se dále mění. Maximální průměr částic dosahuje více než 1500 μm a minimální pórovitost je 0,13. Kromě toho, protože PG zvyšuje teplotu oblasti suroviny a přesycení plynem je malé, je tloušťka rekrystalizace horní části suroviny struktury 1 malá, což zlepšuje míru využití suroviny.
Obrázek 6 Změny průměru částic (vlevo) a pórovitosti (vpravo) v oblasti suroviny struktury 0 a struktury 1 v různých časech, jednotka průměru částic: μm
Obrázek 7 ukazuje, že struktura 0 se na začátku růstu deformuje, což může souviset s nadměrným tokem materiálu způsobeným grafitizací okraje suroviny. Stupeň deformace se během následného procesu růstu oslabuje, což odpovídá změně toku materiálu na začátku růstu krystalu struktury 0 na obrázku 4 (d). U struktury 1 se v důsledku vlivu PG krystalové rozhraní deformuje. PG navíc také výrazně snižuje rychlost růstu struktury 1 oproti struktuře 0. Středová tloušťka krystalu struktury 1 po 100 hodinách je pouze 68 % tloušťky struktury 0.
Obrázek 7 Změny rozhraní krystalů struktury 0 a struktury 1 po 30, 60 a 100 hodinách
Růst krystalů byl proveden za procesních podmínek numerické simulace. Krystaly vypěstované strukturou 0 a strukturou 1 jsou znázorněny na obrázku 8(a) a obrázku 8(b). Krystal struktury 0 vykazuje konkávní rozhraní s vlněním ve střední oblasti a fázovým přechodem na okraji. Povrchová konvexnost představuje určitý stupeň nehomogenity v transportu materiálů v plynné fázi a výskyt fázového přechodu odpovídá nízkému poměru C/Si. Rozhraní krystalu vypěstovaného strukturou 1 je mírně konvexní, není zde zjištěn žádný fázový přechod a tloušťka je 65 % tloušťky krystalu bez PG. Obecně výsledky růstu krystalů odpovídají výsledkům simulace, s větším radiálním teplotním rozdílem na krystalovém rozhraní struktury 1 je rychlý růst na okraji potlačen a celková rychlost toku materiálu je pomalejší. Celkový trend je v souladu s výsledky numerické simulace.
Obrázek 8 Krystaly SiC vypěstované za struktury 0 a struktury 1
Závěr
PG přispívá ke zlepšení celkové teploty v oblasti suroviny a ke zlepšení axiální a radiální teplotní uniformity, což podporuje plnou sublimaci a využití suroviny; zvyšuje se teplotní rozdíl mezi horní a spodní stranou a zvyšuje se radiální gradient povrchu semenného krystalu, což pomáhá udržovat růst konvexního rozhraní. Z hlediska přenosu hmoty snižuje zavedení PG celkovou rychlost přenosu hmoty, průtok materiálu v růstové komoře obsahující PG se s časem mění méně a celý proces růstu je stabilnější. Zároveň PG také účinně inhibuje výskyt nadměrného přenosu hmoty na okrajích. Kromě toho PG také zvyšuje poměr C/Si v růstovém prostředí, zejména na přední hraně rozhraní semenného krystalu, což pomáhá snižovat výskyt fázových změn během procesu růstu. Zároveň tepelně izolační účinek PG do určité míry snižuje výskyt rekrystalizace v horní části suroviny. Pro růst krystalů PG zpomaluje rychlost růstu krystalů, ale růstové rozhraní je konvexnější. PG je proto účinným prostředkem pro zlepšení růstového prostředí krystalů SiC a optimalizaci kvality krystalů.
Čas zveřejnění: 18. června 2024