De Basisprozess vunSiCKristallwuesstum gëtt opgedeelt a Sublimatioun an Zersetzung vu Réistoffer bei héijer Temperatur, Transport vu Gasphasstoffer ënner der Wierkung vum Temperaturgradient, a Rekristallisatiounswuesstum vu Gasphasstoffer um Keimkristall. Op Basis dovun ass den Interieur vum Tiegel an dräi Deeler opgedeelt: Réistoffberäich, Wuesstumskammer a Keimkristall. E numerescht Simulatiounsmodell gouf op Basis vum tatsächleche Widderstand gezeechent.SiCAusrüstung fir d'Wuesstum vun engem Eenzelkristall (kuckt Figur 1). An der Berechnung: den ënneschten Deel vumTiegelass 90 mm vum Buedem vum Säitenheizkierper ewech, d'Uewertemperatur vum Tiegel ass 2100 ℃, den Duerchmiesser vun de Réimaterialpartikelen ass 1000 μm, d'Porositéit ass 0,6, den Wuessdrock ass 300 Pa, an d'Wuesszäit ass 100 Stonnen. D'PG-Déckt ass 5 mm, den Duerchmiesser ass gläich wéi den banneschten Duerchmiesser vum Tiegel, an et läit 30 mm iwwer dem Réimaterial. D'Sublimatiouns-, Karboniséierungs- a Rekristalliséierungsprozesser vun der Réimaterialzon ginn an der Berechnung berücksichtegt, an d'Reaktioun tëscht PG a Gasphas-Substanzen gëtt net berücksichtegt. Déi berechnungsbezunnen physikalesch Eegeschaftsparameter sinn an der Tabell 1 gewisen.
Figur 1 Simulatiounsberechnungsmodell. (a) Thermescht Feldmodell fir Kristallwuesstumssimulatioun; (b) Opdeelung vun der bannenzeger Fläch vum Tiegel a verbonne physikalesch Problemer
Tabelle 1 E puer physikalesch Parameteren, déi an der Berechnung benotzt goufen
Figur 2(a) weist, datt d'Temperatur vun der PG-halteger Struktur (bezeechent als Struktur 1) méi héich ass wéi déi vun der PG-fräier Struktur (bezeechent als Struktur 0) ënner PG, a méi niddreg wéi déi vun der Struktur 0 iwwer PG. Den allgemengen Temperaturgradient klëmmt, a PG wierkt als Wärmeisolatiounsmëttel. Geméiss de Figuren 2(b) an 2(c) sinn déi axial an radial Temperaturgradienten vun der Struktur 1 an der Rohmaterialzon méi kleng, d'Temperaturverdeelung ass méi gläichméisseg, an d'Sublimatioun vum Material ass méi komplett. Am Géigesaz zu der Rohmaterialzon weist Figur 2(c), datt de radialen Temperaturgradient um Keimkristall vun der Struktur 1 méi grouss ass, wat duerch déi ënnerschiddlech Proportioune vun ënnerschiddleche Wärmetransfermodi verursaacht ka ginn, wat dem Kristall hëlleft mat enger konvexer Grenzfläch ze wuessen. An der Figur 2(d) weist d'Temperatur op verschiddene Positiounen am Tiegel eng eropgoend Tendenz wéi d'Wuesstum virugeet, awer den Temperaturënnerscheed tëscht Struktur 0 a Struktur 1 hëlt an der Rohmaterialzon graduell of a klëmmt graduell an der Wuesstumskammer.
Figur 2 Temperaturverdeelung a Verännerungen am Tiegel. (a) Temperaturverdeelung am Tiegel vun der Struktur 0 (lénks) a Struktur 1 (riets) bei 0 Stonnen, Eenheet: ℃; (b) Temperaturverdeelung op der Mëttellinn vum Tiegel vun der Struktur 0 a Struktur 1 vum Buedem vum Réimaterial bis zum Keimkristall bei 0 Stonnen; (c) Temperaturverdeelung vum Zentrum bis zum Rand vum Tiegel op der Keimkristalluewerfläch (A) an der Réimaterialuewerfläch (B), Mëtt (C) a Buedem (D) bei 0 Stonnen, déi horizontal Achs r ass de Keimkristallradius fir A, an de Réimaterialflächeradius fir B~D; (d) Temperaturännerungen an der Mëtt vum ieweschten Deel (A), der Réimaterialuewerfläch (B) an der Mëtt (C) vun der Wuesskammer vun der Struktur 0 a Struktur 1 bei 0, 30, 60 an 100 Stonnen.
