Proses dasar dariBahan Kimia SiCPertumbuhan kristal dibagi menjadi sublimasi dan dekomposisi bahan baku pada suhu tinggi, pengangkutan zat fase gas di bawah aksi gradien suhu, dan pertumbuhan rekristalisasi zat fase gas pada kristal benih. Berdasarkan hal ini, bagian dalam wadah peleburan dibagi menjadi tiga bagian: area bahan baku, ruang pertumbuhan, dan kristal benih. Model simulasi numerik dibuat berdasarkan resistansi aktualBahan Kimia SiCperalatan pertumbuhan kristal tunggal (lihat Gambar 1). Dalam perhitungan: bagian bawahpercobaanberjarak 90 mm dari bagian bawah pemanas samping, suhu atas wadah peleburan adalah 2100 ℃, diameter partikel bahan baku adalah 1000 μm, porositas adalah 0,6, tekanan pertumbuhan adalah 300 Pa, dan waktu pertumbuhan adalah 100 jam. Ketebalan PG adalah 5 mm, diameternya sama dengan diameter dalam wadah peleburan, dan terletak 30 mm di atas bahan baku. Proses sublimasi, karbonisasi, dan rekristalisasi zona bahan baku dipertimbangkan dalam perhitungan, dan reaksi antara PG dan zat fase gas tidak dipertimbangkan. Parameter sifat fisik terkait perhitungan ditunjukkan pada Tabel 1.
Gambar 1 Model perhitungan simulasi. (a) Model medan termal untuk simulasi pertumbuhan kristal; (b) Pembagian luas internal wadah dan masalah fisika terkait.
Tabel 1 Beberapa parameter fisik yang digunakan dalam perhitungan
Gambar 2(a) menunjukkan bahwa suhu struktur yang mengandung PG (dilambangkan sebagai struktur 1) lebih tinggi daripada suhu struktur bebas PG (dilambangkan sebagai struktur 0) di bawah PG, dan lebih rendah daripada suhu struktur 0 di atas PG. Gradien suhu keseluruhan meningkat, dan PG bertindak sebagai agen penyekat panas. Menurut Gambar 2(b) dan 2(c), gradien suhu aksial dan radial struktur 1 di zona bahan baku lebih kecil, distribusi suhu lebih seragam, dan sublimasi material lebih lengkap. Tidak seperti zona bahan baku, Gambar 2(c) menunjukkan bahwa gradien suhu radial pada kristal benih struktur 1 lebih besar, yang mungkin disebabkan oleh proporsi yang berbeda dari mode perpindahan panas yang berbeda, yang membantu kristal tumbuh dengan antarmuka cembung. Pada Gambar 2(d), suhu di berbagai posisi dalam wadah peleburan menunjukkan tren peningkatan seiring berlangsungnya pertumbuhan, tetapi perbedaan suhu antara struktur 0 dan struktur 1 secara bertahap menurun di zona bahan baku dan secara bertahap meningkat di ruang pertumbuhan.
Gambar 2 Distribusi suhu dan perubahan dalam wadah peleburan. (a) Distribusi suhu di dalam wadah peleburan struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada jam ke-0, satuan: ℃; (b) Distribusi suhu pada garis tengah wadah peleburan struktur 0 dan struktur 1 dari dasar bahan baku ke benih kristal pada jam ke-0; (c) Distribusi suhu dari pusat ke tepi wadah peleburan pada permukaan benih kristal (A) dan permukaan bahan baku (B), tengah (C) dan bawah (D) pada jam ke-0, sumbu horizontal r adalah jari-jari benih kristal untuk A, dan jari-jari area bahan baku untuk B~D; (d) Perubahan suhu di pusat bagian atas (A), permukaan bahan baku (B) dan tengah (C) ruang pertumbuhan struktur 0 dan struktur 1 pada jam ke-0, 30, 60, dan 100.
