O proceso básico deSiCO crecemento cristalino divídese en sublimación e descomposición de materias primas a alta temperatura, transporte de substancias en fase gasosa baixo a acción do gradiente de temperatura e crecemento por recristalización de substancias en fase gasosa no cristal semente. Con base nisto, o interior do crisol divídese en tres partes: área de materia prima, cámara de crecemento e cristal semente. Debuxouse un modelo de simulación numérica baseado na resistencia realSiCequipo de crecemento de monocristais (véxase a Figura 1). No cálculo: a parte inferior docrisolestá a 90 mm da parte inferior do quentador lateral, a temperatura superior do crisol é de 2100 ℃, o diámetro das partículas da materia prima é de 1000 μm, a porosidade é de 0,6, a presión de crecemento é de 300 Pa e o tempo de crecemento é de 100 h. O grosor do PG é de 5 mm, o diámetro é igual ao diámetro interior do crisol e está situado 30 mm por riba da materia prima. Os procesos de sublimación, carbonización e recristalización da zona da materia prima considéranse no cálculo e a reacción entre o PG e as substancias en fase gasosa non se considera. Os parámetros das propiedades físicas relacionadas co cálculo móstranse na Táboa 1.
Figura 1 Modelo de cálculo da simulación. (a) Modelo de campo térmico para a simulación do crecemento cristalino; (b) División da área interna do crisol e problemas físicos relacionados
Táboa 1 Algúns parámetros físicos empregados no cálculo
A figura 2(a) mostra que a temperatura da estrutura que contén PG (denotada como estrutura 1) é maior que a da estrutura sen PG (denotada como estrutura 0) por debaixo de PG e menor que a da estrutura 0 por riba de PG. O gradiente de temperatura xeral aumenta e o PG actúa como un axente illante térmico. Segundo as figuras 2(b) e 2(c), os gradientes de temperatura axiais e radiais da estrutura 1 na zona de materia prima son menores, a distribución de temperatura é máis uniforme e a sublimación do material é máis completa. A diferenza da zona de materia prima, a figura 2(c) mostra que o gradiente de temperatura radial no cristal semente da estrutura 1 é maior, o que pode ser causado polas diferentes proporcións dos diferentes modos de transferencia de calor, o que axuda ao cristal a crecer cunha interface convexa. Na figura 2(d), a temperatura en diferentes posicións do crisol mostra unha tendencia crecente a medida que progresa o crecemento, pero a diferenza de temperatura entre a estrutura 0 e a estrutura 1 diminúe gradualmente na zona de materia prima e aumenta gradualmente na cámara de crecemento.
Figura 2 Distribución da temperatura e cambios no crisol. (a) Distribución da temperatura dentro do crisol da estrutura 0 (esquerda) e da estrutura 1 (dereita) ás 0 h, unidade: ℃; (b) Distribución da temperatura na liña central do crisol da estrutura 0 e da estrutura 1 desde a parte inferior da materia prima ata o cristal semente ás 0 h; (c) Distribución da temperatura desde o centro ata a beira do crisol na superficie do cristal semente (A) e na superficie da materia prima (B), no medio (C) e no inferior (D) ás 0 h, o eixe horizontal r é o raio do cristal semente para A e o raio da área da materia prima para B~D; (d) Cambios de temperatura no centro da parte superior (A), na superficie da materia prima (B) e no medio (C) da cámara de crecemento da estrutura 0 e da estrutura 1 ás 0, 30, 60 e 100 h.
