Il processo di base diSiCLa crescita cristallina si suddivide 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 nel cristallo seme. Sulla base di ciò, l'interno del crogiolo è suddiviso in tre parti: area delle materie prime, camera di crescita e cristallo seme. È stato elaborato un modello di simulazione numerica basato sulla resistenza effettiva.SiCapparecchiature per la crescita di cristalli singoli (vedere Figura 1). Nel calcolo: il fondo delcrogioloLa zona di crescita del PG è a 90 mm dal fondo del riscaldatore laterale, la temperatura superiore del crogiolo è di 2100 °C, il diametro delle particelle di 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 ore. Lo spessore del PG è di 5 mm, il diametro è uguale al diametro interno del crogiolo e si trova a 30 mm sopra la materia prima. Nel calcolo sono considerati i processi di sublimazione, carbonizzazione e ricristallizzazione della zona della materia prima, mentre la reazione tra il PG e le sostanze in fase gassosa non è considerata. I parametri delle proprietà fisiche relativi al calcolo sono riportati 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 problemi fisici correlati
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 di PG, e inferiore a quella della struttura 0 al di sopra di PG. Il gradiente di temperatura complessivo aumenta e il PG agisce da agente termoisolante. Secondo le Figure 2(b) e 2(c), i gradienti di temperatura assiali e radiali della struttura 1 nella zona della materia prima sono minori, la distribuzione della temperatura è più uniforme e la sublimazione del materiale è più completa. A differenza della zona della materia prima, la Figura 2(c) mostra che il gradiente di temperatura radiale al cristallo di innesco della struttura 1 è maggiore, il che potrebbe essere causato dalle diverse proporzioni delle diverse modalità di trasferimento termico, che favoriscono la crescita del cristallo con un'interfaccia convessa. Nella Figura 2(d), la temperatura in diverse posizioni del crogiolo mostra un andamento crescente con l'avanzare della crescita, ma la differenza di temperatura tra la struttura 0 e la struttura 1 diminuisce gradualmente nella zona della materia prima e aumenta gradualmente nella camera di crescita.
Figura 2 Distribuzione della temperatura e variazioni nel crogiolo. (a) Distribuzione della temperatura all'interno del crogiolo della struttura 0 (sinistra) e della struttura 1 (destra) a 0 ore, 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 ore; (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 ore, 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), della 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 ore.
La Figura 3 mostra il trasporto di 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, mentre il trasporto di materiale si indebolisce con il progredire della crescita. La Figura 3 mostra inoltre che, nelle condizioni di simulazione, la materia prima si grafitizza prima sulla parete laterale del crogiolo e poi sul fondo. Inoltre, si verifica una ricristallizzazione sulla superficie della materia prima, che si addensa 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 ore è circa il 50% del momento iniziale; tuttavia, la portata è relativamente elevata ai bordi a causa della grafitizzazione della materia prima, e la portata ai bordi è oltre 10 volte superiore a quella nell'area centrale a 100 ore; Inoltre, l'effetto del PG nella struttura 1 rende la portata del materiale nell'area delle materie prime della struttura 1 inferiore a quella della struttura 0. Nella Figura 4(c), il flusso del materiale sia nell'area delle materie prime che nella camera di crescita si indebolisce gradualmente con il progredire della crescita, mentre il flusso del materiale nell'area delle materie prime continua a diminuire, a causa dell'apertura del canale di flusso d'aria sul bordo del crogiolo e dell'ostruzione della ricristallizzazione sulla parte superiore; nella camera di crescita, la portata 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 contribuisce a stabilizzare la portata del materiale nella camera di crescita. La Figura 4(d) confronta la portata del materiale sul fronte di crescita dei cristalli. All'istante iniziale e dopo 100 ore, il trasporto di materiale nella zona di crescita della struttura 0 è più intenso rispetto a quello della struttura 1, ma è sempre presente un'area di elevata portata ai margini della struttura 0, che porta a una crescita eccessiva lungo il margine. La presenza di PG nella struttura 1 sopprime efficacemente questo fenomeno.