Gambar 3 menunjukkan transportasi material pada waktu yang berbeda dalam wadah struktur 0 dan struktur 1. Laju aliran material fase gas di area bahan baku dan ruang pertumbuhan meningkat dengan peningkatan posisi, dan transportasi material melemah saat pertumbuhan berlangsung. Gambar 3 juga menunjukkan bahwa di bawah kondisi simulasi, bahan baku pertama-tama membuat grafit pada dinding samping wadah dan kemudian pada bagian bawah wadah. Selain itu, ada rekristalisasi pada permukaan bahan baku dan secara bertahap menebal saat pertumbuhan berlangsung. Gambar 4(a) dan 4(b) menunjukkan bahwa laju aliran material di dalam bahan baku menurun saat pertumbuhan berlangsung, dan laju aliran material pada 100 jam adalah sekitar 50% dari momen awal; namun, laju aliran relatif besar di tepi karena membuat grafit bahan baku, dan laju aliran di tepi lebih dari 10 kali lipat dari laju aliran di area tengah pada 100 jam; Selain itu, efek PG dalam struktur 1 membuat laju aliran material di area bahan baku struktur 1 lebih rendah daripada struktur 0. Pada Gambar 4(c), aliran material di area bahan baku dan ruang pertumbuhan secara bertahap melemah saat pertumbuhan berlangsung, dan aliran material di area bahan baku terus menurun, yang disebabkan oleh pembukaan saluran aliran udara di tepi wadah dan penyumbatan rekristalisasi di bagian atas; di ruang pertumbuhan, laju aliran material struktur 0 menurun dengan cepat dalam 30 jam awal menjadi 16%, dan hanya menurun 3% pada waktu berikutnya, sementara struktur 1 tetap relatif stabil selama proses pertumbuhan. Oleh karena itu, PG membantu menstabilkan laju aliran material di ruang pertumbuhan. Gambar 4(d) membandingkan laju aliran material di bagian depan pertumbuhan kristal. Pada saat awal dan 100 jam, pengangkutan material di zona pertumbuhan struktur 0 lebih kuat daripada di struktur 1, tetapi selalu ada area laju aliran tinggi di tepi struktur 0, yang menyebabkan pertumbuhan berlebihan di tepi. Kehadiran PG dalam struktur 1 secara efektif menekan fenomena ini.
Gambar 3 Aliran material dalam wadah peleburan. Garis arus (kiri) dan vektor kecepatan (kanan) pengangkutan material gas dalam struktur 0 dan 1 pada waktu yang berbeda, satuan vektor kecepatan: m/s
Gambar 4 Perubahan laju aliran material. (a) Perubahan distribusi laju aliran material di tengah bahan baku struktur 0 pada jam 0, 30, 60, dan 100, r adalah jari-jari area bahan baku; (b) Perubahan distribusi laju aliran material di tengah bahan baku struktur 1 pada jam 0, 30, 60, dan 100, r adalah jari-jari area bahan baku; (c) Perubahan laju aliran material di dalam ruang pertumbuhan (A, B) dan di dalam bahan baku (C, D) struktur 0 dan 1 seiring waktu; (d) Distribusi laju aliran material di dekat permukaan kristal benih struktur 0 dan 1 pada jam 0 dan 100, r adalah jari-jari kristal benih.
C/Si memengaruhi stabilitas kristal dan kerapatan cacat pertumbuhan kristal SiC. Gambar 5(a) membandingkan distribusi rasio C/Si dari dua struktur pada saat awal. Rasio C/Si secara bertahap menurun dari bawah ke atas wadah, dan rasio C/Si struktur 1 selalu lebih tinggi daripada rasio C/Si struktur 0 pada posisi yang berbeda. Gambar 5(b) dan 5(c) menunjukkan bahwa rasio C/Si secara bertahap meningkat seiring pertumbuhan, yang terkait dengan peningkatan suhu internal pada tahap pertumbuhan selanjutnya, peningkatan grafitasi bahan baku, dan reaksi komponen Si dalam fase gas dengan wadah grafit. Pada Gambar 5(d), rasio C/Si struktur 0 dan struktur 1 sangat berbeda di bawah PG (0, 25 mm), tetapi sedikit berbeda di atas PG (50 mm), dan perbedaannya secara bertahap meningkat saat mendekati kristal. Secara umum, rasio C/Si struktur 1 lebih tinggi, yang membantu menstabilkan bentuk kristal dan mengurangi kemungkinan transisi fase.
Gambar 5 Distribusi dan perubahan rasio C/Si. (a) Distribusi rasio C/Si dalam wadah struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada jam ke-0; (b) Rasio C/Si pada jarak yang berbeda dari garis tengah wadah struktur 0 pada waktu yang berbeda (0, 30, 60, 100 jam); (c) Rasio C/Si pada jarak yang berbeda dari garis tengah wadah struktur 1 pada waktu yang berbeda (0, 30, 60, 100 jam); (d) Perbandingan rasio C/Si pada jarak yang berbeda (0, 25, 50, 75, 100 mm) dari garis tengah wadah struktur 0 (garis utuh) dan struktur 1 (garis putus-putus) pada waktu yang berbeda (0, 30, 60, 100 jam).
