Osnovni procesSiCRast kristala podijeljen je na sublimaciju i razgradnju sirovina na visokoj temperaturi, transport tvari u plinovitoj fazi pod djelovanjem temperaturnog gradijenta i rekristalizaciju rasta tvari u plinovitoj fazi na kristalnoj sjemeni. Na temelju toga, unutrašnjost lončića podijeljena je u tri dijela: područje sirovine, komoru za rast i kristalnu sjemenu. Numerički simulacijski model izrađen je na temelju stvarnog otpora.SiCoprema za rast monokristala (vidi sliku 1). U izračunu: dnolonacudaljen je 90 mm od dna bočnog grijača, gornja temperatura lončića je 2100 ℃, promjer čestica sirovine je 1000 μm, poroznost je 0,6, tlak rasta je 300 Pa, a vrijeme rasta je 100 h. Debljina PG-a je 5 mm, promjer je jednak unutarnjem promjeru lončića i nalazi se 30 mm iznad sirovine. Procesi sublimacije, karbonizacije i rekristalizacije zone sirovine uzimaju se u obzir u izračunu, a reakcija između PG-a i tvari u plinovitoj fazi nije uzeta u obzir. Parametri fizikalnih svojstava povezani s izračunom prikazani su u Tablici 1.
Slika 1. Simulacijski proračunski model. (a) Model toplinskog polja za simulaciju rasta kristala; (b) Podjela unutarnjeg područja lončića i povezani fizički problemi
Tablica 1 Neki fizički parametri korišteni u izračunu
Slika 2(a) pokazuje da je temperatura strukture koja sadrži PG (označena kao struktura 1) viša od temperature strukture bez PG (označena kao struktura 0) ispod PG, a niža od temperature strukture 0 iznad PG. Ukupni temperaturni gradijent se povećava, a PG djeluje kao toplinski izolacijski agens. Prema slikama 2(b) i 2(c), aksijalni i radijalni temperaturni gradijenti strukture 1 u zoni sirovine su manji, raspodjela temperature je ujednačenija, a sublimacija materijala je potpunija. Za razliku od zone sirovine, slika 2(c) pokazuje da je radijalni temperaturni gradijent na sjemenskom kristalu strukture 1 veći, što može biti uzrokovano različitim omjerima različitih načina prijenosa topline, što pomaže kristalu da raste s konveksnim sučeljem. Na slici 2(d), temperatura na različitim položajima u lončiću pokazuje rastući trend kako rast napreduje, ali temperaturna razlika između strukture 0 i strukture 1 postupno se smanjuje u zoni sirovine i postupno se povećava u komori za rast.
Slika 2. Raspodjela temperature i promjene u lončiću. (a) Raspodjela temperature unutar lončića strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h, jedinica: ℃; (b) Raspodjela temperature na središnjoj liniji lončića strukture 0 i strukture 1 od dna sirovine do kristalne sjemenke u 0 h; (c) Raspodjela temperature od središta do ruba lončića na površini kristalne sjemenke (A) i površini sirovine (B), sredini (C) i dnu (D) u 0 h, horizontalna os r je polumjer kristalne sjemenke za A, a polumjer površine sirovine za B~D; (d) Promjene temperature u središtu gornjeg dijela (A), površini sirovine (B) i sredini (C) komore za rast strukture 0 i strukture 1 u 0, 30, 60 i 100 h.
