Den grundlæggende proces medSiCKrystalvækst er opdelt i sublimering og nedbrydning af råmaterialer ved høj temperatur, transport af gasfasestoffer under påvirkning af temperaturgradienter og omkrystallisationsvækst af gasfasestoffer ved podekrystallen. Baseret på dette er diglens indre opdelt i tre dele: råmaterialeområde, vækstkammer og podekrystal. En numerisk simuleringsmodel blev tegnet baseret på den faktiske resistiveSiCUdstyr til enkeltkrystalvækst (se figur 1). I beregningen: bunden afsmeltedigeler 90 mm væk fra bunden af sidevarmeren, diglens toptemperatur er 2100 ℃, råmaterialets partikeldiameter er 1000 μm, porøsiteten er 0,6, væksttrykket er 300 Pa, og væksttiden er 100 timer. PG-tykkelsen er 5 mm, diameteren er lig med diglens indre diameter, og den er placeret 30 mm over råmaterialet. Sublimerings-, karboniserings- og omkrystallisationsprocesserne i råmaterialezonen tages i betragtning i beregningen, og reaktionen mellem PG og gasfasestoffer tages ikke i betragtning. De beregningsrelaterede fysiske egenskabsparametre er vist i tabel 1.
Figur 1 Simuleringsberegningsmodel. (a) Termisk feltmodel til krystalvækstsimulering; (b) Opdeling af diglens indre areal og relaterede fysiske problemer
Tabel 1 Nogle fysiske parametre anvendt i beregningen
Figur 2(a) viser, at temperaturen i den PG-holdige struktur (betegnet som struktur 1) er højere end temperaturen i den PG-fri struktur (betegnet som struktur 0) under PG, og lavere end temperaturen i struktur 0 over PG. Den samlede temperaturgradient stiger, og PG fungerer som et varmeisolerende middel. Ifølge figur 2(b) og 2(c) er de aksiale og radiale temperaturgradienter i struktur 1 i råmaterialezonen mindre, temperaturfordelingen er mere ensartet, og sublimeringen af materialet er mere fuldstændig. I modsætning til råmaterialezonen viser figur 2(c), at den radiale temperaturgradient ved kimkrystallen i struktur 1 er større, hvilket kan skyldes de forskellige andele af forskellige varmeoverføringstilstande, hvilket hjælper krystallen med at vokse med en konveks grænseflade. I figur 2(d) viser temperaturen på forskellige positioner i diglen en stigende tendens, efterhånden som væksten skrider frem, men temperaturforskellen mellem struktur 0 og struktur 1 falder gradvist i råmaterialezonen og stiger gradvist i vækstkammeret.
Figur 2 Temperaturfordeling og ændringer i diglen. (a) Temperaturfordeling inde i diglen for struktur 0 (venstre) og struktur 1 (højre) ved 0 timer, enhed: ℃; (b) Temperaturfordeling på centerlinjen af diglen for struktur 0 og struktur 1 fra bunden af råmaterialet til kimkrystallen ved 0 timer; (c) Temperaturfordeling fra midten til kanten af diglen på kimkrystallens overflade (A) og råmaterialets overflade (B), midten (C) og bunden (D) ved 0 timer, den vandrette akse r er kimkrystallens radius for A og råmaterialets arealradius for B~D; (d) Temperaturændringer i midten af den øvre del (A), råmaterialets overflade (B) og midten (C) af vækstkammeret for struktur 0 og struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer.
