Pwosesis debaz la nanSiCKwasans kristal la divize an siblimasyon ak dekonpozisyon matyè premyè nan tanperati ki wo, transpò sibstans faz gaz anba aksyon gradyan tanperati a, ak kwasans rekristalizasyon sibstans faz gaz nan kristal grenn nan. Baze sou sa, enteryè kribij la divize an twa pati: zòn matyè premyè, chanm kwasans ak kristal grenn. Yo te trase yon modèl simulation nimerik ki baze sou rezistiv aktyèl la.SiCekipman kwasans monokristal (gade Figi 1). Nan kalkil la: pati anba akrisLi sitiye a 90 mm de pati anba aparèy chofaj bò a, tanperati anwo kribib la se 2100 ℃, dyamèt patikil matyè premyè a se 1000 μm, porositë a se 0.6, presyon kwasans lan se 300 Pa, epi tan kwasans lan se 100 èdtan. Epesè PG a se 5 mm, dyamèt la egal a dyamèt enteryè kribib la, epi li sitiye 30 mm anlè matyè premyè a. Pwosesis siblimasyon, karbonizasyon, ak rekristalizasyon zòn matyè premyè a yo konsidere nan kalkil la, epi reyaksyon ant PG ak sibstans faz gaz yo pa konsidere. Paramèt pwopriyete fizik ki gen rapò ak kalkil yo montre nan Tablo 1.
Figi 1 Modèl kalkil simulation. (a) Modèl chan tèmik pou simulation kwasans kristal; (b) Divizyon zòn entèn krisòl la ak pwoblèm fizik ki gen rapò
Tablo 1 Kèk paramèt fizik yo itilize nan kalkil la
Figi 2(a) montre ke tanperati estrikti ki gen PG a (deziyen kòm estrikti 1) pi wo pase tanperati estrikti ki pa gen PG a (deziyen kòm estrikti 0) anba PG, epi pi ba pase tanperati estrikti 0 anwo PG. Gradyan tanperati jeneral la ogmante, epi PG aji kòm yon ajan izolasyon chalè. Selon Figi 2(b) ak 2(c), gradyan tanperati aksyal ak radyal estrikti 1 nan zòn matyè premyè a pi piti, distribisyon tanperati a pi inifòm, epi siblimasyon materyèl la pi konplè. Kontrèman ak zòn matyè premyè a, Figi 2(c) montre ke gradyan tanperati radyal nan kristal grenn estrikti 1 an pi gwo, sa ki ka koze pa diferan pwopòsyon diferan mòd transfè chalè yo, ki ede kristal la grandi ak yon koòdone konvèks. Nan Figi 2(d), tanperati a nan diferan pozisyon nan krisòl la montre yon tandans ogmantasyon pandan kwasans lan ap pwogrese, men diferans tanperati ant estrikti 0 ak estrikti 1 diminye piti piti nan zòn matyè premyè a epi ogmante piti piti nan chanm kwasans lan.
Figi 2 Distribisyon tanperati ak chanjman nan kribij la. (a) Distribisyon tanperati andedan kribij estrikti 0 (agoch) ak estrikti 1 (adwat) a 0 è, inite: ℃; (b) Distribisyon tanperati sou liy sant kribij estrikti 0 ak estrikti 1 soti anba matyè premyè a rive nan kristal grenn nan a 0 è; (c) Distribisyon tanperati soti nan sant rive nan kwen kribij la sou sifas kristal grenn nan (A) ak sifas matyè premyè a (B), mitan (C) ak anba (D) a 0 è, aks orizontal r se reyon kristal grenn nan pou A, ak reyon zòn matyè premyè a pou B ~ D; (d) Chanjman tanperati nan sant pati anwo a (A), sifas matyè premyè (B) ak mitan (C) chanm kwasans estrikti 0 ak estrikti 1 a 0, 30, 60, ak 100 è.
