El proceso básico deSicEl crecimiento cristalino se divide en sublimación y descomposición de materias primas a alta temperatura, transporte de sustancias en fase gaseosa bajo la acción del gradiente de temperatura y crecimiento por recristalización de sustancias en fase gaseosa en el cristal semilla. En base a esto, el interior del crisol se divide en tres partes: área de materia prima, cámara de crecimiento y cristal semilla. Se diseñó un modelo de simulación numérica basado en la resistividad real.SicEquipo de crecimiento de monocristales (ver Figura 1). En el cálculo: la parte inferior delcrisolLa temperatura máxima del crisol es de 2100 °C, el diámetro de la 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 del PG es de 5 mm, su diámetro es igual al diámetro interior del crisol y se encuentra 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 no se considera la reacción entre el PG y las sustancias en fase gaseosa. Los parámetros de las 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 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 (denotada como estructura 1) es mayor que la de la estructura libre de PG (denotada como estructura 0) por debajo del PG, e menor que la de la estructura 0 por encima del PG. El gradiente de temperatura general aumenta y el PG actúa como 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), el medio (C) y el 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 estructura 0 y estructura 1. El caudal de material en fase gaseosa en el área de la materia prima y la cámara de crecimiento aumenta con el aumento de la posición, y el transporte de material se debilita a medida que progresa el crecimiento. La Figura 3 también muestra que, en las condiciones de simulación, la materia prima primero se grafitiza en la pared lateral del crisol y luego en el fondo del mismo. Además, hay recristalización en la superficie de la materia prima y se espesa gradualmente a medida que progresa el crecimiento. Las Figuras 4(a) y 4(b) muestran que el caudal de material dentro de la materia prima disminuye a medida que progresa el crecimiento, y el caudal de material a las 100 h es de 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 mayor que el caudal en el área media a las 100 h; Además, el efecto del PG en la estructura 1 hace que el caudal de material en el área de materia prima de la estructura 1 sea menor que el 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 progresa 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, el caudal de material de la estructura 0 disminuye rápidamente en las 30 h iniciales al 16%, y solo disminuye un 3% en el tiempo posterior, mientras que la estructura 1 permanece relativamente estable durante todo el proceso de crecimiento. Por lo tanto, el PG ayuda a estabilizar el caudal de material en la cámara de crecimiento. La Figura 4(d) compara el caudal 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 alta velocidad de flujo 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 instantes. 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, 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, 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, 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 base hasta la cima del crisol, y la relación C/Si de la estructura 1 siempre es 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 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 aproxima al cristal. En general, la relación C/Si de la estructura 1 es mayor, lo que ayuda a estabilizar la forma cristalina y a reducir 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 tiempos (0, 30, 60, 100 h); (c) Relación C/Si a diferentes distancias de la línea central del crisol de estructura 1 en diferentes tiempos (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 tiempos (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 de 0,13. Además, dado que el PG aumenta la temperatura del área de la materia prima y la sobresaturación del 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 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 cual podría estar relacionado con el exceso de flujo de material causado por la grafitización del borde de la materia prima. El grado de deformación se debilita durante el proceso de crecimiento posterior, lo que corresponde al cambio en el flujo de material al inicio del crecimiento cristalino de la estructura 0 en la Figura 4 (d). En la estructura 1, debido al efecto del PG, la interfaz cristalina no presenta deformación. Además, el PG también reduce significativamente la velocidad de crecimiento de la estructura 1 en comparación con 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 30, 60 y 100 h
El crecimiento del cristal se llevó a cabo bajo las condiciones del proceso de simulación numérica. Los cristales cultivados por 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 un cierto grado de inhomogeneidad en el transporte de materiales en fase gaseosa, y la ocurrencia de la transición de fase corresponde a la baja relación C/Si. La interfaz del cristal cultivado por la estructura 1 es ligeramente convexa, no se encuentra transición de fase y el espesor es del 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, se suprime el crecimiento rápido en el borde y la velocidad general del flujo del material 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 mejora la temperatura general del área de la materia prima y la uniformidad de la temperatura axial y radial, promoviendo así su sublimación y utilización completas. Aumenta la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior, y el gradiente radial de la superficie del cristal semilla, lo que contribuye a mantener el crecimiento en la interfaz convexa. En cuanto a la transferencia de masa, la introducción de PG reduce la tasa de transferencia de masa general, reduce la variación del caudal de material en la cámara de crecimiento que contiene PG con el tiempo y aumenta la estabilidad del proceso. Al mismo tiempo, el PG inhibe eficazmente la transferencia excesiva de masa en los bordes. Además, aumenta la relación C/Si del entorno de crecimiento, especialmente en el borde frontal de la interfaz del cristal semilla, lo que reduce la aparición de cambios de fase durante el proceso. Asimismo, el efecto de aislamiento térmico del PG reduce en cierta medida la recristalización en la parte superior de la materia prima. En el crecimiento de cristales, el PG ralentiza la tasa de crecimiento, 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.
Hora de publicación: 18 de junio de 2024