Proses asas bagiSiCPertumbuhan kristal dibahagikan kepada pemejalwapan dan penguraian bahan mentah pada suhu tinggi, pengangkutan bahan fasa gas di bawah tindakan kecerunan suhu, dan pertumbuhan penghabluran semula bahan fasa gas pada kristal benih. Berdasarkan ini, bahagian dalam mangkuk pijar dibahagikan kepada tiga bahagian: kawasan bahan mentah, ruang pertumbuhan dan kristal benih. Model simulasi berangka telah dilukis berdasarkan rintangan sebenar.SiCperalatan pertumbuhan kristal tunggal (lihat Rajah 1). Dalam pengiraan: bahagian bawahmangkuk pijaradalah 90 mm dari bahagian bawah pemanas sisi, suhu atas mangkuk pijar ialah 2100 ℃, diameter zarah bahan mentah ialah 1000 μm, keliangan ialah 0.6, tekanan pertumbuhan ialah 300 Pa, dan masa pertumbuhan ialah 100 jam. Ketebalan PG ialah 5 mm, diameternya sama dengan diameter dalam mangkuk pijar, dan ia terletak 30 mm di atas bahan mentah. Proses pemejalwapan, pengkarbonan, dan penghabluran semula zon bahan mentah dipertimbangkan dalam pengiraan, dan tindak balas antara PG dan bahan fasa gas tidak dipertimbangkan. Parameter sifat fizikal berkaitan pengiraan ditunjukkan dalam Jadual 1.
Rajah 1 Model pengiraan simulasi. (a) Model medan terma untuk simulasi pertumbuhan kristal; (b) Pembahagian kawasan dalaman mangkuk pijar dan masalah fizikal yang berkaitan
Jadual 1 Beberapa parameter fizikal yang digunakan dalam pengiraan
Rajah 2(a) menunjukkan bahawa suhu struktur yang mengandungi PG (dilambangkan sebagai struktur 1) adalah lebih tinggi daripada struktur bebas PG (dilambangkan sebagai struktur 0) di bawah PG, dan lebih rendah daripada struktur 0 di atas PG. Kecerunan suhu keseluruhan meningkat, dan PG bertindak sebagai agen penebat haba. Menurut Rajah 2(b) dan 2(c), kecerunan suhu paksi dan jejari struktur 1 dalam zon bahan mentah adalah lebih kecil, taburan suhu lebih seragam, dan pemejalwapan bahan adalah lebih lengkap. Tidak seperti zon bahan mentah, Rajah 2(c) menunjukkan bahawa kecerunan suhu jejari pada kristal benih struktur 1 adalah lebih besar, yang mungkin disebabkan oleh perkadaran mod pemindahan haba yang berbeza, yang membantu kristal tumbuh dengan antara muka cembung. Dalam Rajah 2(d), suhu pada kedudukan yang berbeza dalam mangkuk pijar menunjukkan trend yang meningkat apabila pertumbuhan berkembang, tetapi perbezaan suhu antara struktur 0 dan struktur 1 secara beransur-ansur berkurangan dalam zon bahan mentah dan secara beransur-ansur meningkat dalam ruang pertumbuhan.
Rajah 2 Taburan suhu dan perubahan dalam mangkuk pijar. (a) Taburan suhu di dalam mangkuk pijar struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada 0 jam, unit: ℃; (b) Taburan suhu pada garis tengah mangkuk pijar struktur 0 dan struktur 1 dari bahagian bawah bahan mentah ke kristal biji pada 0 jam; (c) Taburan suhu dari pusat ke tepi mangkuk pijar pada permukaan kristal biji (A) dan permukaan bahan mentah (B), tengah (C) dan bawah (D) pada 0 jam, paksi mendatar r ialah jejari kristal biji untuk A, dan jejari luas bahan mentah untuk B~D; (d) Perubahan suhu di tengah bahagian atas (A), permukaan bahan mentah (B) dan tengah (C) ruang pertumbuhan struktur 0 dan struktur 1 pada 0, 30, 60, dan 100 jam.