A figura 3 mostra o transporte de material en diferentes momentos no crisol da estrutura 0 e a estrutura 1. O caudal de material en fase gasosa na área de materia prima e na cámara de crecemento aumenta co aumento da posición, e o transporte de material debilítase a medida que o crecemento progresa. A figura 3 tamén mostra que, nas condicións de simulación, a materia prima primeiro se grafitiza na parede lateral do crisol e despois na parte inferior do mesmo. Ademais, hai unha recristalización na superficie da materia prima e esta engrosa gradualmente a medida que o crecemento progresa. As figuras 4(a) e 4(b) mostran que o caudal de material dentro da materia prima diminúe a medida que o crecemento progresa, e o caudal de material ás 100 h é de aproximadamente o 50 % do momento inicial; non obstante, o caudal é relativamente grande no bordo debido á grafitización da materia prima, e o caudal no bordo é máis de 10 veces maior que o caudal na área central ás 100 h; Ademais, o efecto do PG na estrutura 1 fai que o caudal de material na área de materia prima da estrutura 1 sexa inferior ao da estrutura 0. Na Figura 4(c), o caudal de material tanto na área de materia prima como na cámara de crecemento debilítase gradualmente a medida que o crecemento avanza, e o caudal de material na área de materia prima continúa a diminuír, o que se debe á apertura do canal de fluxo de aire no bordo do crisol e á obstrución da recristalización na parte superior; na cámara de crecemento, o caudal de material da estrutura 0 diminúe rapidamente nas 30 h iniciais ata o 16 %, e só diminúe un 3 % no tempo posterior, mentres que a estrutura 1 permanece relativamente estable durante todo o proceso de crecemento. Polo tanto, o PG axuda a estabilizar o caudal de material na cámara de crecemento. A Figura 4(d) compara o caudal de material na fronte de crecemento do cristal. No momento inicial e ás 100 h, o transporte de material na zona de crecemento da estrutura 0 é máis forte que na estrutura 1, pero sempre hai unha zona de alta taxa de fluxo no bordo da estrutura 0, o que leva a un crecemento excesivo no bordo. A presenza de PG na estrutura 1 suprime eficazmente este fenómeno.
Figura 3 Fluxo de material no crisol. Liñas de corrente (esquerda) e vectores de velocidade (dereita) do transporte de material gasoso nas estruturas 0 e 1 en diferentes momentos, unidade do vector de velocidade: m/s
Figura 4 Cambios no caudal de material. (a) Cambios na distribución do caudal de material no medio da materia prima da estrutura 0 a 0, 30, 60 e 100 h, r é o radio da área da materia prima; (b) Cambios na distribución do caudal de material no medio da materia prima da estrutura 1 a 0, 30, 60 e 100 h, r é o radio da área da materia prima; (c) Cambios no caudal de material dentro da cámara de crecemento (A, B) e dentro da materia prima (C, D) das estruturas 0 e 1 ao longo do tempo; (d) Distribución do caudal de material preto da superficie do cristal semente das estruturas 0 e 1 a 0 e 100 h, r é o radio do cristal semente.
O C/Si afecta á estabilidade cristalina e á densidade de defectos do crecemento do cristal de SiC. A Figura 5(a) compara a distribución da relación C/Si das dúas estruturas no momento inicial. A relación C/Si diminúe gradualmente desde a parte inferior cara á superior do crisol, e a relación C/Si da estrutura 1 é sempre maior que a da estrutura 0 en diferentes posicións. As Figuras 5(b) e 5(c) mostran que a relación C/Si aumenta gradualmente co crecemento, o que está relacionado co aumento da temperatura interna na etapa posterior do crecemento, a mellora da grafitización da materia prima e a reacción dos compoñentes de Si na fase gasosa co crisol de grafito. Na Figura 5(d), as relacións C/Si da estrutura 0 e da estrutura 1 son bastante diferentes por debaixo de PG (0, 25 mm), pero lixeiramente diferentes por riba de PG (50 mm), e a diferenza aumenta gradualmente a medida que se achega ao cristal. En xeral, a relación C/Si da estrutura 1 é maior, o que axuda a estabilizar a forma cristalina e a reducir a probabilidade de transición de fase.
Figura 5 Distribución e cambios da relación C/Si. (a) Distribución da relación C/Si en crisois da estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (dereita) ás 0 h; (b) Relación C/Si a diferentes distancias da liña central do crisois da estrutura 0 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (c) Relación C/Si a diferentes distancias da liña central do crisois da estrutura 1 en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparación da relación C/Si a diferentes distancias (0, 25, 50, 75, 100 mm) da liña central do crisois da estrutura 0 (liña continua) e da estrutura 1 (liña descontinua) en diferentes momentos (0, 30, 60, 100 h).
