Il processo di base diSiCLa crescita dei cristalli è suddivisa in sublimazione e decomposizione delle materie prime ad alta temperatura, trasporto di sostanze in fase gassosa sotto l'azione del gradiente di temperatura e crescita per ricristallizzazione di sostanze in fase gassosa sul cristallo seme. Sulla base di ciò, l'interno del crogiolo è diviso in tre parti: area delle materie prime, camera di crescita e cristallo seme. È stato disegnato un modello di simulazione numerica basato sulla resistività effettivaSiCapparecchiatura per la crescita di monocristalli (vedere Figura 1). Nel calcolo: il fondo delcrogioloSi trova a 90 mm dalla base del riscaldatore laterale, la temperatura superiore del crogiolo è di 2100 ℃, il diametro delle particelle della materia prima è di 1000 μm, la porosità è di 0,6, la pressione di crescita è di 300 Pa e il tempo di crescita è di 100 h. Lo spessore del PG è di 5 mm, il diametro è uguale al diametro interno del crogiolo ed è situato a 30 mm sopra la materia prima. Nel calcolo sono considerati i processi di sublimazione, carbonizzazione e ricristallizzazione della zona della materia prima, mentre non viene considerata la reazione tra il PG e le sostanze in fase gassosa. I parametri delle proprietà fisiche relativi al calcolo sono mostrati nella Tabella 1.
Figura 1 Modello di calcolo della simulazione. (a) Modello del campo termico per la simulazione della crescita dei cristalli; (b) Divisione dell'area interna del crogiolo e relativi problemi fisici
Tabella 1 Alcuni parametri fisici utilizzati nel calcolo
La Figura 2(a) mostra che la temperatura della struttura contenente PG (indicata come struttura 1) è superiore a quella della struttura priva di PG (indicata come struttura 0) al di sotto del PG, e inferiore a quella della struttura 0 al di sopra del PG. Il gradiente di temperatura complessivo aumenta e il PG agisce come agente termoisolante. Secondo le Figure 2(b) e 2(c), i gradienti di temperatura assiali e radiali della struttura 1 nella zona del materiale grezzo sono minori, la distribuzione della temperatura è più uniforme e la sublimazione del materiale è più completa. A differenza della zona del materiale grezzo, la Figura 2(c) mostra che il gradiente di temperatura radiale sul cristallo seme della struttura 1 è maggiore, il che potrebbe essere causato dalle diverse proporzioni delle diverse modalità di trasferimento del calore, che aiutano il cristallo a crescere con un'interfaccia convessa. Nella Figura 2(d), la temperatura in diverse posizioni nel crogiolo mostra un andamento crescente con il progredire della crescita, ma la differenza di temperatura tra la struttura 0 e la struttura 1 diminuisce gradualmente nella zona del materiale grezzo e aumenta gradualmente nella camera di crescita.
Figura 2 Distribuzione e variazioni di temperatura nel crogiolo. (a) Distribuzione della temperatura all'interno del crogiolo della struttura 0 (sinistra) e della struttura 1 (destra) a 0 h, unità: ℃; (b) Distribuzione della temperatura sulla linea centrale del crogiolo della struttura 0 e della struttura 1 dal fondo della materia prima al cristallo seme a 0 h; (c) Distribuzione della temperatura dal centro al bordo del crogiolo sulla superficie del cristallo seme (A) e sulla superficie della materia prima (B), al centro (C) e sul fondo (D) a 0 h, l'asse orizzontale r è il raggio del cristallo seme per A e il raggio dell'area della materia prima per B~D; (d) Variazioni di temperatura al centro della parte superiore (A), sulla superficie della materia prima (B) e al centro (C) della camera di crescita della struttura 0 e della struttura 1 a 0, 30, 60 e 100 h.
