It basisproses fanSiCKristalgroei wurdt ferdield yn sublimaasje en ûntbining fan grûnstoffen by hege temperatuer, transport fan gasfaze-stoffen ûnder ynfloed fan temperatuergradiïnt, en rekristallisaasjegroei fan gasfaze-stoffen by it siedkristal. Op basis hjirfan wurdt it ynterieur fan 'e kroes ferdield yn trije dielen: grûnstofgebiet, groeikeamer en siedkristal. In numerike simulaasjemodel waard tekene op basis fan 'e werklike wjerstân.SiCienkristalgroeiapparatuer (sjoch figuer 1). Yn 'e berekkening: de ûnderkant fan 'ekroesis 90 mm fan 'e ûnderkant fan 'e sydferwaarmer ôf, de toptemperatuer fan 'e kroes is 2100 ℃, de diameter fan 'e rau materiaalpartikels is 1000 μm, de porositeit is 0.6, de groeidruk is 300 Pa, en de groeitiid is 100 oeren. De PG-dikte is 5 mm, de diameter is gelyk oan de binnendiameter fan 'e kroes, en it leit 30 mm boppe it rau materiaal. De sublimaasje-, karbonisaasje- en rekristallisaasjeprosessen fan 'e rau materiaalsône wurde yn 'e berekkening meinaam, en de reaksje tusken PG en gasfaze-stoffen wurdt net meinaam. De berekkeningsrelatearre fysike eigenskipsparameters wurde werjûn yn tabel 1.
Figuer 1 Simulaasjeberekkenmodel. (a) Termysk fjildmodel foar kristalgroeisimulaasje; (b) Ferdieling fan it ynterne gebiet fan 'e kroes en relatearre fysike problemen
Tabel 1 Guon fysike parameters dy't brûkt binne yn 'e berekkening
Figuer 2(a) lit sjen dat de temperatuer fan 'e PG-hâldende struktuer (oantsjutten as struktuer 1) heger is as dy fan 'e PG-frije struktuer (oantsjutten as struktuer 0) ûnder PG, en leger as dy fan struktuer 0 boppe PG. De algemiene temperatuergradiïnt nimt ta, en PG fungearret as in waarmte-isolearjend middel. Neffens figueren 2(b) en 2(c) binne de axiale en radiale temperatuergradiïnten fan struktuer 1 yn 'e grûnstofsône lytser, is de temperatuerferdieling unifoarmer, en is de sublimaasje fan it materiaal folsleiner. Oars as de grûnstofsône lit figuer 2(c) sjen dat de radiale temperatuergradiïnt by it siedkristal fan struktuer 1 grutter is, wat feroarsake wurde kin troch de ferskillende proporsjes fan ferskillende waarmte-oerdrachtmodi, wat de kristal helpt te groeien mei in konvekse ynterface. Yn figuer 2(d) lit de temperatuer op ferskate posysjes yn 'e kroes in tanimmende trend sjen as de groei foarútgiet, mar it temperatuerferskil tusken struktuer 0 en struktuer 1 nimt stadichoan ôf yn 'e grûnstofsône en nimt stadichoan ta yn 'e groeikeamer.
Figuer 2 Temperatuerferdieling en feroarings yn 'e kroes. (a) Temperatuerferdieling yn 'e kroes fan struktuer 0 (lofts) en struktuer 1 (rjochts) om 0 oere, ienheid: ℃; (b) Temperatuerferdieling op 'e sintrumline fan 'e kroes fan struktuer 0 en struktuer 1 fan 'e ûnderkant fan it rau materiaal oant it siedkristal om 0 oere; (c) Temperatuerferdieling fan it sintrum oant de râne fan 'e kroes op it siedkristaloerflak (A) en it rau materiaaloerflak (B), midden (C) en ûnderkant (D) om 0 oere, de horizontale as r is de radius fan it siedkristal foar A, en de radius fan it rau materiaalgebiet foar B~D; (d) Temperatuerferoarings yn it sintrum fan it boppeste diel (A), it rau materiaaloerflak (B) en it midden (C) fan 'e groeikeamer fan struktuer 0 en struktuer 1 om 0, 30, 60 en 100 oere.
