El proceso básico deSicEl crecimiento de cristales se divide en sublimación y descomposición de materias primas a alta temperatura, transporte de sustancias en fase gaseosa bajo la acción de un gradiente de temperatura y crecimiento por recristalización de sustancias en fase gaseosa en el cristal semilla. Sobre esta base, el interior del crisol se divide en tres partes: área de materia prima, cámara de crecimiento y cristal semilla. Se elaboró un modelo de simulación numérica basado en la resistividad real.Sicequipo de crecimiento de monocristales (ver Figura 1). En el cálculo: la parte inferior delcrisolestá a 90 mm de la parte inferior del calentador lateral, la temperatura superior del crisol es de 2100 ℃, el diámetro de partícula de la materia prima es de 1000 μm, la porosidad es de 0,6, la presión de crecimiento es de 300 Pa y el tiempo de crecimiento es de 100 h. El espesor de PG es de 5 mm, el diámetro es igual al diámetro interior del crisol y está ubicado 30 mm por encima de la materia prima. Los procesos de sublimación, carbonización y recristalización de la zona de la materia prima se consideran en el cálculo, y la reacción entre PG y sustancias en fase gaseosa no se considera. Los parámetros de propiedades físicas relacionados con el cálculo se muestran en la Tabla 1.
Figura 1. Modelo de cálculo de simulación. (a) Modelo de campo térmico para la simulación del crecimiento de cristales; (b) División del área interna del crisol y problemas físicos relacionados.
Tabla 1. Algunos parámetros físicos utilizados en el cálculo.
La figura 2(a) muestra que la temperatura de la estructura que contiene PG (denominada estructura 1) es mayor que la de la estructura sin PG (denominada estructura 0) debajo de PG, y menor que la de la estructura 0 encima de PG. El gradiente de temperatura general aumenta, y PG actúa como un agente aislante térmico. Según las figuras 2(b) y 2(c), los gradientes de temperatura axial y radial de la estructura 1 en la zona de materia prima son menores, la distribución de temperatura es más uniforme y la sublimación del material es más completa. A diferencia de la zona de materia prima, la figura 2(c) muestra que el gradiente de temperatura radial en el cristal semilla de la estructura 1 es mayor, lo que puede deberse a las diferentes proporciones de los diferentes modos de transferencia de calor, lo que ayuda al cristal a crecer con una interfaz convexa. En la figura 2(d), la temperatura en diferentes posiciones en el crisol muestra una tendencia creciente a medida que avanza el crecimiento, pero la diferencia de temperatura entre la estructura 0 y la estructura 1 disminuye gradualmente en la zona de materia prima y aumenta gradualmente en la cámara de crecimiento.
Figura 2 Distribución de temperatura y cambios en el crisol. (a) Distribución de temperatura dentro del crisol de la estructura 0 (izquierda) y la estructura 1 (derecha) a las 0 h, unidad: ℃; (b) Distribución de temperatura en la línea central del crisol de la estructura 0 y la estructura 1 desde el fondo de la materia prima hasta el cristal semilla a las 0 h; (c) Distribución de temperatura desde el centro hasta el borde del crisol en la superficie del cristal semilla (A) y la superficie de la materia prima (B), medio (C) y fondo (D) a las 0 h, el eje horizontal r es el radio del cristal semilla para A, y el radio del área de la materia prima para B~D; (d) Cambios de temperatura en el centro de la parte superior (A), la superficie de la materia prima (B) y el medio (C) de la cámara de crecimiento de la estructura 0 y la estructura 1 a las 0, 30, 60 y 100 h.
