Η βασική διαδικασία τουΟύτωΗ ανάπτυξη κρυστάλλων χωρίζεται σε εξάχνωση και αποσύνθεση πρώτων υλών σε υψηλή θερμοκρασία, μεταφορά ουσιών αέριας φάσης υπό την επίδραση της θερμοκρασιακής διαβάθμισης και ανάπτυξη ανακρυστάλλωσης ουσιών αέριας φάσης στον κρύσταλλο εμβολιασμού. Με βάση αυτό, το εσωτερικό του χωνευτηρίου χωρίζεται σε τρία μέρη: περιοχή πρώτης ύλης, θάλαμο ανάπτυξης και κρύσταλλο εμβολιασμού. Σχεδιάστηκε ένα αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης με βάση την πραγματική αντίσταση.Ούτωεξοπλισμό ανάπτυξης μονοκρυστάλλων (βλ. Σχήμα 1). Στον υπολογισμό: το κάτω μέρος τουχωνευτήριοβρίσκεται 90 mm μακριά από τον πυθμένα του πλευρικού θερμαντήρα, η θερμοκρασία κορυφής του χωνευτηρίου είναι 2100 ℃, η διάμετρος των σωματιδίων της πρώτης ύλης είναι 1000 μm, το πορώδες είναι 0,6, η πίεση ανάπτυξης είναι 300 Pa και ο χρόνος ανάπτυξης είναι 100 ώρες. Το πάχος του PG είναι 5 mm, η διάμετρος είναι ίση με την εσωτερική διάμετρο του χωνευτηρίου και βρίσκεται 30 mm πάνω από την πρώτη ύλη. Οι διεργασίες εξάχνωσης, ενανθράκωσης και ανακρυστάλλωσης της ζώνης της πρώτης ύλης λαμβάνονται υπόψη στον υπολογισμό και η αντίδραση μεταξύ του PG και των ουσιών αέριας φάσης δεν λαμβάνεται υπόψη. Οι παράμετροι φυσικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τον υπολογισμό παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.
Σχήμα 1 Μοντέλο υπολογισμού προσομοίωσης. (α) Μοντέλο θερμικού πεδίου για προσομοίωση ανάπτυξης κρυστάλλων· (β) Διαίρεση της εσωτερικής επιφάνειας του χωνευτηρίου και σχετικά φυσικά προβλήματα
Πίνακας 1 Ορισμένες φυσικές παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στον υπολογισμό
Το Σχήμα 2(α) δείχνει ότι η θερμοκρασία της δομής που περιέχει PG (που συμβολίζεται ως δομή 1) είναι υψηλότερη από αυτή της δομής χωρίς PG (που συμβολίζεται ως δομή 0) κάτω από την PG και χαμηλότερη από αυτή της δομής 0 πάνω από την PG. Η συνολική θερμοκρασιακή κλίση αυξάνεται και η PG δρα ως θερμομονωτικός παράγοντας. Σύμφωνα με τα Σχήματα 2(β) και 2(γ), οι αξονικές και ακτινικές θερμοκρασιακές κλίσεις της δομής 1 στη ζώνη πρώτης ύλης είναι μικρότερες, η κατανομή της θερμοκρασίας είναι πιο ομοιόμορφη και η εξάχνωση του υλικού είναι πιο ολοκληρωμένη. Σε αντίθεση με τη ζώνη πρώτης ύλης, το Σχήμα 2(γ) δείχνει ότι η ακτινική θερμοκρασιακή κλίση στον κρύσταλλο σπόρων της δομής 1 είναι μεγαλύτερη, η οποία μπορεί να οφείλεται στις διαφορετικές αναλογίες διαφορετικών τρόπων μεταφοράς θερμότητας, γεγονός που βοηθά τον κρύσταλλο να αναπτύσσεται με κυρτή διεπαφή. Στο Σχήμα 2(δ), η θερμοκρασία σε διαφορετικές θέσεις στο χωνευτήριο δείχνει αυξητική τάση καθώς η ανάπτυξη εξελίσσεται, αλλά η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της δομής 0 και της δομής 1 μειώνεται σταδιακά στη ζώνη πρώτης ύλης και αυξάνεται σταδιακά στον θάλαμο ανάπτυξης.