Figuer 3 lit it materiaaltransport op ferskate tiden sjen yn 'e kroes fan struktuer 0 en struktuer 1. De streamsnelheid fan it gasfazemateriaal yn it rau materiaalgebiet en de groeikeamer nimt ta mei de tanimming fan posysje, en it materiaaltransport ferswakket as de groei foarútgiet. Figuer 3 lit ek sjen dat ûnder de simulaasjebetingsten it rau materiaal earst grafitisearret op 'e sydwand fan 'e kroes en dan op 'e ûnderkant fan 'e kroes. Derneist is der rekristallisaasje op it oerflak fan it rau materiaal en it wurdt stadichoan dikker as de groei foarútgiet. Figueren 4(a) en 4(b) litte sjen dat de materiaalstreamsnelheid yn it rau materiaal ôfnimt as de groei foarútgiet, en de materiaalstreamsnelheid by 100 oeren is sawat 50% fan it begjinmomint; de streamsnelheid is lykwols relatyf grut oan 'e râne fanwegen de grafitisaasje fan it rau materiaal, en de streamsnelheid oan 'e râne is mear as 10 kear dy fan 'e streamsnelheid yn it middelste gebiet by 100 oeren; derneist makket it effekt fan PG yn struktuer 1 de materiaalstreamsnelheid yn it grûnstofgebiet fan struktuer 1 leger as dy fan struktuer 0. Yn figuer 4(c) ferswakket de materiaalstream yn sawol it grûnstofgebiet as de groeikeamer stadichoan as de groei foarútgiet, en de materiaalstream yn it grûnstofgebiet bliuwt ôfnimme, wat feroarsake wurdt troch de iepening fan it luchtstreamkanaal oan 'e râne fan' e kroes en de obstruksje fan rekristallisaasje oan 'e boppekant; yn 'e groeikeamer nimt de materiaalstreamsnelheid fan struktuer 0 rap ôf yn 'e earste 30 oeren nei 16%, en nimt allinich mei 3% ôf yn' e folgjende tiid, wylst struktuer 1 relatyf stabyl bliuwt tidens it groeiproses. Dêrom helpt PG om de materiaalstreamsnelheid yn 'e groeikeamer te stabilisearjen. Figuer 4(d) fergeliket de materiaalstreamsnelheid oan it kristalgroeifront. Op it begjinmomint en nei 100 oeren is it materiaaltransport yn 'e groeisône fan struktuer 0 sterker as yn struktuer 1, mar der is altyd in gebiet mei in hege streamsnelheid oan 'e râne fan struktuer 0, wat liedt ta oermjittige groei oan 'e râne. De oanwêzigens fan PG yn struktuer 1 ûnderdrukt dit ferskynsel effektyf.