Figi 3 montre transpò materyèl la nan diferan moman nan kribij estrikti 0 ak estrikti 1. To koule materyèl faz gaz la nan zòn matyè premyè a ak chanm kwasans lan ogmante ak ogmantasyon pozisyon an, epi transpò materyèl la febli pandan kwasans lan ap pwogrese. Figi 3 montre tou ke anba kondisyon simulation yo, matyè premyè a grafitize premye sou miray bò kribij la epi answit sou anba kribij la. Anplis de sa, gen rekristalizasyon sou sifas matyè premyè a epi li piti piti epesi pandan kwasans lan ap pwogrese. Figi 4(a) ak 4(b) montre ke to koule materyèl andedan matyè premyè a diminye pandan kwasans lan ap pwogrese, epi to koule materyèl la a 100 èdtan se anviwon 50% nan moman inisyal la; sepandan, to koule a relativman gwo nan kwen an akòz grafitizasyon matyè premyè a, epi to koule a nan kwen an se plis pase 10 fwa to koule nan zòn mitan an a 100 èdtan; Anplis de sa, efè PG nan estrikti 1 fè to koule materyèl nan zòn matyè premyè estrikti 1 an pi ba pase sa ki nan estrikti 0. Nan Figi 4(c), koule materyèl la nan tou de zòn matyè premyè a ak chanm kwasans lan febli piti piti pandan kwasans lan ap pwogrese, epi koule materyèl la nan zòn matyè premyè a kontinye diminye, sa ki koze pa ouvèti kanal koule lè a nan kwen krisòl la ak blokaj rekristalizasyon anlè a; nan chanm kwasans lan, to koule materyèl estrikti 0 a diminye rapidman nan premye 30 èdtan yo rive nan 16%, epi li diminye sèlman pa 3% nan tan ki vin apre a, pandan ke estrikti 1 rete relativman estab pandan tout pwosesis kwasans lan. Se poutèt sa, PG ede estabilize to koule materyèl la nan chanm kwasans lan. Figi 4(d) konpare to koule materyèl la nan fwon kwasans kristal la. Nan premye moman an ak apre 100 èdtan, transpò materyèl nan zòn kwasans estrikti 0 a pi fò pase sa ki nan estrikti 1 an, men toujou gen yon zòn ki gen yon gwo vitès koule nan kwen estrikti 0 a, sa ki mennen nan yon kwasans twòp nan kwen an. Prezans PG nan estrikti 1 an siprime fenomèn sa a efektivman.
Figi 3 Koule materyèl nan krisòl la. Liy kouran (agoch) ak vektè vitès (adwat) transpò materyèl gaz nan estrikti 0 ak 1 nan diferan moman, inite vektè vitès: m/s
Figi 4 Chanjman nan vitès koule materyèl la. (a) Chanjman nan distribisyon vitès koule materyèl la nan mitan materyèl bwit estrikti 0 a nan 0, 30, 60, ak 100 èdtan, r se reyon zòn materyèl bwit la; (b) Chanjman nan distribisyon vitès koule materyèl la nan mitan materyèl bwit estrikti 1 a nan 0, 30, 60, ak 100 èdtan, r se reyon zòn materyèl bwit la; (c) Chanjman nan vitès koule materyèl la andedan chanm kwasans lan (A, B) ak andedan materyèl bwit la (C, D) nan estrikti 0 ak 1 sou tan; (d) Distribisyon vitès koule materyèl toupre sifas kristal grenn nan estrikti 0 ak 1 a nan 0 ak 100 èdtan, r se reyon kristal grenn nan.
C/Si afekte estabilite kristalin ak dansite domaj kwasans kristal SiC la. Figi 5(a) konpare distribisyon rapò C/Si de estrikti yo nan moman inisyal la. Rapò C/Si a diminye piti piti soti anba rive anlè kribib la, epi rapò C/Si estrikti 1 an toujou pi wo pase sa ki nan estrikti 0 nan diferan pozisyon. Figi 5(b) ak 5(c) montre ke rapò C/Si a ogmante piti piti ak kwasans lan, ki gen rapò ak ogmantasyon tanperati entèn nan etap kwasans lan, amelyorasyon grafitizasyon matyè premyè a, ak reyaksyon konpozan Si nan faz gaz la ak kribib grafit la. Nan Figi 5(d), rapò C/Si estrikti 0 ak estrikti 1 yo byen diferan anba PG (0, 25 mm), men yon ti kras diferan anlè PG (50 mm), epi diferans lan ogmante piti piti pandan l ap pwoche kristal la. An jeneral, rapò C/Si estrikti 1 an pi wo, sa ki ede estabilize fòm kristal la epi redwi pwobabilite tranzisyon faz la.
Figi 5 Distribisyon ak chanjman rapò C/Si. (a) Distribisyon rapò C/Si nan kribik estrikti 0 (agoch) ak estrikti 1 (adwat) a 0 è; (b) Rapò C/Si a diferan distans soti nan liy sant kribik estrikti 0 a nan diferan moman (0, 30, 60, 100 è); (c) Rapò C/Si a diferan distans soti nan liy sant kribik estrikti 1 a nan diferan moman (0, 30, 60, 100 è); (d) Konparezon rapò C/Si a diferan distans (0, 25, 50, 75, 100 mm) soti nan liy sant kribik estrikti 0 (liy solid) ak estrikti 1 (liy tire) a nan diferan moman (0, 30, 60, 100 è).