Σχήμα 2 Κατανομή θερμοκρασίας και μεταβολές στο χωνευτήριο. (α) Κατανομή θερμοκρασίας μέσα στο χωνευτήριο δομής 0 (αριστερά) και δομής 1 (δεξιά) στις 0 ώρες, μονάδα: ℃. (β) Κατανομή θερμοκρασίας στην κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου δομής 0 και δομής 1 από τον πυθμένα της πρώτης ύλης έως τον κρύσταλλο εμβολιασμού στις 0 ώρες. (γ) Κατανομή θερμοκρασίας από το κέντρο έως την άκρη του χωνευτηρίου στην επιφάνεια του κρυστάλλου εμβολιασμού (Α) και την επιφάνεια της πρώτης ύλης (Β), στη μέση (Γ) και στον πυθμένα (Δ) στις 0 ώρες, ο οριζόντιος άξονας r είναι η ακτίνα του κρυστάλλου εμβολιασμού για το Α και η ακτίνα της επιφάνειας της πρώτης ύλης για τα Β~Δ. (δ) Μεταβολές θερμοκρασίας στο κέντρο του άνω μέρους (Α), της επιφάνειας της πρώτης ύλης (Β) και στη μέση (Γ) του θαλάμου ανάπτυξης δομής 0 και δομής 1 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες.
Το Σχήμα 3 δείχνει τη μεταφορά υλικού σε διαφορετικούς χρόνους στο χωνευτήριο δομής 0 και δομής 1. Ο ρυθμός ροής υλικού αέριας φάσης στην περιοχή της πρώτης ύλης και στον θάλαμο ανάπτυξης αυξάνεται με την αύξηση της θέσης και η μεταφορά υλικού εξασθενεί καθώς προχωρά η ανάπτυξη. Το Σχήμα 3 δείχνει επίσης ότι υπό τις συνθήκες προσομοίωσης, η πρώτη ύλη αρχικά γραφιτοποιείται στο πλευρικό τοίχωμα του χωνευτηρίου και στη συνέχεια στον πυθμένα του χωνευτηρίου. Επιπλέον, υπάρχει ανακρυστάλλωση στην επιφάνεια της πρώτης ύλης και σταδιακά πυκνώνει καθώς προχωρά η ανάπτυξη. Τα Σχήματα 4(α) και 4(β) δείχνουν ότι ο ρυθμός ροής υλικού μέσα στην πρώτη ύλη μειώνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη και ο ρυθμός ροής υλικού στις 100 ώρες είναι περίπου 50% της αρχικής ροπής. Ωστόσο, ο ρυθμός ροής είναι σχετικά μεγάλος στην άκρη λόγω της γραφιτοποίησης της πρώτης ύλης και ο ρυθμός ροής στην άκρη είναι περισσότερο από 10 φορές μεγαλύτερος από τον ρυθμό ροής στην μεσαία περιοχή στις 100 ώρες. Επιπλέον, η επίδραση της PG στη δομή 1 καθιστά τον ρυθμό ροής υλικού στην περιοχή πρώτης ύλης της δομής 1 χαμηλότερο από αυτόν της δομής 0. Στο Σχήμα 4(c), η ροή υλικού τόσο στην περιοχή πρώτης ύλης όσο και στον θάλαμο ανάπτυξης σταδιακά εξασθενεί καθώς η ανάπτυξη εξελίσσεται και η ροή υλικού στην περιοχή πρώτης ύλης συνεχίζει να μειώνεται, κάτι που προκαλείται από το άνοιγμα του καναλιού ροής αέρα στην άκρη του χωνευτηρίου και την παρεμπόδιση της ανακρυστάλλωσης στην κορυφή. Στον θάλαμο ανάπτυξης, ο ρυθμός ροής υλικού της δομής 0 μειώνεται ταχέως στις αρχικές 30 ώρες στο 16% και μειώνεται μόνο κατά 3% στον επόμενο χρόνο, ενώ η δομή 1 παραμένει σχετικά σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης. Επομένως, η PG βοηθά στη σταθεροποίηση του ρυθμού ροής υλικού στον θάλαμο ανάπτυξης. Το Σχήμα 4(d) συγκρίνει τον ρυθμό ροής υλικού στο μέτωπο ανάπτυξης κρυστάλλων. Κατά την αρχική στιγμή και στις 100 ώρες, η μεταφορά υλικού στη ζώνη ανάπτυξης της δομής 0 είναι ισχυρότερη από αυτή στη δομή 1, αλλά υπάρχει πάντα μια περιοχή υψηλού ρυθμού ροής στην άκρη της δομής 0, η οποία οδηγεί σε υπερβολική ανάπτυξη στην άκρη. Η παρουσία PG στη δομή 1 καταστέλλει αποτελεσματικά αυτό το φαινόμενο.