Slika 3 prikazuje transport materijala u različitim vremenima u lončiću strukture 0 i strukture 1. Brzina protoka materijala u plinovitoj fazi u području sirovine i komori za rast povećava se s povećanjem položaja, a transport materijala slabi kako rast napreduje. Slika 3 također pokazuje da se pod uvjetima simulacije sirovina prvo grafitizira na bočnoj stijenci lončića, a zatim na dnu lončića. Osim toga, dolazi do rekristalizacije na površini sirovine koja se postupno zgušnjava kako rast napreduje. Slike 4(a) i 4(b) pokazuju da se brzina protoka materijala unutar sirovine smanjuje kako rast napreduje, a brzina protoka materijala nakon 100 h iznosi oko 50% početnog trenutka; međutim, brzina protoka je relativno velika na rubu zbog grafitizacije sirovine, a brzina protoka na rubu je više od 10 puta veća od brzine protoka u srednjem području nakon 100 h; Osim toga, učinak PG-a u strukturi 1 smanjuje brzinu protoka materijala u području sirovine strukture 1 u odnosu na strukturu 0. Na slici 4(c), protok materijala i u području sirovine i u komori za rast postupno slabi kako rast napreduje, a protok materijala u području sirovine nastavlja se smanjivati, što je uzrokovano otvaranjem kanala za protok zraka na rubu lončića i sprječavanjem rekristalizacije na vrhu; u komori za rast, brzina protoka materijala strukture 0 brzo se smanjuje u prvih 30 sati na 16%, a u sljedećem vremenu smanjuje se samo za 3%, dok struktura 1 ostaje relativno stabilna tijekom cijelog procesa rasta. Stoga, PG pomaže u stabilizaciji brzine protoka materijala u komori za rast. Slika 4(d) uspoređuje brzinu protoka materijala na fronti rasta kristala. U početnom trenutku i nakon 100 sati, transport materijala u zoni rasta strukture 0 je jači nego u strukturi 1, ali uvijek postoji područje visoke brzine protoka na rubu strukture 0, što dovodi do prekomjernog rasta na rubu. Prisutnost PG u strukturi 1 učinkovito suzbija ovaj fenomen.
Slika 3 Tok materijala u lončiću. Strujnice (lijevo) i vektori brzine (desno) transporta plinovitog materijala u strukturama 0 i 1 u različitim vremenima, jedinica vektora brzine: m/s
Slika 4 Promjene u brzini protoka materijala. (a) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 0 u 0, 30, 60 i 100 h, r je polumjer područja sirovine; (b) Promjene u raspodjeli brzine protoka materijala u sredini sirovine strukture 1 u 0, 30, 60 i 100 h, r je polumjer područja sirovine; (c) Promjene u brzini protoka materijala unutar komore za rast (A, B) i unutar sirovine (C, D) struktura 0 i 1 tijekom vremena; (d) Raspodjela brzine protoka materijala u blizini površine kristalne sjemenke struktura 0 i 1 u 0 i 100 h, r je polumjer kristalne sjemenke
C/Si utječe na kristalnu stabilnost i gustoću defekata rasta SiC kristala. Slika 5(a) uspoređuje raspodjelu omjera C/Si dviju struktura u početnom trenutku. Omjer C/Si postupno se smanjuje od dna prema vrhu lončića, a omjer C/Si strukture 1 uvijek je veći od omjera strukture 0 na različitim položajima. Slike 5(b) i 5(c) pokazuju da omjer C/Si postupno raste s rastom, što je povezano s porastom unutarnje temperature u kasnijoj fazi rasta, pojačanom grafitizacijom sirovine i reakcijom Si komponenti u plinovitoj fazi s grafitnim lončićem. Na slici 5(d), omjeri C/Si strukture 0 i strukture 1 su prilično različiti ispod PG (0, 25 mm), ali malo drugačiji iznad PG (50 mm), a razlika se postupno povećava kako se približava kristalu. Općenito, omjer C/Si strukture 1 je veći, što pomaže stabilizirati kristalni oblik i smanjiti vjerojatnost faznog prijelaza.
Slika 5. Raspodjela i promjene omjera C/Si. (a) Raspodjela omjera C/Si u lončićima strukture 0 (lijevo) i strukture 1 (desno) u 0 h; (b) Omjer C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 0 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (c) Omjer C/Si na različitim udaljenostima od središnje linije lončića strukture 1 u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h); (d) Usporedba omjera C/Si na različitim udaljenostima (0, 25, 50, 75, 100 mm) od središnje linije lončića strukture 0 (puna linija) i strukture 1 (isprekidana linija) u različitim vremenima (0, 30, 60, 100 h).
