Основниот процес наSiCРастот на кристалите е поделен на сублимација и распаѓање на суровини на висока температура, транспорт на супстанции во гасна фаза под дејство на температурен градиент и раст на супстанции во гасна фаза со рекристализација на почетниот кристал. Врз основа на ова, внатрешноста на садот е поделена на три дела: површина на суровина, комора за раст и почетен кристал. Беше нацртан нумерички симулациски модел врз основа на реалниот отпорен елемент.SiCопрема за раст на монокристали (видете Слика 1). Во пресметката: дното насад за прскањее оддалечено 90 mm од дното на страничниот грејач, горната температура на садот е 2100 ℃, дијаметарот на честичките од суровината е 1000 μm, порозноста е 0,6, притисокот на раст е 300 Pa, а времето на раст е 100 h. Дебелината на PG е 5 mm, дијаметарот е еднаков на внатрешниот дијаметар на садот и се наоѓа 30 mm над суровината. Процесите на сублимација, карбонизација и рекристализација на зоната на суровината се земаат предвид во пресметката, а реакцијата помеѓу PG и супстанциите во гасна фаза не е земена предвид. Параметрите на физичките својства поврзани со пресметката се прикажани во Табела 1.
Слика 1 Модел на симулациска пресметка. (a) Модел на термичко поле за симулација на раст на кристали; (b) Поделба на внатрешната површина на садот и поврзани физички проблеми
Табела 1 Некои физички параметри што се користат во пресметката
Слика 2(a) покажува дека температурата на структурата што содржи PG (означена како структура 1) е повисока од онаа на структурата без PG (означена како структура 0) под PG и пониска од онаа на структурата 0 над PG. Вкупниот температурен градиент се зголемува, а PG делува како средство за топлинска изолација. Според сликите 2(b) и 2(c), аксијалните и радијалните температурни градиенти на структурата 1 во зоната на суровина се помали, распределбата на температурата е порамномерна, а сублимацијата на материјалот е поцелосна. За разлика од зоната на суровина, Слика 2(c) покажува дека радијалниот температурен градиент кај почетниот кристал на структурата 1 е поголем, што може да биде предизвикано од различните пропорции на различните режими на пренос на топлина, што му помага на кристалот да расте со конвексен интерфејс. На Слика 2(d), температурата на различни позиции во садот покажува тренд на зголемување како што напредува растот, но температурната разлика помеѓу структурата 0 и структурата 1 постепено се намалува во зоната на суровина и постепено се зголемува во комората за раст.
Слика 2 Распределба на температурата и промени во садот за печење. (a) Распределба на температурата во садот за печење со структура 0 (лево) и структура 1 (десно) во 0 часа, единица: ℃; (b) Распределба на температурата по централната линија на садот за печење со структура 0 и структура 1 од дното на суровината до кристалот за печење во 0 часа; (c) Распределба на температурата од центарот до работ на садот за печење на површината на кристалот за печење (A) и површината на суровината (B), средината (C) и дното (D) во 0 часа, хоризонталната оска r е радиусот на кристалот за печење за A, а радиусот на површината на суровината за B~D; (d) Промени на температурата во центарот на горниот дел (A), површината на суровината (B) и средината (C) од комората за раст со структура 0 и структура 1 во 0, 30, 60 и 100 часа.