Figur 3 weist den Materialtransport zu verschiddenen Zäiten am Tiegel vun der Struktur 0 an der Struktur 1. De Flossrate vum Material an der Gasphas am Réimaterialberäich an der Wuesskammer klëmmt mat der Erhéijung vun der Positioun, an de Materialtransport schwächt mat der Entwécklung vum Wuesstum. Figur 3 weist och, datt ënner de Simulatiounsbedingungen de Réimaterial fir d'éischt op der Säitewand vum Tiegel graphitiséiert an dann um Buedem vum Tiegel. Zousätzlech gëtt et eng Rekristalliséierung op der Uewerfläch vum Réimaterial, déi graduell méi déck gëtt, mat der Entwécklung vum Wuesstum. D'Figuren 4(a) an 4(b) weisen, datt de Flossrate vum Material am Réimaterial mat der Entwécklung vum Wuesstum ofhëlt, an de Flossrate vum Material no 100 Stonnen ongeféier 50% vum Ufanksmoment ass; awer de Flossrate ass um Rand relativ grouss wéinst der Graphitiséierung vum Réimaterial, an de Flossrate um Rand ass méi wéi 10 Mol sou héich wéi de Flossrate am mëttleren Beräich no 100 Stonnen; Zousätzlech mécht den Effekt vu PG an der Struktur 1 d'Materialduerchflussquote am Réistoffberäich vun der Struktur 1 méi niddreg wéi déi vun der Struktur 0. An der Figur 4(c) schwächt de Materialduerchfluss souwuel am Réistoffberäich wéi och an der Wuesskammer graduell of, wéi d'Wuesstum virugeet, an de Materialduerchfluss am Réistoffberäich hëlt weider of, wat duerch d'Ouverture vum Loftduerchflusskanal um Rand vum Tiegel an d'Behënnerung vun der Rekristallisatioun uewen verursaacht gëtt; an der Wuesskammer hëlt d'Materialduerchflussquote vun der Struktur 0 an den éischten 30 Stonnen séier op 16% of, an nëmmen ëm 3% an der spéiderer Zäit, während d'Struktur 1 während dem ganze Wuesstumsprozess relativ stabil bleift. Dofir hëlleft PG d'Materialduerchflussquote an der Wuesskammer ze stabiliséieren. Figur 4(d) vergläicht d'Materialduerchflussquote un der Kristallwuesstumsfront. Am Ufank an no 100 Stonnen ass den Materialtransport an der Wuestumszon vun der Struktur 0 méi staark wéi dee vun der Struktur 1, awer et gëtt ëmmer e Beräich mat héijer Duerchflussquote um Rand vun der Struktur 0, wat zu engem exzessive Wuestum um Rand féiert. D'Präsenz vu PG an der Struktur 1 ënnerdréckt dëst Phänomen effektiv.