Σχήμα 3 Ροή υλικού στο χωνευτήριο. Γραμμές ροής (αριστερά) και διανύσματα ταχύτητας (δεξιά) μεταφοράς αερίου υλικού σε δομές 0 και 1 σε διαφορετικούς χρόνους, μονάδα διανύσματος ταχύτητας: m/s
Σχήμα 4 Αλλαγές στον ρυθμό ροής υλικού. (α) Αλλαγές στην κατανομή του ρυθμού ροής υλικού στο μέσο της πρώτης ύλης της δομής 0 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες, r είναι η ακτίνα της περιοχής πρώτης ύλης· (β) Αλλαγές στην κατανομή του ρυθμού ροής υλικού στο μέσο της πρώτης ύλης της δομής 1 στις 0, 30, 60 και 100 ώρες, r είναι η ακτίνα της περιοχής πρώτης ύλης· (γ) Αλλαγές στον ρυθμό ροής υλικού εντός του θαλάμου ανάπτυξης (A, B) και εντός της πρώτης ύλης (C, D) των δομών 0 και 1 με την πάροδο του χρόνου· (δ) Κατανομή του ρυθμού ροής υλικού κοντά στην επιφάνεια του κρυστάλλου εκκίνησης των δομών 0 και 1 στις 0 και 100 ώρες, r είναι η ακτίνα του κρυστάλλου εκκίνησης
Το C/Si επηρεάζει την κρυσταλλική σταθερότητα και την πυκνότητα ελαττωμάτων στην ανάπτυξη κρυστάλλων SiC. Το Σχήμα 5(α) συγκρίνει την κατανομή της αναλογίας C/Si των δύο δομών στην αρχική στιγμή. Η αναλογία C/Si μειώνεται σταδιακά από τον πυθμένα προς την κορυφή του χωνευτηρίου και η αναλογία C/Si της δομής 1 είναι πάντα υψηλότερη από αυτήν της δομής 0 σε διαφορετικές θέσεις. Τα Σχήματα 5(β) και 5(γ) δείχνουν ότι η αναλογία C/Si αυξάνεται σταδιακά με την ανάπτυξη, η οποία σχετίζεται με την αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας στο μεταγενέστερο στάδιο της ανάπτυξης, την ενίσχυση της γραφιτοποίησης της πρώτης ύλης και την αντίδραση των συστατικών Si στην αέρια φάση με το χωνευτήριο γραφίτη. Στο Σχήμα 5(δ), οι αναλογίες C/Si της δομής 0 και της δομής 1 είναι αρκετά διαφορετικές κάτω από το PG (0,25 mm), αλλά ελαφρώς διαφορετικές πάνω από το PG (50 mm), και η διαφορά αυξάνεται σταδιακά καθώς πλησιάζει τον κρύσταλλο. Γενικά, η αναλογία C/Si της δομής 1 είναι υψηλότερη, γεγονός που βοηθά στη σταθεροποίηση της κρυσταλλικής μορφής και στη μείωση της πιθανότητας μετάβασης φάσης.