La Figura 3 muestra el transporte de material en diferentes momentos en el crisol de la estructura 0 y la estructura 1. El caudal de material en fase gaseosa en el área de materia prima y la cámara de crecimiento aumenta con el aumento de la posición, y el transporte de material se debilita a medida que avanza el crecimiento. La Figura 3 también muestra que bajo las condiciones de simulación, la materia prima primero se grafitiza en la pared lateral del crisol y luego en el fondo del crisol. Además, hay recristalización en la superficie de la materia prima y se engrosa gradualmente a medida que avanza el crecimiento. Las Figuras 4(a) y 4(b) muestran que el caudal de material dentro de la materia prima disminuye a medida que avanza el crecimiento, y el caudal de material a las 100 h es aproximadamente el 50% del momento inicial; sin embargo, el caudal es relativamente grande en el borde debido a la grafitización de la materia prima, y el caudal en el borde es más de 10 veces el caudal en el área central a las 100 h; Además, el efecto de PG en la estructura 1 hace que la tasa de flujo de material en el área de materia prima de la estructura 1 sea menor que la de la estructura 0. En la Figura 4(c), el flujo de material tanto en el área de materia prima como en la cámara de crecimiento se debilita gradualmente a medida que avanza el crecimiento, y el flujo de material en el área de materia prima continúa disminuyendo, lo cual es causado por la apertura del canal de flujo de aire en el borde del crisol y la obstrucción de la recristalización en la parte superior; en la cámara de crecimiento, la tasa de flujo de material de la estructura 0 disminuye rápidamente en las primeras 30 h hasta el 16%, y solo disminuye en un 3% en el tiempo posterior, mientras que la estructura 1 permanece relativamente estable durante todo el proceso de crecimiento. Por lo tanto, PG ayuda a estabilizar la tasa de flujo de material en la cámara de crecimiento. La Figura 4(d) compara la tasa de flujo de material en el frente de crecimiento del cristal. En el momento inicial y a las 100 h, el transporte de material en la zona de crecimiento de la estructura 0 es más intenso que en la estructura 1, pero siempre existe una zona de alto caudal en el borde de la estructura 0, lo que provoca un crecimiento excesivo en dicho borde. La presencia de PG en la estructura 1 suprime eficazmente este fenómeno.
Figura 3. Flujo de material en el crisol. Líneas de corriente (izquierda) y vectores de velocidad (derecha) del transporte de material gaseoso en las estructuras 0 y 1 en diferentes momentos. Unidad del vector de velocidad: m/s.
Figura 4. Cambios en el caudal de material. (a) Cambios en la distribución del caudal de material en el centro de la materia prima de la estructura 0 a las 0, 30, 60 y 100 h, donde r es el radio del área de la materia prima; (b) Cambios en la distribución del caudal de material en el centro de la materia prima de la estructura 1 a las 0, 30, 60 y 100 h, donde r es el radio del área de la materia prima; (c) Cambios en el caudal de material dentro de la cámara de crecimiento (A, B) y dentro de la materia prima (C, D) de las estructuras 0 y 1 a lo largo del tiempo; (d) Distribución del caudal de material cerca de la superficie del cristal semilla de las estructuras 0 y 1 a las 0 y 100 h, donde r es el radio del cristal semilla.
La relación C/Si afecta la estabilidad cristalina y la densidad de defectos del crecimiento de cristales de SiC. La figura 5(a) compara la distribución de la relación C/Si de las dos estructuras en el momento inicial. La relación C/Si disminuye gradualmente desde la parte inferior hasta la superior del crisol, y la relación C/Si de la estructura 1 es siempre mayor que la de la estructura 0 en diferentes posiciones. Las figuras 5(b) y 5(c) muestran que la relación C/Si aumenta gradualmente con el crecimiento, lo cual está relacionado con el aumento de la temperatura interna en la etapa posterior del crecimiento, la mejora de la grafitización de la materia prima y la reacción de los componentes de Si en la fase gaseosa con el crisol de grafito. En la figura 5(d), las relaciones C/Si de la estructura 0 y la estructura 1 son bastante diferentes por debajo de PG (0, 25 mm), pero ligeramente diferentes por encima de PG (50 mm), y la diferencia aumenta gradualmente a medida que se acerca al cristal. En general, la relación C/Si de la estructura 1 es mayor, lo que ayuda a estabilizar la forma del cristal y reduce la probabilidad de transición de fase.
Figura 5 Distribución y cambios de la relación C/Si. (a) Distribución de la relación C/Si en crisoles de estructura 0 (izquierda) y estructura 1 (derecha) a las 0 h; (b) Relación C/Si a diferentes distancias de la línea central del crisol de estructura 0 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (c) Relación C/Si a diferentes distancias de la línea central del crisol de estructura 1 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparación de la relación C/Si a diferentes distancias (0, 25, 50, 75, 100 mm) de la línea central del crisol de estructura 0 (línea continua) y estructura 1 (línea discontinua) en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h).