Figuer 3 Materiaalstream yn 'e kroes. Streamlinen (lofts) en snelheidsfektoren (rjochts) fan gasmateriaaltransport yn struktueren 0 en 1 op ferskillende tiden, snelheidsfektor-ienheid: m/s
Figuer 4 Feroarings yn materiaalstreamsnelheid. (a) Feroarings yn 'e ferdieling fan 'e materiaalstreamsnelheid yn 'e midden fan it rau materiaal fan struktuer 0 op 0, 30, 60 en 100 oeren, r is de radius fan it rau materiaalgebiet; (b) Feroarings yn 'e ferdieling fan 'e materiaalstreamsnelheid yn 'e midden fan it rau materiaal fan struktuer 1 op 0, 30, 60 en 100 oeren, r is de radius fan it rau materiaalgebiet; (c) Feroarings yn 'e materiaalstreamsnelheid yn 'e groeikeamer (A, B) en yn it rau materiaal (C, D) fan struktueren 0 en 1 oer tiid; (d) Ferdieling fan 'e materiaalstreamsnelheid tichtby it siedkristaloerflak fan struktueren 0 en 1 op 0 en 100 oeren, r is de radius fan it siedkristal
C/Si beynfloedet de kristallijne stabiliteit en defektdichtheid fan SiC-kristalgroei. Figuer 5(a) fergeliket de C/Si-ferhâldingsferdieling fan 'e twa struktueren op it begjinmomint. De C/Si-ferhâlding nimt stadichoan ôf fan 'e ûnderkant nei de boppekant fan 'e kroes, en de C/Si-ferhâlding fan struktuer 1 is altyd heger as dy fan struktuer 0 op ferskate posysjes. Figueren 5(b) en 5(c) litte sjen dat de C/Si-ferhâlding stadichoan tanimt mei groei, wat relatearre is oan 'e tanimming fan ynterne temperatuer yn 'e lettere faze fan groei, de ferbettering fan grafitisaasje fan grûnstoffen, en de reaksje fan Si-komponinten yn 'e gasfaze mei de grafytkroes. Yn figuer 5(d) binne de C/Si-ferhâldingen fan struktuer 0 en struktuer 1 frij oars ûnder PG (0, 25 mm), mar wat oars boppe PG (50 mm), en it ferskil nimt stadichoan ta as it it kristal benaderet. Yn 't algemien is de C/Si-ferhâlding fan struktuer 1 heger, wat helpt om de kristalfoarm te stabilisearjen en de kâns op faze-oergong te ferminderjen.
Figuer 5 Ferdieling en feroarings fan C/Si-ferhâlding. (a) C/Si-ferhâldingsferdieling yn kroezen fan struktuer 0 (lofts) en struktuer 1 (rjochts) op 0 oeren; (b) C/Si-ferhâlding op ferskillende ôfstannen fan 'e sintrumline fan 'e kroeze fan struktuer 0 op ferskillende tiden (0, 30, 60, 100 oeren); (c) C/Si-ferhâlding op ferskillende ôfstannen fan 'e sintrumline fan 'e kroeze fan struktuer 1 op ferskillende tiden (0, 30, 60, 100 oeren); (d) Ferliking fan C/Si-ferhâlding op ferskillende ôfstannen (0, 25, 50, 75, 100 mm) fan 'e sintrumline fan 'e kroeze fan struktuer 0 (fêste line) en struktuer 1 (stippele line) op ferskillende tiden (0, 30, 60, 100 oeren).
Figuer 6 lit de feroarings sjen yn dieltsjediameter en porositeit fan rau materiaalregio's fan 'e twa struktueren. De figuer lit sjen dat de diameter fan it rau materiaal ôfnimt en de porositeit tanimt tichtby de kroeswand, en de râneporositeit bliuwt tanimme en de dieltsjediameter bliuwt ôfnimme as de groei foarútgiet. De maksimale râneporositeit is sawat 0,99 nei 100 oeren, en de minimale dieltsjediameter is sawat 300 μm. De dieltsjediameter nimt ta en de porositeit nimt ôf op it boppeste oerflak fan it rau materiaal, wat oerienkomt mei rekristallisaasje. De dikte fan it rekristallisaasjegebiet nimt ta as de groei foarútgiet, en de dieltsjegrutte en porositeit bliuwe feroarje. De maksimale dieltsjediameter berikt mear as 1500 μm, en de minimale porositeit is 0,13. Derneist, om't PG de temperatuer fan it rau materiaalgebiet fergruttet en de gasoersaturaasje lyts is, is de rekristallisaasjedikte fan it boppeste diel fan it rau materiaal fan struktuer 1 lyts, wat de gebrûksgraad fan it rau materiaal ferbetteret.