Gambar 6 menunjukkan perubahan diameter partikel dan porositas daerah bahan baku dari kedua struktur tersebut. Gambar tersebut menunjukkan bahwa diameter bahan baku menurun dan porositas meningkat di dekat dinding wadah, dan porositas tepi terus meningkat dan diameter partikel terus menurun seiring dengan perkembangan pertumbuhan. Porositas tepi maksimum sekitar 0,99 pada 100 jam, dan diameter partikel minimum sekitar 300 μm. Diameter partikel meningkat dan porositas menurun pada permukaan atas bahan baku, yang sesuai dengan rekristalisasi. Ketebalan area rekristalisasi meningkat seiring dengan perkembangan pertumbuhan, dan ukuran partikel serta porositas terus berubah. Diameter partikel maksimum mencapai lebih dari 1500 μm, dan porositas minimum adalah 0,13. Selain itu, karena PG meningkatkan suhu area bahan baku dan supersaturasi gas kecil, ketebalan rekristalisasi bagian atas bahan baku struktur 1 kecil, yang meningkatkan tingkat pemanfaatan bahan baku.
Gambar 6 Perubahan diameter partikel (kiri) dan porositas (kanan) area bahan baku struktur 0 dan struktur 1 pada waktu yang berbeda, satuan diameter partikel: μm
Gambar 7 menunjukkan bahwa struktur 0 melengkung pada awal pertumbuhan, yang mungkin terkait dengan laju aliran material yang berlebihan yang disebabkan oleh grafitasi tepi bahan mentah. Tingkat lengkungan melemah selama proses pertumbuhan berikutnya, yang sesuai dengan perubahan laju aliran material di bagian depan pertumbuhan kristal struktur 0 pada Gambar 4 (d). Pada struktur 1, karena pengaruh PG, antarmuka kristal tidak menunjukkan lengkungan. Selain itu, PG juga membuat laju pertumbuhan struktur 1 secara signifikan lebih rendah daripada struktur 0. Ketebalan tengah kristal struktur 1 setelah 100 jam hanya 68% dari struktur 0.
Gambar 7 Perubahan antarmuka kristal struktur 0 dan struktur 1 pada 30, 60, dan 100 jam
Pertumbuhan kristal dilakukan di bawah kondisi proses simulasi numerik. Kristal yang tumbuh oleh struktur 0 dan struktur 1 ditunjukkan pada Gambar 8(a) dan Gambar 8(b), masing-masing. Kristal struktur 0 menunjukkan antarmuka cekung, dengan undulasi di area pusat dan transisi fase di tepi. Konveksitas permukaan menunjukkan tingkat ketidakhomogenan tertentu dalam pengangkutan material fase gas, dan terjadinya transisi fase sesuai dengan rasio C/Si yang rendah. Antarmuka kristal yang tumbuh oleh struktur 1 sedikit cembung, tidak ditemukan transisi fase, dan ketebalannya 65% dari kristal tanpa PG. Secara umum, hasil pertumbuhan kristal sesuai dengan hasil simulasi, dengan perbedaan suhu radial yang lebih besar pada antarmuka kristal struktur 1, pertumbuhan cepat di tepi ditekan, dan laju aliran material keseluruhan lebih lambat. Tren keseluruhan konsisten dengan hasil simulasi numerik.
Gambar 8 Kristal SiC tumbuh pada struktur 0 dan struktur 1
Kesimpulan
PG mendukung peningkatan suhu keseluruhan area bahan baku dan peningkatan keseragaman suhu aksial dan radial, yang mendorong sublimasi dan pemanfaatan penuh bahan baku; perbedaan suhu atas dan bawah meningkat, dan gradien radial permukaan kristal benih meningkat, yang membantu mempertahankan pertumbuhan antarmuka cembung. Dalam hal perpindahan massa, pengenalan PG mengurangi laju perpindahan massa keseluruhan, laju aliran material di ruang pertumbuhan yang berisi PG berubah lebih sedikit seiring waktu, dan seluruh proses pertumbuhan lebih stabil. Pada saat yang sama, PG juga secara efektif menghambat terjadinya perpindahan massa tepi yang berlebihan. Selain itu, PG juga meningkatkan rasio C/Si lingkungan pertumbuhan, terutama di tepi depan antarmuka kristal benih, yang membantu mengurangi terjadinya perubahan fase selama proses pertumbuhan. Pada saat yang sama, efek isolasi termal PG mengurangi terjadinya rekristalisasi di bagian atas bahan baku sampai batas tertentu. Untuk pertumbuhan kristal, PG memperlambat laju pertumbuhan kristal, tetapi antarmuka pertumbuhan lebih cembung. Oleh karena itu, PG merupakan sarana yang efektif untuk meningkatkan lingkungan pertumbuhan kristal SiC dan mengoptimalkan kualitas kristal.
Waktu posting: 18-Jun-2024