Figi 6 la montre chanjman nan dyamèt patikil ak porosit rejyon matyè premyè nan de estrikti yo. Figi a montre ke dyamèt matyè premyè a diminye epi porosit la ogmante toupre miray krisòl la, epi porosit kwen an kontinye ogmante epi dyamèt patikil la kontinye diminye pandan kwasans lan ap pwogrese. Porosit kwen maksimòm lan se anviwon 0.99 a 100 èdtan, epi dyamèt patikil minimòm lan se anviwon 300 μm. Dyamèt patikil la ogmante epi porosit la diminye sou sifas anwo matyè premyè a, sa ki koresponn ak rekristalizasyon an. Epesè zòn rekristalizasyon an ogmante pandan kwasans lan ap pwogrese, epi gwosè patikil la ak porosit la kontinye chanje. Dyamèt patikil maksimòm lan rive nan plis pase 1500 μm, epi porosit minimòm lan se 0.13. Anplis de sa, piske PG ogmante tanperati zòn matyè premyè a epi sipèsaturasyon gaz la piti, epesè rekristalizasyon pati anwo matyè premyè estrikti 1 an piti, sa ki amelyore to itilizasyon matyè premyè a.
Figi 6 Chanjman nan dyamèt patikil (agoch) ak porosit (adwat) nan zòn matyè premyè estrikti 0 ak estrikti 1 nan diferan moman, inite dyamèt patikil: μm
Figi 7 la montre ke estrikti 0 a defòme nan kòmansman kwasans lan, sa ki ka gen rapò ak twòp koule materyèl ki koze pa grafitizasyon kwen materyèl bwit la. Degre defòmasyon an febli pandan pwosesis kwasans ki vin apre a, ki koresponn ak chanjman nan vitès koule materyèl la nan devan kwasans kristal estrikti 0 nan Figi 4 (d). Nan estrikti 1, akòz efè PG, koòdone kristal la pa montre defòmasyon. Anplis de sa, PG fè tou vitès kwasans estrikti 1 an siyifikativman pi ba pase sa ki nan estrikti 0. Epesè sant kristal estrikti 1 an apre 100 èdtan se sèlman 68% de sa ki nan estrikti 0.
Figi 7 Chanjman entèfas kristal estrikti 0 ak estrikti 1 nan 30, 60, ak 100 èdtan
Kwasans kristal la te fèt anba kondisyon pwosesis simulation nimerik la. Kristal ki grandi pa estrikti 0 ak estrikti 1 yo montre nan Figi 8(a) ak Figi 8(b), respektivman. Kristal estrikti 0 a montre yon koòdone konkav, ak ondilasyon nan zòn santral la ak yon tranzisyon faz nan kwen an. Konveksite sifas la reprezante yon sèten degre inomojènite nan transpò materyèl faz gaz yo, epi aparisyon tranzisyon faz la koresponn ak yon rapò C/Si ki ba. Koòdone kristal ki grandi pa estrikti 1 an yon ti jan konvèks, pa gen okenn tranzisyon faz, epi epesè a se 65% nan kristal san PG a. An jeneral, rezilta kwasans kristal la koresponn ak rezilta simulation yo, ak yon pi gwo diferans tanperati radyal nan koòdone kristal estrikti 1 an, kwasans rapid la nan kwen an siprime, epi to koule materyèl jeneral la pi dousman. Tandans jeneral la konsistan avèk rezilta simulation nimerik yo.
Figi 8 Kristal SiC ki grandi anba estrikti 0 ak estrikti 1
Konklizyon
PG fezab pou amelyorasyon tanperati jeneral zòn matyè premyè a ak amelyorasyon inifòmite tanperati aksyal ak radyal, sa ki ankouraje siblimasyon konplè ak itilizasyon matyè premyè a; diferans tanperati anwo ak anba a ogmante, epi gradyan radyal sifas kristal grenn nan ogmante, sa ki ede kenbe kwasans entèfas konvèks la. An tèm de transfè mas, entwodiksyon PG diminye to transfè mas jeneral la, to koule materyèl nan chanm kwasans ki gen PG a chanje mwens avèk tan, epi tout pwosesis kwasans lan pi estab. An menm tan, PG anpeche tou yon transfè mas twòp sou kwen yo efektivman. Anplis de sa, PG ogmante tou rapò C/Si anviwònman kwasans lan, espesyalman nan kwen devan entèfas kristal grenn nan, sa ki ede diminye chanjman faz pandan pwosesis kwasans lan. An menm tan, efè izolasyon tèmik PG a diminye yon sèten limit ensidans rekristalizasyon nan pati anwo matyè premyè a. Pou kwasans kristal, PG ralanti to kwasans kristal la, men entèfas kwasans lan pi konvèks. Se poutèt sa, PG se yon mwayen efikas pou amelyore anviwònman kwasans kristal SiC yo epi optimize kalite kristal la.
Lè piblikasyon an: 18 jen 2024