Слика 3 го прикажува транспортот на материјал во различни периоди во садот со структура 0 и структура 1. Брзината на проток на материјал во гасна фаза во областа на суровината и комората за раст се зголемува со зголемување на положбата, а транспортот на материјалот се ослабува како што напредува растот. Слика 3, исто така, покажува дека под условите на симулација, суровината прво графитизира на страничниот ѕид на садот, а потоа на дното на садот. Покрај тоа, на површината на суровината се јавува рекристализација и таа постепено се згуснува како што напредува растот. Сликите 4(a) и 4(b) покажуваат дека брзината на проток на материјал во суровината се намалува како што напредува растот, а брзината на проток на материјал на 100 часа е околу 50% од почетниот момент; сепак, брзината на проток е релативно голема на работ поради графитизацијата на суровината, а брзината на проток на работ е повеќе од 10 пати поголема од брзината на проток во средната област на 100 часа; Покрај тоа, ефектот на PG во структурата 1 ја прави брзината на проток на материјал во областа на суровина од структурата 1 пониска од онаа на структурата 0. На Слика 4(c), протокот на материјал и во областа на суровина и во комората за раст постепено слабее како што напредува растот, а протокот на материјал во областа на суровина продолжува да се намалува, што е предизвикано од отворањето на каналот за проток на воздух на работ на садот и попречувањето на рекристализацијата на врвот; во комората за раст, брзината на проток на материјал од структурата 0 брзо се намалува во почетните 30 часа на 16%, а се намалува само за 3% во наредниот период, додека структурата 1 останува релативно стабилна во текот на целиот процес на раст. Затоа, PG помага да се стабилизира брзината на проток на материјал во комората за раст. Слика 4(d) ја споредува брзината на проток на материјал на фронтот на раст на кристалите. Во почетниот момент и 100 часа, транспортот на материјал во зоната на раст на структурата 0 е посилен отколку во структурата 1, но секогаш постои област со висок проток на работ на структурата 0, што доведува до прекумерен раст на работ. Присуството на PG во структурата 1 ефикасно го потиснува овој феномен.
Слика 3 Тек на материјал во огноотпорниот сад. Водови (лево) и вектори на брзина (десно) на транспорт на гасовит материјал во структури 0 и 1 во различни времиња, единица на вектор на брзина: m/s
Слика 4 Промени во брзината на проток на материјал. (a) Промени во распределбата на брзината на проток на материјал во средината на суровината од структура 0 на 0, 30, 60 и 100 h, r е радиусот на површината на суровината; (b) Промени во распределбата на брзината на проток на материјал во средината на суровината од структура 1 на 0, 30, 60 и 100 h, r е радиусот на површината на суровината; (c) Промени во брзината на проток на материјал во комората за раст (A, B) и во суровината (C, D) на структурите 0 и 1 со текот на времето; (d) Распределба на брзината на проток на материјал во близина на површината на кристалот на семето на структурите 0 и 1 на 0 и 100 h, r е радиусот на кристалот на семето
C/Si влијае на кристалната стабилност и густината на дефектите на растот на SiC кристалот. Слика 5(a) ја споредува распределбата на односот C/Si на двете структури во почетниот момент. Односот C/Si постепено се намалува од дното кон врвот на садот, а односот C/Si на структурата 1 е секогаш поголем од оној на структурата 0 на различни позиции. Сликите 5(b) и 5(c) покажуваат дека односот C/Si постепено се зголемува со растот, што е поврзано со зголемувањето на внатрешната температура во подоцнежната фаза на раст, подобрувањето на графитизацијата на суровината и реакцијата на компонентите на Si во гасната фаза со графитниот сад. На Слика 5(d), односите C/Si на структурата 0 и структурата 1 се доста различни под PG (0,25 mm), но малку различни над PG (50 mm), а разликата постепено се зголемува како што се приближува кон кристалот. Општо земено, односот C/Si на структурата 1 е поголем, што помага да се стабилизира кристалната форма и да се намали веројатноста за фазен премин.
Слика 5 Распределба и промени на односот C/Si. (a) Распределба на односот C/Si во садчиња со структура 0 (лево) и структура 1 (десно) во 0 часа; (b) Однос C/Si на различни растојанија од централната линија на садчето со структура 0 во различни времиња (0, 30, 60, 100 часа); (c) Однос C/Si на различни растојанија од централната линија на садчето со структура 1 во различни времиња (0, 30, 60, 100 часа); (d) Споредба на односот C/Si на различни растојанија (0, 25, 50, 75, 100 mm) од централната линија на садчето со структура 0 (непрекината линија) и структура 1 (испрекината линија) во различни времиња (0, 30, 60, 100 часа).