A figura 6 mostra os cambios no diámetro das partículas e na porosidade das rexións de materia prima das dúas estruturas. A figura mostra que o diámetro da materia prima diminúe e a porosidade aumenta preto da parede do crisol, e a porosidade do bordo continúa a aumentar e o diámetro das partículas continúa a diminuír a medida que o crecemento progresa. A porosidade máxima do bordo é de aproximadamente 0,99 ás 100 h, e o diámetro mínimo das partículas é de aproximadamente 300 μm. O diámetro das partículas aumenta e a porosidade diminúe na superficie superior da materia prima, o que corresponde á recristalización. O grosor da área de recristalización aumenta a medida que o crecemento progresa, e o tamaño das partículas e a porosidade continúan a cambiar. O diámetro máximo das partículas alcanza máis de 1500 μm, e a porosidade mínima é de 0,13. Ademais, dado que o PG aumenta a temperatura da área da materia prima e a sobresaturación de gas é pequena, o grosor de recristalización da parte superior da materia prima da estrutura 1 é pequeno, o que mellora a taxa de utilización da materia prima.
Figura 6 Cambios no diámetro das partículas (esquerda) e na porosidade (dereita) da área de materia prima da estrutura 0 e da estrutura 1 en diferentes momentos, unidade de diámetro das partículas: μm
A figura 7 mostra que a estrutura 0 se deforma ao comezo do crecemento, o que pode estar relacionado co excesivo caudal de material causado pola grafitización do bordo da materia prima. O grao de deformación redúcese durante o proceso de crecemento posterior, o que corresponde ao cambio no caudal de material na parte dianteira do crecemento do cristal da estrutura 0 na figura 4 (d). Na estrutura 1, debido ao efecto do PG, a interface cristalina non mostra deformación. Ademais, o PG tamén fai que a taxa de crecemento da estrutura 1 sexa significativamente menor que a da estrutura 0. O grosor central do cristal da estrutura 1 despois de 100 h é só o 68 % do da estrutura 0.
Figura 7 Cambios na interface dos cristais de estrutura 0 e estrutura 1 a 30, 60 e 100 h
O crecemento cristalino levouse a cabo nas condicións do proceso de simulación numérica. Os cristais cultivados pola estrutura 0 e a estrutura 1 móstranse na Figura 8(a) e na Figura 8(b), respectivamente. O cristal da estrutura 0 mostra unha interface cóncava, con ondulacións na zona central e unha transición de fase no bordo. A convexidade superficial representa un certo grao de inhomoxeneidade no transporte de materiais en fase gasosa, e a aparición de transición de fase corresponde á baixa relación C/Si. A interface do cristal cultivado pola estrutura 1 é lixeiramente convexa, non se atopa transición de fase e o grosor é do 65 % do cristal sen PG. En xeral, os resultados do crecemento cristalino corresponden aos resultados da simulación, cunha maior diferenza de temperatura radial na interface cristalina da estrutura 1, o crecemento rápido no bordo é suprimido e o caudal global de material é máis lento. A tendencia xeral é consistente cos resultados da simulación numérica.
Figura 8 Cristais de SiC cultivados baixo a estrutura 0 e a estrutura 1
Conclusión
O PG favorece a mellora da temperatura xeral da área da materia prima e a uniformidade da temperatura axial e radial, promovendo a sublimación e utilización completas da materia prima; a diferenza de temperatura superior e inferior aumenta e o gradiente radial da superficie do cristal semente aumenta, o que axuda a manter o crecemento da interface convexa. En termos de transferencia de masa, a introdución de PG reduce a taxa de transferencia de masa xeral, o caudal de material na cámara de crecemento que contén PG cambia menos co tempo e todo o proceso de crecemento é máis estable. Ao mesmo tempo, o PG tamén inhibe eficazmente a aparición dunha transferencia de masa excesiva nos bordos. Ademais, o PG tamén aumenta a relación C/Si do ambiente de crecemento, especialmente no bordo frontal da interface do cristal semente, o que axuda a reducir a aparición de cambios de fase durante o proceso de crecemento. Ao mesmo tempo, o efecto de illamento térmico do PG reduce ata certo punto a aparición de recristalización na parte superior da materia prima. Para o crecemento do cristal, o PG ralentiza a taxa de crecemento do cristal, pero a interface de crecemento é máis convexa. Polo tanto, a PG é un medio eficaz para mellorar o ambiente de crecemento dos cristais de SiC e optimizar a calidade do cristal.
Data de publicación: 18 de xuño de 2024