Figur 3 Materialfloss am Tiegel. Stréimlinnen (lénks) a Geschwindegkeetsvektoren (riets) vum Gasmaterialtransport an de Strukturen 0 an 1 zu verschiddenen Zäiten, Geschwindegkeetsvektoreneenheet: m/s
Figur 4 Ännerungen am Materialduerchfluss. (a) Ännerungen an der Verdeelung vum Materialduerchfluss an der Mëtt vum Réimaterial vun der Struktur 0 bei 0, 30, 60 an 100 Stonnen, r ass de Radius vum Réimaterialberäich; (b) Ännerungen an der Verdeelung vum Materialduerchfluss an der Mëtt vum Réimaterial vun der Struktur 1 bei 0, 30, 60 an 100 Stonnen, r ass de Radius vum Réimaterialberäich; (c) Ännerungen am Materialduerchfluss an der Wuesskammer (A, B) an am Réimaterial (C, D) vun de Strukturen 0 an 1 am Laf vun der Zäit; (d) Verdeelung vum Materialduerchfluss no bei der Keimkristalluewerfläch vun de Strukturen 0 an 1 bei 0 an 100 Stonnen, r ass de Radius vum Keimkristall
C/Si beaflosst d'kristallin Stabilitéit an d'Defektdicht vum SiC-Kristallwuesstum. Figur 5(a) vergläicht d'Verdeelung vum C/Si-Verhältnis vun den zwou Strukturen am Ufanksmoment. D'C/Si-Verhältnis hëlt graduell vun ënnen no uewen am Tiegel of, an d'C/Si-Verhältnis vun der Struktur 1 ass ëmmer méi héich wéi dat vun der Struktur 0 op verschiddene Positiounen. D'Figuren 5(b) an 5(c) weisen, datt d'C/Si-Verhältnis graduell mam Wuesstum eropgeet, wat mat der Erhéijung vun der interner Temperatur an der spéiderer Phas vum Wuesstum, der Verbesserung vun der Graphitiséierung vum Rohmaterial an der Reaktioun vu Si-Komponenten an der Gasphas mam Graphittiegel zesummenhänkt. An der Figur 5(d) sinn d'C/Si-Verhältnisser vun der Struktur 0 an der Struktur 1 ënner PG (0, 25 mm) zimlech ënnerschiddlech, awer liicht ënnerschiddlech iwwer PG (50 mm), an den Ënnerscheed hëlt graduell zou, wa se dem Kristall méi no kënnt. Am Allgemengen ass d'C/Si-Verhältnis vun der Struktur 1 méi héich, wat hëlleft, d'Kristallform ze stabiliséieren an d'Wahrscheinlechkeet vun engem Phaseniwwergang ze reduzéieren.
Figur 5 Verdeelung a Verännerunge vum C/Si-Verhältnis. (a) Verdeelung vum C/Si-Verhältnis an Tiegel vun der Struktur 0 (lénks) a Struktur 1 (riets) bei 0 Stonnen; (b) C/Si-Verhältnis a verschiddenen Distanzen vun der Mëttellinn vum Tiegel vun der Struktur 0 zu verschiddenen Zäiten (0, 30, 60, 100 Stonnen); (c) C/Si-Verhältnis a verschiddenen Distanzen vun der Mëttellinn vum Tiegel vun der Struktur 1 zu verschiddenen Zäiten (0, 30, 60, 100 Stonnen); (d) Vergläich vum C/Si-Verhältnis a verschiddenen Distanzen (0, 25, 50, 75, 100 mm) vun der Mëttellinn vum Tiegel vun der Struktur 0 (durchgezunn Linn) a Struktur 1 (gestrechelt Linn) zu verschiddenen Zäiten (0, 30, 60, 100 Stonnen).
Figur 6 weist d'Ännerungen am Partikelduerchmiesser a Porositéit vun de Réimaterialregiounen vun den zwou Strukturen. D'Figur weist, datt den Duerchmiesser vum Réimaterial no bei der Tiegelwand ofhëlt an d'Porositéit eropgeet, an d'Kantporositéit weider eropgeet an den Partikelduerchmiesser weider erofgeet, wa sech d'Wuesstem virugeet. Déi maximal Kantporositéit ass ongeféier 0,99 no 100 Stonnen, an de minimale Partikelduerchmiesser ass ongeféier 300 μm. Den Partikelduerchmiesser eropgeet an d'Porositéit erofgeet op der ieweschter Uewerfläch vum Réimaterial, wat der Rekristallisatioun entsprécht. D'Déckt vun der Rekristallisatiounsfläch eropgeet, wa sech d'Wuesstem virugeet, an d'Partikelgréisst an d'Porositéit änneren sech weider. Den maximalen Partikelduerchmiesser erreecht méi wéi 1500 μm, an déi minimal Porositéit ass 0,13. Zousätzlech, well PG d'Temperatur vun der Réimaterialfläch erhéicht an d'Gasiwwersättigung kleng ass, ass d'Rekristallisatiounsdéckt vum ieweschten Deel vum Réimaterial vun der Struktur 1 kleng, wat d'Auslastungsquote vum Réimaterial verbessert.