Σχήμα 5 Κατανομή και μεταβολές της αναλογίας C/Si. (α) Κατανομή της αναλογίας C/Si σε χωνευτήρια δομής 0 (αριστερά) και δομής 1 (δεξιά) στις 0 ώρες. (β) Λόγος C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου δομής 0 σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 ώρες). (γ) Λόγος C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου δομής 1 σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 ώρες). (δ) Σύγκριση της αναλογίας C/Si σε διαφορετικές αποστάσεις (0, 25, 50, 75, 100 mm) από την κεντρική γραμμή του χωνευτηρίου δομής 0 (συνεχής γραμμή) και δομής 1 (διακεκομμένη γραμμή) σε διαφορετικούς χρόνους (0, 30, 60, 100 ώρες).
Το Σχήμα 6 δείχνει τις αλλαγές στη διάμετρο των σωματιδίων και το πορώδες των περιοχών πρώτης ύλης των δύο δομών. Το σχήμα δείχνει ότι η διάμετρος της πρώτης ύλης μειώνεται και το πορώδες αυξάνεται κοντά στο τοίχωμα του χωνευτηρίου, και το πορώδες της άκρης συνεχίζει να αυξάνεται και η διάμετρος των σωματιδίων συνεχίζει να μειώνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη. Το μέγιστο πορώδες της άκρης είναι περίπου 0,99 στις 100 ώρες και η ελάχιστη διάμετρος των σωματιδίων είναι περίπου 300 μm. Η διάμετρος των σωματιδίων αυξάνεται και το πορώδες μειώνεται στην άνω επιφάνεια της πρώτης ύλης, που αντιστοιχεί στην ανακρυστάλλωση. Το πάχος της περιοχής ανακρυστάλλωσης αυξάνεται καθώς προχωρά η ανάπτυξη και το μέγεθος των σωματιδίων και το πορώδες συνεχίζουν να αλλάζουν. Η μέγιστη διάμετρος των σωματιδίων φτάνει τα 1500 μm και το ελάχιστο πορώδες είναι 0,13. Επιπλέον, επειδή το PG αυξάνει τη θερμοκρασία της περιοχής πρώτης ύλης και ο υπερκορεσμός αερίου είναι μικρός, το πάχος ανακρυστάλλωσης του άνω μέρους της πρώτης ύλης της δομής 1 είναι μικρό, γεγονός που βελτιώνει τον ρυθμό αξιοποίησης της πρώτης ύλης.
Σχήμα 6 Αλλαγές στη διάμετρο των σωματιδίων (αριστερά) και στο πορώδες (δεξιά) της επιφάνειας πρώτης ύλης της δομής 0 και της δομής 1 σε διαφορετικούς χρόνους, μονάδα διαμέτρου σωματιδίων: μm
Το Σχήμα 7 δείχνει ότι η δομή 0 παραμορφώνεται στην αρχή της ανάπτυξης, κάτι που μπορεί να σχετίζεται με τον υπερβολικό ρυθμό ροής υλικού που προκαλείται από τη γραφιτοποίηση της άκρης της πρώτης ύλης. Ο βαθμός παραμόρφωσης εξασθενεί κατά την επακόλουθη διαδικασία ανάπτυξης, η οποία αντιστοιχεί στην αλλαγή στον ρυθμό ροής υλικού στο μπροστινό μέρος της κρυσταλλικής ανάπτυξης της δομής 0 στο Σχήμα 4 (δ). Στη δομή 1, λόγω της επίδρασης του PG, η κρυσταλλική διεπαφή δεν εμφανίζει παραμόρφωση. Επιπλέον, το PG καθιστά επίσης τον ρυθμό ανάπτυξης της δομής 1 σημαντικά χαμηλότερο από αυτόν της δομής 0. Το κεντρικό πάχος του κρυστάλλου της δομής 1 μετά από 100 ώρες είναι μόνο το 68% αυτού της δομής 0.