Slika 6 prikazuje promjene promjera čestica i poroznosti područja sirovine dviju struktura. Slika pokazuje da se promjer sirovine smanjuje, a poroznost povećava blizu stijenke lončića, te da se rubna poroznost nastavlja povećavati i da se promjer čestica nastavlja smanjivati kako rast napreduje. Maksimalna rubna poroznost je oko 0,99 nakon 100 sati, a minimalni promjer čestica je oko 300 μm. Promjer čestica se povećava, a poroznost se smanjuje na gornjoj površini sirovine, što odgovara rekristalizaciji. Debljina područja rekristalizacije povećava se kako rast napreduje, a veličina i poroznost čestica se nastavljaju mijenjati. Maksimalni promjer čestica doseže više od 1500 μm, a minimalna poroznost je 0,13. Osim toga, budući da PG povećava temperaturu područja sirovine, a prezasićenost plinom je mala, debljina rekristalizacije gornjeg dijela sirovine strukture 1 je mala, što poboljšava stopu iskorištenja sirovine.
Slika 6 Promjene promjera čestica (lijevo) i poroznosti (desno) područja sirovine strukture 0 i strukture 1 u različitim vremenskim vremenima, jedinica promjera čestica: μm
Slika 7 pokazuje da se struktura 0 savija na početku rasta, što može biti povezano s prekomjernom brzinom protoka materijala uzrokovanom grafitizacijom ruba sirovine. Stupanj savijanja se slabi tijekom naknadnog procesa rasta, što odgovara promjeni brzine protoka materijala na čelu rasta kristala strukture 0 na slici 4 (d). U strukturi 1, zbog utjecaja PG-a, kristalna površina ne pokazuje savijanje. Osim toga, PG također znatno smanjuje brzinu rasta strukture 1 u odnosu na strukturu 0. Središnja debljina kristala strukture 1 nakon 100 sati iznosi samo 68% debljine strukture 0.
Slika 7 Promjene na granici kristala strukture 0 i strukture 1 nakon 30, 60 i 100 sati
Rast kristala proveden je pod uvjetima numeričke simulacije. Kristali uzgojeni strukturom 0 i strukturom 1 prikazani su na slici 8(a) odnosno slici 8(b). Kristal strukture 0 pokazuje konkavno sučelje, s valovitošću u središnjem području i faznim prijelazom na rubu. Površinska konveksnost predstavlja određeni stupanj nehomogenosti u transportu plinovitih materijala, a pojava faznog prijelaza odgovara niskom omjeru C/Si. Sučelje kristala uzgojenog strukturom 1 je blago konveksno, nije pronađen fazni prijelaz, a debljina je 65% kristala bez PG. Općenito, rezultati rasta kristala odgovaraju rezultatima simulacije, s većom radijalnom temperaturnom razlikom na kristalnom sučelju strukture 1, brzi rast na rubu je potisnut, a ukupna brzina protoka materijala je sporija. Ukupni trend je u skladu s rezultatima numeričke simulacije.
Slika 8 SiC kristali uzgojeni pod strukturom 0 i strukturom 1
Zaključak
PG pogoduje poboljšanju ukupne temperature područja sirovine i poboljšanju aksijalne i radijalne ujednačenosti temperature, potičući potpunu sublimaciju i iskorištavanje sirovine; povećava se gornja i donja temperaturna razlika, a povećava se i radijalni gradijent površine kristala sjemena, što pomaže u održavanju rasta konveksne površine. Što se tiče prijenosa mase, uvođenje PG-a smanjuje ukupnu brzinu prijenosa mase, brzina protoka materijala u komori za rast koja sadrži PG manje se mijenja s vremenom, a cijeli proces rasta je stabilniji. Istovremeno, PG također učinkovito inhibira pojavu prekomjernog prijenosa mase na rubovima. Osim toga, PG također povećava omjer C/Si u okruženju za rast, posebno na prednjem rubu površine kristala sjemena, što pomaže u smanjenju pojave fazne promjene tijekom procesa rasta. Istovremeno, učinak toplinske izolacije PG-a do određene mjere smanjuje pojavu rekristalizacije u gornjem dijelu sirovine. Za rast kristala, PG usporava brzinu rasta kristala, ali površina rasta je konveksnija. Stoga je PG učinkovito sredstvo za poboljšanje uvjeta rasta SiC kristala i optimizaciju kvalitete kristala.
Vrijeme objave: 18. lipnja 2024.