Figura 3 Flusso di materiale nel crogiolo. Linee di corrente (a sinistra) e vettori di velocità (a destra) del trasporto di materiale gassoso nelle strutture 0 e 1 in tempi diversi, unità di misura del vettore di velocità: m/s.
Figura 4 Variazioni nella portata del materiale. (a) Variazioni nella distribuzione della portata del materiale al centro della materia prima della struttura 0 a 0, 30, 60 e 100 ore, r è il raggio dell'area della materia prima; (b) Variazioni nella distribuzione della portata del materiale al centro della materia prima della struttura 1 a 0, 30, 60 e 100 ore, r è il raggio dell'area della materia prima; (c) Variazioni nella 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 di avviamento delle strutture 0 e 1 a 0 e 100 ore, r è il raggio del cristallo di avviamento
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 al momento iniziale. Il rapporto C/Si diminuisce gradualmente dal fondo alla sommità 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, all'aumento della grafitizzazione della materia prima e alla reazione dei componenti del 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 cristallina 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 momenti diversi (0, 30, 60, 100 h); (c) Rapporto C/Si a diverse distanze dalla linea centrale del crogiolo di struttura 1 in momenti diversi (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 momenti diversi (0, 30, 60, 100 h).
La Figura 6 mostra le variazioni del diametro delle particelle e della porosità nelle regioni della materia prima delle due strutture. La figura mostra che il diametro della materia prima diminuisce e la porosità aumenta in prossimità della 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, in corrispondenza della ricristallizzazione. Lo spessore dell'area di ricristallizzazione aumenta con il progredire della crescita, mentre le dimensioni e la porosità delle particelle continuano a variare. Il diametro massimo delle particelle supera i 1500 μm e la porosità minima è di 0,13. Inoltre, poiché il PG aumenta la temperatura dell'area della materia prima e la sovrasaturazione del gas è piccola, 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 (sinistra) e della porosità (destra) dell'area della materia prima della struttura 0 e della struttura 1 in momenti diversi, unità di 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 nella parte anteriore della crescita cristallina della struttura 0 in Figura 4 (d). Nella struttura 1, a causa dell'effetto del PG, l'interfaccia cristallina non mostra deformazione. 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 cristallina è stata condotta nelle condizioni di processo della simulazione numerica. I cristalli cresciuti dalla struttura 0 e dalla struttura 1 sono mostrati rispettivamente in Figura 8(a) e Figura 8(b). Il cristallo della struttura 0 presenta un'interfaccia concava, con ondulazioni nella zona centrale e una transizione di fase al bordo. La convessità superficiale rappresenta un certo grado di disomogeneità nel trasporto dei materiali in fase gassosa e il verificarsi della transizione di fase corrisponde al basso rapporto C/Si. L'interfaccia del cristallo cresciuto dalla struttura 1 è leggermente convessa, non si osserva alcuna transizione di fase e lo spessore è pari al 65% del cristallo senza PG. In generale, i risultati della crescita cristallina corrispondono ai risultati della simulazione, con una maggiore differenza di temperatura radiale all'interfaccia del cristallo della struttura 1, la rapida crescita al bordo è soppressa e la velocità di flusso complessiva del materiale è inferiore. L'andamento generale è coerente con i risultati della simulazione numerica.
Figura 8 Cristalli di SiC cresciuti secondo 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 della temperatura assiale e radiale, promuovendo la completa sublimazione e utilizzazione della materia prima; la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore aumenta e il gradiente radiale della superficie del cristallo di avviamento aumenta, contribuendo 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 portata del materiale nella camera di crescita contenente PG varia meno nel tempo e l'intero processo di crescita risulta più stabile. Allo stesso tempo, il PG inibisce 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 di avviamento, contribuendo 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 quanto riguarda la crescita dei cristalli, il PG rallenta la velocità di crescita dei cristalli, ma l'interfaccia di crescita risulta più convessa. Pertanto, il PG è un mezzo efficace per migliorare l'ambiente di crescita dei cristalli di SiC e ottimizzarne la qualità.
Data di pubblicazione: 18 giugno 2024