Figuer 6 Feroarings yn dieltsjediameter (lofts) en porositeit (rjochts) fan it grûnstofgebiet fan struktuer 0 en struktuer 1 op ferskillende tiden, dieltsjediameter-ienheid: μm
Figuer 7 lit sjen dat struktuer 0 oan it begjin fan 'e groei ferfoarmet, wat mooglik te krijen hat mei de oermjittige materiaalstreamsnelheid feroarsake troch de grafitisearring fan 'e râne fan it rau materiaal. De mjitte fan ferfoarming wurdt ferswakke tidens it neifolgjende groeiproses, wat oerienkomt mei de feroaring yn materiaalstreamsnelheid oan 'e foarkant fan 'e kristalgroei fan struktuer 0 yn Figuer 4 (d). Yn struktuer 1, fanwegen it effekt fan PG, lit de kristalynterface gjin ferfoarming sjen. Derneist makket PG ek de groeisnelheid fan struktuer 1 signifikant leger as dy fan struktuer 0. De sintrumdikte fan 'e kristal fan struktuer 1 nei 100 oeren is mar 68% fan dy fan struktuer 0.
Figuer 7 Ynterfaceferoarings fan struktuer 0- en struktuer 1-kristallen nei 30, 60 en 100 oeren
Kristalgroei waard útfierd ûnder de prosesbetingsten fan numerike simulaasje. De kristallen dy't groeid binne troch struktuer 0 en struktuer 1 wurde werjûn yn figuer 8(a) en figuer 8(b), respektivelik. It kristal fan struktuer 0 toant in konkave ynterface, mei weagingen yn it sintrale gebiet en in faze-oergong oan 'e râne. De oerflakkonvexiteit fertsjintwurdiget in beskate mjitte fan inhomogeniteit yn it transport fan gasfazematerialen, en it foarkommen fan faze-oergong komt oerien mei de lege C/Si-ferhâlding. It ynterface fan it kristal dat groeid is troch struktuer 1 is wat konveks, gjin faze-oergong wurdt fûn, en de dikte is 65% fan it kristal sûnder PG. Yn 't algemien komme de kristalgroeiresultaten oerien mei de simulaasjeresultaten, mei in grutter radiaal temperatuerferskil by it kristalynterface fan struktuer 1, de rappe groei oan 'e râne wurdt ûnderdrukt, en de totale materiaalstreamsnelheid is stadiger. De algemiene trend is yn oerienstimming mei de numerike simulaasjeresultaten.
Figuer 8 SiC-kristallen groeid ûnder struktuer 0 en struktuer 1
Konklúzje
PG is geunstich foar de ferbettering fan 'e algemiene temperatuer fan it grûnstofgebiet en de ferbettering fan axiale en radiale temperatueruniformiteit, wêrtroch't de folsleine sublimaasje en gebrûk fan 'e grûnstof befoardere wurdt; it ferskil tusken de boppeste en ûnderste temperatuer nimt ta, en de radiale gradiënt fan it siedkristaloerflak nimt ta, wat helpt om de konvekse ynterfacegroei te behâlden. Wat massa-oerdracht oanbelanget, ferminderet de ynfiering fan PG de algemiene massa-oerdrachtsnelheid, feroaret de materiaalstreamsnelheid yn 'e groeikeamer dy't PG befettet minder mei de tiid, en is it heule groeiproses stabiler. Tagelyk remt PG ek effektyf it foarkommen fan oermjittige rânemassa-oerdracht. Derneist fergruttet PG ek de C/Si-ferhâlding fan 'e groeiomjouwing, foaral oan 'e foarkant fan 'e siedkristalynterface, wat helpt om it foarkommen fan fazeferoaring tidens it groeiproses te ferminderjen. Tagelyk ferminderet it termyske isolaasje-effekt fan PG it foarkommen fan rekristallisaasje yn it boppeste diel fan 'e grûnstof oant in bepaalde mjitte. Foar kristalgroei fertraget PG de kristalgroeisnelheid, mar de groeiynterface is konvekser. Dêrom is PG in effektyf middel om de groeiomjouwing fan SiC-kristallen te ferbetterjen en de kristalkwaliteit te optimalisearjen.
Pleatsingstiid: 18 juny 2024