La Figura 6 muestra los cambios en el diámetro de partícula y la porosidad de las regiones de materia prima de las dos estructuras. La figura muestra que el diámetro de la materia prima disminuye y la porosidad aumenta cerca de la pared del crisol, y la porosidad del borde continúa aumentando y el diámetro de partícula continúa disminuyendo a medida que avanza el crecimiento. La porosidad máxima del borde es de aproximadamente 0,99 a las 100 h, y el diámetro mínimo de partícula es de aproximadamente 300 μm. El diámetro de partícula aumenta y la porosidad disminuye en la superficie superior de la materia prima, lo que corresponde a la recristalización. El espesor del área de recristalización aumenta a medida que avanza el crecimiento, y el tamaño de partícula y la porosidad continúan cambiando. El diámetro máximo de partícula alcanza más de 1500 μm, y la porosidad mínima es 0,13. Además, dado que PG aumenta la temperatura del área de materia prima y la sobresaturación de gas es pequeña, el espesor de recristalización de la parte superior de la materia prima de la estructura 1 es pequeño, lo que mejora la tasa de utilización de la materia prima.
Figura 6. Cambios en el diámetro de partícula (izquierda) y la porosidad (derecha) del área de materia prima de la estructura 0 y la estructura 1 en diferentes momentos. Unidad de diámetro de partícula: μm.
La figura 7 muestra que la estructura 0 se deforma al inicio del crecimiento, lo que puede estar relacionado con el flujo excesivo de material causado por la grafitización del borde de la materia prima. El grado de deformación disminuye durante el proceso de crecimiento posterior, lo que corresponde al cambio en el flujo de material en el frente de crecimiento del cristal de la estructura 0 en la figura 4 (d). En la estructura 1, debido al efecto del PG, la interfaz del cristal no muestra deformación. Además, el PG también hace que la velocidad de crecimiento de la estructura 1 sea significativamente menor que la de la estructura 0. El espesor central del cristal de la estructura 1 después de 100 h es solo el 68% del de la estructura 0.
Figura 7 Cambios en la interfaz de los cristales de estructura 0 y estructura 1 a las 30, 60 y 100 h
El crecimiento del cristal se llevó a cabo bajo las condiciones del proceso de simulación numérica. Los cristales cultivados con la estructura 0 y la estructura 1 se muestran en la Figura 8(a) y la Figura 8(b), respectivamente. El cristal de la estructura 0 muestra una interfaz cóncava, con ondulaciones en el área central y una transición de fase en el borde. La convexidad de la superficie representa cierto grado de inhomogeneidad en el transporte de materiales en fase gaseosa, y la aparición de la transición de fase corresponde a la baja relación C/Si. La interfaz del cristal cultivado con la estructura 1 es ligeramente convexa, no se encuentra ninguna transición de fase y el espesor es el 65% del cristal sin PG. En general, los resultados del crecimiento del cristal corresponden a los resultados de la simulación, con una mayor diferencia de temperatura radial en la interfaz del cristal de la estructura 1, el crecimiento rápido en el borde se suprime y la velocidad de flujo de material general es más lenta. La tendencia general es consistente con los resultados de la simulación numérica.
Figura 8. Cristales de SiC cultivados bajo la estructura 0 y la estructura 1.
Conclusión
El PG favorece la mejora de la temperatura general del área de materia prima y la uniformidad de la temperatura axial y radial, promoviendo la sublimación y utilización completas de la materia prima; la diferencia de temperatura superior e inferior aumenta, y el gradiente radial de la superficie del cristal semilla aumenta, lo que ayuda a mantener el crecimiento de la interfaz convexa. En términos de transferencia de masa, la introducción de PG reduce la tasa de transferencia de masa general, el caudal de material en la cámara de crecimiento que contiene PG varía menos con el tiempo, y todo el proceso de crecimiento es más estable. Al mismo tiempo, el PG también inhibe eficazmente la ocurrencia de transferencia de masa excesiva en los bordes. Además, el PG también aumenta la relación C/Si del entorno de crecimiento, especialmente en el borde frontal de la interfaz del cristal semilla, lo que ayuda a reducir la ocurrencia de cambio de fase durante el proceso de crecimiento. Al mismo tiempo, el efecto de aislamiento térmico del PG reduce la ocurrencia de recristalización en la parte superior de la materia prima hasta cierto punto. Para el crecimiento del cristal, el PG ralentiza la tasa de crecimiento del cristal, pero la interfaz de crecimiento es más convexa. Por lo tanto, el PG es un medio eficaz para mejorar el entorno de crecimiento de los cristales de SiC y optimizar la calidad de los cristales.
Fecha de publicación: 18 de junio de 2024