Figur 3 viser materialetransporten på forskellige tidspunkter i diglen med struktur 0 og struktur 1. Gasfasematerialets strømningshastighed i råmaterialeområdet og vækstkammeret stiger med stigende position, og materialetransporten svækkes, efterhånden som væksten skrider frem. Figur 3 viser også, at råmaterialet under simuleringsbetingelserne først grafitiserer på diglens sidevæg og derefter på bunden af diglen. Derudover sker der omkrystallisation på overfladen af råmaterialet, og den fortykkes gradvist, efterhånden som væksten skrider frem. Figur 4(a) og 4(b) viser, at materialestrømningshastigheden inde i råmaterialet falder, efterhånden som væksten skrider frem, og materialestrømningshastigheden ved 100 timer er omkring 50 % af det oprindelige øjeblik; strømningshastigheden er dog relativt stor ved kanten på grund af grafitiseringen af råmaterialet, og strømningshastigheden ved kanten er mere end 10 gange større end strømningshastigheden i midterområdet ved 100 timer; Derudover gør effekten af PG i struktur 1 materialestrømningshastigheden i råmaterialeområdet i struktur 1 lavere end i struktur 0. I figur 4(c) svækkes materialestrømningen i både råmaterialeområdet og vækstkammeret gradvist, efterhånden som væksten skrider frem, og materialestrømningen i råmaterialeområdet fortsætter med at falde, hvilket skyldes åbningen af luftstrømningskanalen ved kanten af diglen og hindringen af omkrystallisation øverst. I vækstkammeret falder materialestrømningshastigheden i struktur 0 hurtigt i de første 30 timer til 16 % og falder kun med 3 % i den efterfølgende tid, mens struktur 1 forbliver relativt stabil gennem hele vækstprocessen. Derfor hjælper PG med at stabilisere materialestrømningshastigheden i vækstkammeret. Figur 4(d) sammenligner materialestrømningshastigheden ved krystalvækstfronten. I det indledende øjeblik og efter 100 timer er materialetransporten i vækstzonen for struktur 0 stærkere end i struktur 1, men der er altid et område med høj strømningshastighed ved kanten af struktur 0, hvilket fører til overdreven vækst ved kanten. Tilstedeværelsen af PG i struktur 1 undertrykker effektivt dette fænomen.
Figur 3 Materialestrømning i diglen. Strømningslinjer (venstre) og hastighedsvektorer (højre) for gasmaterialetransport i struktur 0 og 1 på forskellige tidspunkter, hastighedsvektorenhed: m/s
Figur 4 Ændringer i materialestrømningshastighed. (a) Ændringer i materialestrømningshastighedsfordelingen midt i råmaterialet i struktur 0 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radius af råmaterialeområdet; (b) Ændringer i materialestrømningshastighedsfordelingen midt i råmaterialet i struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radius af råmaterialeområdet; (c) Ændringer i materialestrømningshastigheden inde i vækstkammeret (A, B) og inde i råmaterialet (C, D) i struktur 0 og 1 over tid; (d) Materialestrømningshastighedsfordeling nær kimkrystaloverfladen i struktur 0 og 1 ved 0 og 100 timer, r er kimkrystalens radius
C/Si påvirker den krystallinske stabilitet og defektdensiteten af SiC-krystalvækst. Figur 5(a) sammenligner C/Si-forholdsfordelingen for de to strukturer i det indledende øjeblik. C/Si-forholdet falder gradvist fra bunden til toppen af diglen, og C/Si-forholdet for struktur 1 er altid højere end for struktur 0 på forskellige positioner. Figur 5(b) og 5(c) viser, at C/Si-forholdet gradvist stiger med væksten, hvilket er relateret til stigningen i den indre temperatur i det senere vækststadium, forbedringen af råmaterialets grafitisering og reaktionen af Si-komponenter i gasfasen med grafitdiglen. I figur 5(d) er C/Si-forholdene for struktur 0 og struktur 1 ret forskellige under PG (0, 25 mm), men lidt forskellige over PG (50 mm), og forskellen øges gradvist, når krystallen nærmer sig. Generelt er C/Si-forholdet for struktur 1 højere, hvilket hjælper med at stabilisere krystalformen og reducere sandsynligheden for faseovergang.
Figur 5 Fordeling og ændringer af C/Si-forhold. (a) C/Si-forholdsfordeling i digler af struktur 0 (venstre) og struktur 1 (højre) ved 0 timer; (b) C/Si-forhold i forskellige afstande fra centerlinjen af diglen af struktur 0 på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer); (c) C/Si-forhold i forskellige afstande fra centerlinjen af diglen af struktur 1 på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer); (d) Sammenligning af C/Si-forhold i forskellige afstande (0, 25, 50, 75, 100 mm) fra centerlinjen af diglen af struktur 0 (fuld linje) og struktur 1 (stiplet linje) på forskellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 timer).