Σχήμα 7 Αλλαγές στη διεπιφάνεια των κρυστάλλων δομής 0 και δομής 1 στις 30, 60 και 100 ώρες
Η ανάπτυξη κρυστάλλων πραγματοποιήθηκε υπό τις συνθήκες διεργασίας της αριθμητικής προσομοίωσης. Οι κρύσταλλοι που αναπτύχθηκαν από τη δομή 0 και τη δομή 1 φαίνονται στο Σχήμα 8(α) και στο Σχήμα 8(β), αντίστοιχα. Ο κρύσταλλος της δομής 0 παρουσιάζει μια κοίλη διεπαφή, με κυματισμούς στην κεντρική περιοχή και μια μετάβαση φάσης στην άκρη. Η κυρτότητα της επιφάνειας αντιπροσωπεύει έναν ορισμένο βαθμό ανομοιογένειας στη μεταφορά υλικών αέριας φάσης και η εμφάνιση μετάβασης φάσης αντιστοιχεί στη χαμηλή αναλογία C/Si. Η διεπαφή του κρυστάλλου που αναπτύχθηκε από τη δομή 1 είναι ελαφρώς κυρτή, δεν παρατηρείται μετάβαση φάσης και το πάχος είναι 65% του κρυστάλλου χωρίς PG. Γενικά, τα αποτελέσματα ανάπτυξης κρυστάλλων αντιστοιχούν στα αποτελέσματα της προσομοίωσης, με μεγαλύτερη ακτινική διαφορά θερμοκρασίας στη διεπαφή κρυστάλλου της δομής 1, η ταχεία ανάπτυξη στην άκρη καταστέλλεται και ο συνολικός ρυθμός ροής υλικού είναι πιο αργός. Η συνολική τάση είναι σύμφωνη με τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης.
Σχήμα 8 Κρύσταλλοι SiC που αναπτύχθηκαν υπό δομή 0 και δομή 1
Σύναψη
Η PG συμβάλλει στη βελτίωση της συνολικής θερμοκρασίας της περιοχής της πρώτης ύλης και στη βελτίωση της αξονικής και ακτινικής ομοιομορφίας της θερμοκρασίας, προωθώντας την πλήρη εξάχνωση και αξιοποίηση της πρώτης ύλης. Η διαφορά θερμοκρασίας στην κορυφή και στο κάτω μέρος αυξάνεται και η ακτινική κλίση της επιφάνειας του κρυστάλλου σπόρου αυξάνεται, γεγονός που βοηθά στη διατήρηση της κυρτής ανάπτυξης της διεπαφής. Όσον αφορά τη μεταφορά μάζας, η εισαγωγή PG μειώνει τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς μάζας, ο ρυθμός ροής του υλικού στον θάλαμο ανάπτυξης που περιέχει PG αλλάζει λιγότερο με την πάροδο του χρόνου και ολόκληρη η διαδικασία ανάπτυξης είναι πιο σταθερή. Ταυτόχρονα, η PG αναστέλλει αποτελεσματικά την εμφάνιση υπερβολικής μεταφοράς μάζας στις άκρες. Επιπλέον, η PG αυξάνει επίσης την αναλογία C/Si του περιβάλλοντος ανάπτυξης, ειδικά στην μπροστινή άκρη της διεπαφής του κρυστάλλου σπόρου, γεγονός που βοηθά στη μείωση της εμφάνισης αλλαγής φάσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης. Ταυτόχρονα, η θερμομονωτική επίδραση της PG μειώνει την εμφάνιση ανακρυστάλλωσης στο άνω μέρος της πρώτης ύλης σε κάποιο βαθμό. Για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η PG επιβραδύνει τον ρυθμό ανάπτυξης των κρυστάλλων, αλλά η διεπαφή ανάπτυξης είναι πιο κυρτή. Επομένως, η PG είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για τη βελτίωση του περιβάλλοντος ανάπτυξης των κρυστάλλων SiC και τη βελτιστοποίηση της ποιότητας των κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: 18 Ιουνίου 2024