Слика 6 ги прикажува промените во дијаметарот на честичките и порозноста на регионите на суровините од двете структури. Сликата покажува дека дијаметарот на суровата материја се намалува, а порозноста се зголемува во близина на ѕидот на садот, а порозноста на работ продолжува да се зголемува и дијаметарот на честичките продолжува да се намалува како што напредува растот. Максималната порозност на работ е околу 0,99 на 100 часа, а минималниот дијаметар на честичките е околу 300 μm. Дијаметарот на честичките се зголемува, а порозноста се намалува на горната површина на суровата материја, што одговара на рекристализација. Дебелината на површината за рекристализација се зголемува како што напредува растот, а големината на честичките и порозноста продолжуваат да се менуваат. Максималниот дијаметар на честичките достигнува повеќе од 1500 μm, а минималната порозност е 0,13. Покрај тоа, бидејќи PG ја зголемува температурата на површината на суровата материја и презаситеноста со гас е мала, дебелината на рекристализацијата на горниот дел од суровата материја од структурата 1 е мала, што ја подобрува стапката на искористување на суровата материја.
Слика 6 Промени во дијаметарот на честичките (лево) и порозноста (десно) на површината на суровината од структурата 0 и структурата 1 во различни периоди, единица за дијаметар на честичките: μm
Слика 7 покажува дека структурата 0 се искривува на почетокот на растот, што може да биде поврзано со прекумерната брзина на проток на материјал предизвикана од графитизацијата на работ на суровината. Степенот на искривување е ослабен за време на последователниот процес на раст, што одговара на промената на брзината на проток на материјал на предниот дел од растот на кристалот на структурата 0 на Слика 4 (d). Во структурата 1, поради ефектот на PG, кристалната интерфејсна површина не покажува искривување. Покрај тоа, PG исто така ја прави брзината на раст на структурата 1 значително пониска од онаа на структурата 0. Дебелината на центарот на кристалот на структурата 1 по 100 часа е само 68% од онаа на структурата 0.
Слика 7 Промени на интерфејсот на кристалите од структура 0 и структура 1 на 30, 60 и 100 часа
Растот на кристалите беше извршен под условите на процесот на нумеричка симулација. Кристалите одгледувани според структурата 0 и структурата 1 се прикажани на Слика 8(a) и Слика 8(b), соодветно. Кристалот со структура 0 покажува конкавна површина, со бранови во централната област и фазен премин на работ. Конвексноста на површината претставува одреден степен на нехомогеност во транспортот на материјалите во гасна фаза, а појавата на фазен премин одговара на нискиот однос C/Si. Површината на кристалот одгледуван според структурата 1 е малку конвексна, не е пронајдена фазна транзиција, а дебелината е 65% од кристалот без PG. Општо земено, резултатите од растот на кристалите одговараат на резултатите од симулацијата, со поголема радијална температурна разлика на кристалната површина на структурата 1, брзиот раст на работ е потиснат, а вкупната брзина на проток на материјалот е побавна. Целокупниот тренд е во согласност со резултатите од нумеричката симулација.
Слика 8 Кристали на SiC одгледувани под структура 0 и структура 1
Заклучок
PG е погодна за подобрување на вкупната температура на површината на суровината и подобрување на аксијалната и радијалната температурна униформност, промовирајќи целосна сублимација и искористување на суровината; разликата во горната и долната температура се зголемува, а радијалниот градиент на површината на кристалот на семето се зголемува, што помага да се одржи конвексниот раст на интерфејсот. Во однос на преносот на маса, воведувањето на PG ја намалува вкупната брзина на пренос на маса, брзината на проток на материјалот во комората за раст што содржи PG се менува помалку со текот на времето, а целиот процес на раст е постабилен. Во исто време, PG исто така ефикасно ја инхибира појавата на прекумерен пренос на маса на работ. Покрај тоа, PG исто така го зголемува односот C/Si на средината за раст, особено на предниот раб на интерфејсот на кристалот на семето, што помага да се намали појавата на фазна промена за време на процесот на раст. Во исто време, ефектот на топлинска изолација на PG ја намалува појавата на рекристализација во горниот дел од суровината до одреден степен. За раст на кристалите, PG ја забавува брзината на раст на кристалите, но интерфејсот на раст е поконвексен. Затоа, PG е ефикасно средство за подобрување на средината за раст на SiC кристалите и оптимизирање на квалитетот на кристалите.
Време на објавување: 18 јуни 2024 година