Figur 6 Ännerungen am Partikelduerchmiesser (lénks) a Porositéit (riets) vun der Rohmaterialfläch vun der Struktur 0 a Struktur 1 zu verschiddenen Zäiten, Partikelduerchmiesser Eenheet: μm
Figur 7 weist, datt Struktur 0 sech um Ufank vum Wuesstum verzerrt, wat mat der exzessiver Materialduerchflussquote zesummenhänke kéint, déi duerch d'Graphitiséierung vum Réimaterialrand verursaacht gëtt. De Grad vun der Verzerrung gëtt während dem spéidere Wuesstumsprozess geschwächt, wat mat der Ännerung vun der Materialduerchflussquote un der Front vum Kristallwuesstum vun der Struktur 0 an der Figur 4 (d) entsprécht. An der Struktur 1 weist d'Kristallgrenzfläche wéinst dem Effekt vu PG keng Verzerrung. Zousätzlech mécht PG d'Wuesstumsquote vun der Struktur 1 däitlech méi niddreg wéi déi vun der Struktur 0. D'Mëttdicke vum Kristall vun der Struktur 1 no 100 Stonnen ass nëmmen 68% vun där vun der Struktur 0.
Figur 7 Grenzflächenännerungen vun de Kristaller vun der Struktur 0 an der Struktur 1 no 30, 60 an 100 Stonnen
D'Kristallwuesstum gouf ënner de Prozessbedingungen vun der numerescher Simulatioun duerchgefouert. D'Kristaller, déi duerch Struktur 0 a Struktur 1 gewuess sinn, sinn an der Figur 8(a) respektiv Figur 8(b) gewisen. De Kristall vun der Struktur 0 weist eng konkav Grenzfläch, mat Wellungen am zentralen Beräich an engem Phaseniwwergang um Rand. D'Uewerflächenkonvexitéit representéiert e gewësse Grad vun Inhomogenitéit beim Transport vu Gasphasmaterialien, an d'Optriede vum Phaseniwwergang entsprécht dem niddrege C/Si-Verhältnis. D'Grenzfläch vum Kristall, deen duerch Struktur 1 gewuess ass, ass liicht konvex, et gëtt kee Phaseniwwergang festgestallt, an d'Déckt ass 65% vun der Kristall ouni PG. Am Allgemengen entspriechen d'Kristallwuesstumsresultater de Simulatiounsresultater, mat engem gréisseren radialen Temperaturënnerscheed op der Kristallgrenzfläch vun der Struktur 1, dem schnelle Wuesstum um Rand gëtt ënnerdréckt, an dem Gesamtmaterialfluss ass méi lues. Den allgemengen Trend entsprécht den numeresche Simulatiounsresultater.
Figur 8 SiC-Kristaller, déi ënner der Struktur 0 an der Struktur 1 gewuess sinn
Conclusioun
PG dréit zur Verbesserung vun der Gesamttemperatur vum Réimaterialberäich an zur Verbesserung vun der axialer an radialer Temperaturuniformitéit bäi, wat d'voll Sublimatioun an d'Ausnotzung vum Réimaterial fördert; den Temperaturënnerscheed tëscht den ieweschten an ënneschten Deeler klëmmt, an de radiale Gradient vun der Uewerfläch vum Somkristall klëmmt, wat hëlleft, de Wuesstum vun der konvexer Grenzfläch z'erhalen. Wat de Massentransfer ugeet, reduzéiert d'Aféierung vu PG den allgemenge Massentransferrate, de Materialduerchfluss an der Wuesskammer, déi PG enthält, ännert sech manner mat der Zäit, an de ganze Wuessprozess ass méi stabil. Gläichzäiteg hemmt PG och effektiv den Optriede vun engem exzessive Randmassentransfer. Zousätzlech erhéicht PG och de C/Si-Verhältnis vun der Wuessumgebung, besonnesch um viischte Rand vun der Grenzfläch vum Somkristall, wat hëlleft, den Optriede vun engem Phasenännerung während dem Wuessprozess ze reduzéieren. Gläichzäiteg reduzéiert den thermeschen Isolatiounseffekt vu PG bis zu engem gewësse Grad den Optriede vun der Rekristallisatioun am ieweschten Deel vum Réimaterial. Fir de Kristallwuesstum verlangsamt PG de Kristallwuesstumsrate, awer d'Wuesstumsgrenzfläch ass méi konvex. Dofir ass PG e effektivt Mëttel fir d'Wuesstumsëmfeld vu SiC-Kristaller ze verbesseren an d'Kristallqualitéit ze optimiséieren.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 18. Juni 2024