La Figura 3 mostra il trasporto del materiale in diversi momenti nel crogiolo della struttura 0 e della struttura 1. La portata del materiale in fase gassosa nell'area della materia prima e nella camera di crescita aumenta con l'aumentare della posizione e il trasporto del materiale si indebolisce con il progredire della crescita. La Figura 3 mostra anche che, nelle condizioni di simulazione, la materia prima si grafitizza prima sulla parete laterale del crogiolo e poi sul fondo del crogiolo. Inoltre, si verifica una ricristallizzazione sulla superficie della materia prima che si ispessisca gradualmente con il progredire della crescita. Le Figure 4(a) e 4(b) mostrano che la portata del materiale all'interno della materia prima diminuisce con il progredire della crescita e la portata del materiale a 100 h è circa il 50% del momento iniziale; tuttavia, la portata è relativamente elevata al bordo a causa della grafitizzazione della materia prima e la portata al bordo è più di 10 volte quella nella zona centrale a 100 h; Inoltre, l'effetto del PG nella struttura 1 rende la velocità di flusso del materiale nell'area della materia prima della struttura 1 inferiore a quella della struttura 0. Nella Figura 4(c), il flusso di materiale sia nell'area della materia prima che nella camera di crescita si indebolisce gradualmente con il progredire della crescita, e il flusso di materiale nell'area della materia prima continua a diminuire, a causa dell'apertura del canale di flusso d'aria sul bordo del crogiolo e dell'ostruzione della ricristallizzazione nella parte superiore; nella camera di crescita, la velocità di flusso del materiale della struttura 0 diminuisce rapidamente nelle prime 30 ore fino al 16%, e diminuisce solo del 3% nel tempo successivo, mentre la struttura 1 rimane relativamente stabile durante tutto il processo di crescita. Pertanto, il PG aiuta a stabilizzare la velocità di flusso del materiale nella camera di crescita. La Figura 4(d) confronta la velocità di flusso del materiale sul fronte di crescita del cristallo. All'istante iniziale e dopo 100 ore, il trasporto di materiale nella zona di crescita della struttura 0 è più intenso rispetto a quello nella struttura 1, ma al bordo della struttura 0 si osserva sempre un'area ad alta velocità di flusso, che porta a una crescita eccessiva in corrispondenza del bordo stesso. La presenza di PG nella struttura 1 sopprime efficacemente questo fenomeno.
Figura 3 Flusso di materiale nel crogiolo. Linee di flusso (a sinistra) e vettori di velocità (a destra) del trasporto di materiale gassoso nelle strutture 0 e 1 in momenti diversi, unità del vettore di velocità: m/s
Figura 4 Variazioni della portata del materiale. (a) Variazioni della distribuzione della portata del materiale al centro della materia prima della struttura 0 a 0, 30, 60 e 100 h, r è il raggio dell'area della materia prima; (b) Variazioni della distribuzione della portata del materiale al centro della materia prima della struttura 1 a 0, 30, 60 e 100 h, r è il raggio dell'area della materia prima; (c) Variazioni della portata del materiale all'interno della camera di crescita (A, B) e all'interno della materia prima (C, D) delle strutture 0 e 1 nel tempo; (d) Distribuzione della portata del materiale vicino alla superficie del cristallo seme delle strutture 0 e 1 a 0 e 100 h, r è il raggio del cristallo seme
Il rapporto C/Si influenza la stabilità cristallina e la densità dei difetti nella crescita dei cristalli di SiC. La Figura 5(a) confronta la distribuzione del rapporto C/Si delle due strutture all'istante iniziale. Il rapporto C/Si diminuisce gradualmente dal basso verso l'alto del crogiolo e il rapporto C/Si della struttura 1 è sempre superiore a quello della struttura 0 in diverse posizioni. Le Figure 5(b) e 5(c) mostrano che il rapporto C/Si aumenta gradualmente con la crescita, il che è correlato all'aumento della temperatura interna nella fase successiva della crescita, al miglioramento della grafitizzazione della materia prima e alla reazione dei componenti Si in fase gassosa con il crogiolo di grafite. Nella Figura 5(d), i rapporti C/Si della struttura 0 e della struttura 1 sono piuttosto diversi al di sotto di PG (0, 25 mm), ma leggermente diversi al di sopra di PG (50 mm), e la differenza aumenta gradualmente man mano che ci si avvicina al cristallo. In generale, il rapporto C/Si della struttura 1 è più elevato, il che contribuisce a stabilizzare la forma del cristallo e a ridurre la probabilità di transizione di fase.
Figura 5 Distribuzione e variazioni del rapporto C/Si. (a) Distribuzione del rapporto C/Si nei crogioli di struttura 0 (sinistra) e struttura 1 (destra) a 0 h; (b) Rapporto C/Si a diverse distanze dalla linea centrale del crogiolo di struttura 0 in diversi istanti (0, 30, 60, 100 h); (c) Rapporto C/Si a diverse distanze dalla linea centrale del crogiolo di struttura 1 in diversi istanti (0, 30, 60, 100 h); (d) Confronto del rapporto C/Si a diverse distanze (0, 25, 50, 75, 100 mm) dalla linea centrale del crogiolo di struttura 0 (linea continua) e struttura 1 (linea tratteggiata) in diversi istanti (0, 30, 60, 100 h).