Figur 6 viser ændringerne i partikeldiameter og porøsitet i råmaterialeområderne i de to strukturer. Figuren viser, at råmaterialediameteren falder, og porøsiteten stiger nær digelvæggen, og kantporøsiteten fortsætter med at stige, og partikeldiameteren fortsætter med at falde, efterhånden som væksten skrider frem. Den maksimale kantporøsitet er omkring 0,99 efter 100 timer, og den minimale partikeldiameter er omkring 300 μm. Partikeldiameteren stiger, og porøsiteten falder på den øvre overflade af råmaterialet, hvilket svarer til omkrystallisation. Tykkelsen af omkrystallisationsområdet stiger, efterhånden som væksten skrider frem, og partikelstørrelsen og porøsiteten fortsætter med at ændre sig. Den maksimale partikeldiameter når mere end 1500 μm, og den minimale porøsitet er 0,13. Derudover, da PG øger temperaturen i råmaterialeområdet, og gasovermætningen er lille, er omkrystallisationstykkelsen af den øvre del af råmaterialet i struktur 1 lille, hvilket forbedrer råmaterialeudnyttelsesgraden.
Figur 6 Ændringer i partikeldiameter (venstre) og porøsitet (højre) af råmaterialeområdet for struktur 0 og struktur 1 på forskellige tidspunkter, partikeldiameterenhed: μm
Figur 7 viser, at struktur 0 vrider sig i begyndelsen af væksten, hvilket kan være relateret til den for store materialestrømningshastighed forårsaget af grafitiseringen af råmaterialekanten. Graden af vridning svækkes under den efterfølgende vækstproces, hvilket svarer til ændringen i materialestrømningshastigheden foran krystalvæksten i struktur 0 i figur 4 (d). I struktur 1 viser krystalgrænsefladen ikke vridning på grund af effekten af PG. Derudover gør PG også væksthastigheden for struktur 1 betydeligt lavere end for struktur 0. Centertykkelsen af krystallen i struktur 1 efter 100 timer er kun 68 % af den for struktur 0.
Figur 7 Grænsefladeændringer mellem struktur 0- og struktur 1-krystaller ved 30, 60 og 100 timer
Krystalvæksten blev udført under procesbetingelserne i numerisk simulering. Krystallerne dyrket af struktur 0 og struktur 1 er vist i henholdsvis figur 8(a) og figur 8(b). Krystallen af struktur 0 viser en konkav grænseflade med bølger i det centrale område og en faseovergang ved kanten. Overfladekonveksiteten repræsenterer en vis grad af inhomogenitet i transporten af gasfasematerialer, og forekomsten af faseovergang svarer til det lave C/Si-forhold. Grænsefladen for krystallen dyrket af struktur 1 er let konveks, der findes ingen faseovergang, og tykkelsen er 65% af krystallen uden PG. Generelt svarer krystalvækstresultaterne til simuleringsresultaterne, med en større radial temperaturforskel ved krystalgrænsefladen af struktur 1, den hurtige vækst ved kanten undertrykkes, og den samlede materialestrømningshastighed er langsommere. Den overordnede tendens er i overensstemmelse med de numeriske simuleringsresultater.
Figur 8 SiC-krystaller dyrket under struktur 0 og struktur 1
Konklusion
PG bidrager til forbedringen af den samlede temperatur i råmaterialeområdet og forbedringen af den aksiale og radiale temperaturensartethed, hvilket fremmer fuld sublimering og udnyttelse af råmaterialet; temperaturforskellen mellem toppen og bunden øges, og den radiale gradient af kimkrystaloverfladen øges, hvilket hjælper med at opretholde den konvekse grænsefladevækst. Med hensyn til masseoverførsel reducerer introduktionen af PG den samlede masseoverførselshastighed, materialestrømningshastigheden i vækstkammeret, der indeholder PG, ændrer sig mindre med tiden, og hele vækstprocessen er mere stabil. Samtidig hæmmer PG også effektivt forekomsten af overdreven kantmasseoverførsel. Derudover øger PG også C/Si-forholdet i vækstmiljøet, især ved forkanten af kimkrystalgrænsefladen, hvilket hjælper med at reducere forekomsten af faseændringer under vækstprocessen. Samtidig reducerer PG's termiske isoleringseffekt forekomsten af omkrystallisation i den øvre del af råmaterialet i et vist omfang. For krystalvækst bremser PG krystalvæksthastigheden, men vækstgrænsefladen er mere konveks. Derfor er PG et effektivt middel til at forbedre vækstmiljøet for SiC-krystaller og optimere krystalkvaliteten.
Opslagstidspunkt: 18. juni 2024