La Figura 6 mostra le variazioni del diametro delle particelle e della porosità delle regioni di materia prima delle due strutture. La figura mostra che il diametro della materia prima diminuisce e la porosità aumenta vicino alla parete del crogiolo, mentre la porosità del bordo continua ad aumentare e il diametro delle particelle continua a diminuire con il progredire della crescita. La porosità massima del bordo è di circa 0,99 a 100 ore e il diametro minimo delle particelle è di circa 300 μm. Il diametro delle particelle aumenta e la porosità diminuisce sulla superficie superiore della materia prima, corrispondente alla ricristallizzazione. Lo spessore dell'area di ricristallizzazione aumenta con il progredire della crescita e la dimensione delle particelle e la porosità continuano a cambiare. Il diametro massimo delle particelle raggiunge oltre 1500 μm e la porosità minima è di 0,13. Inoltre, poiché PG aumenta la temperatura dell'area della materia prima e la sovrasaturazione del gas è bassa, lo spessore di ricristallizzazione della parte superiore della materia prima della struttura 1 è piccolo, il che migliora il tasso di utilizzo della materia prima.
Figura 6 Variazioni del diametro delle particelle (a sinistra) e della porosità (a destra) dell'area della materia prima della struttura 0 e della struttura 1 in momenti diversi, unità di misura del diametro delle particelle: μm
La Figura 7 mostra che la struttura 0 si deforma all'inizio della crescita, il che potrebbe essere correlato all'eccessiva velocità di flusso del materiale causata dalla grafitizzazione del bordo della materia prima. Il grado di deformazione si attenua durante il successivo processo di crescita, che corrisponde alla variazione della velocità di flusso del materiale sul fronte di crescita del cristallo della struttura 0 nella Figura 4 (d). Nella struttura 1, grazie all'effetto del PG, l'interfaccia del cristallo non mostra deformazioni. Inoltre, il PG rende anche la velocità di crescita della struttura 1 significativamente inferiore a quella della struttura 0. Lo spessore centrale del cristallo della struttura 1 dopo 100 ore è solo il 68% di quello della struttura 0.
Figura 7 Cambiamenti dell'interfaccia dei cristalli di struttura 0 e struttura 1 a 30, 60 e 100 ore
La crescita dei cristalli è stata effettuata nelle condizioni di processo della simulazione numerica. I cristalli cresciuti con la struttura 0 e con la struttura 1 sono mostrati rispettivamente nella Figura 8(a) e nella Figura 8(b). Il cristallo con la struttura 0 mostra un'interfaccia concava, con ondulazioni nell'area centrale e una transizione di fase al bordo. La convessità della superficie rappresenta un certo grado di disomogeneità nel trasporto dei materiali in fase gassosa, e la presenza della transizione di fase corrisponde al basso rapporto C/Si. L'interfaccia del cristallo cresciuto con la struttura 1 è leggermente convessa, non si osserva alcuna transizione di fase e lo spessore è pari al 65% di quello del cristallo senza PG. In generale, i risultati della crescita dei cristalli corrispondono ai risultati della simulazione, con una maggiore differenza di temperatura radiale all'interfaccia del cristallo della struttura 1, la crescita rapida al bordo è soppressa e la velocità di flusso complessiva del materiale è più lenta. L'andamento generale è coerente con i risultati della simulazione numerica.
Figura 8 Cristalli di SiC cresciuti sotto la struttura 0 e la struttura 1
Conclusione
Il PG contribuisce al miglioramento della temperatura complessiva dell'area della materia prima e al miglioramento dell'uniformità termica assiale e radiale, promuovendo la completa sublimazione e l'utilizzo della materia prima; la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore aumenta e il gradiente radiale della superficie del cristallo seme aumenta, il che aiuta a mantenere la crescita dell'interfaccia convessa. In termini di trasferimento di massa, l'introduzione del PG riduce la velocità di trasferimento di massa complessiva, la velocità di flusso del materiale nella camera di crescita contenente PG varia meno nel tempo e l'intero processo di crescita è più stabile. Allo stesso tempo, il PG inibisce anche efficacemente il verificarsi di un eccessivo trasferimento di massa ai bordi. Inoltre, il PG aumenta anche il rapporto C/Si dell'ambiente di crescita, in particolare sul bordo anteriore dell'interfaccia del cristallo seme, il che aiuta a ridurre il verificarsi di cambiamenti di fase durante il processo di crescita. Allo stesso tempo, l'effetto di isolamento termico del PG riduce in una certa misura il verificarsi di ricristallizzazione nella parte superiore della materia prima. Per la crescita dei cristalli, il PG rallenta la velocità di crescita dei cristalli, ma l'interfaccia di crescita è più convessa. Pertanto, il PG rappresenta un mezzo efficace per migliorare l'ambiente di crescita dei cristalli di SiC e ottimizzare la qualità dei cristalli.
Data di pubblicazione: 18 giugno 2024