Rajah 3 menunjukkan pengangkutan bahan pada masa yang berbeza dalam mangkuk pijar struktur 0 dan struktur 1. Kadar aliran bahan fasa gas di kawasan bahan mentah dan ruang pertumbuhan meningkat dengan peningkatan kedudukan, dan pengangkutan bahan menjadi lemah apabila pertumbuhan berkembang. Rajah 3 juga menunjukkan bahawa di bawah keadaan simulasi, bahan mentah mula-mula menggrafitkan pada dinding sisi mangkuk pijar dan kemudian di bahagian bawah mangkuk pijar. Di samping itu, terdapat penghabluran semula pada permukaan bahan mentah dan ia secara beransur-ansur menebal apabila pertumbuhan berkembang. Rajah 4(a) dan 4(b) menunjukkan bahawa kadar aliran bahan di dalam bahan mentah berkurangan apabila pertumbuhan berkembang, dan kadar aliran bahan pada 100 jam adalah kira-kira 50% daripada momen awal; walau bagaimanapun, kadar aliran agak besar di tepi disebabkan oleh penggrafitan bahan mentah, dan kadar aliran di tepi adalah lebih daripada 10 kali ganda daripada kadar aliran di kawasan tengah pada 100 jam; Di samping itu, kesan PG dalam struktur 1 menjadikan kadar aliran bahan di kawasan bahan mentah struktur 1 lebih rendah daripada struktur 0. Dalam Rajah 4(c), aliran bahan di kedua-dua kawasan bahan mentah dan ruang pertumbuhan secara beransur-ansur menjadi lemah apabila pertumbuhan berlangsung, dan aliran bahan di kawasan bahan mentah terus berkurangan, yang disebabkan oleh pembukaan saluran aliran udara di tepi mangkuk pijar dan halangan penghabluran semula di bahagian atas; di ruang pertumbuhan, kadar aliran bahan struktur 0 menurun dengan cepat dalam 30 jam awal kepada 16%, dan hanya menurun sebanyak 3% pada masa berikutnya, manakala struktur 1 kekal agak stabil sepanjang proses pertumbuhan. Oleh itu, PG membantu menstabilkan kadar aliran bahan di ruang pertumbuhan. Rajah 4(d) membandingkan kadar aliran bahan di bahagian hadapan pertumbuhan kristal. Pada saat awal dan 100 jam, pengangkutan bahan dalam zon pertumbuhan struktur 0 adalah lebih kuat daripada struktur 1, tetapi sentiasa terdapat kawasan kadar aliran yang tinggi di pinggir struktur 0, yang membawa kepada pertumbuhan berlebihan di pinggir. Kehadiran PG dalam struktur 1 berkesan menyekat fenomena ini.
Rajah 3 Aliran bahan dalam mangkuk pijar. Menyelaraskan (kiri) dan vektor halaju (kanan) pengangkutan bahan gas dalam struktur 0 dan 1 pada masa yang berbeza, unit vektor halaju: m/s
Rajah 4 Perubahan dalam kadar aliran bahan. (a) Perubahan dalam taburan kadar aliran bahan di tengah-tengah bahan mentah struktur 0 pada 0, 30, 60, dan 100 jam, r ialah jejari kawasan bahan mentah; (b) Perubahan dalam taburan kadar aliran bahan di tengah-tengah bahan mentah struktur 1 pada 0, 30, 60, dan 100 jam, r ialah jejari kawasan bahan mentah; (c) Perubahan dalam kadar aliran bahan di dalam ruang pertumbuhan (A, B) dan di dalam bahan mentah (C, D) struktur 0 dan 1 dari semasa ke semasa; (d) Taburan kadar aliran bahan berhampiran permukaan kristal biji benih struktur 0 dan 1 pada 0 dan 100 jam, r ialah jejari kristal biji benih
C/Si mempengaruhi kestabilan kristal dan ketumpatan kecacatan pertumbuhan kristal SiC. Rajah 5(a) membandingkan taburan nisbah C/Si bagi kedua-dua struktur pada saat awal. Nisbah C/Si secara beransur-ansur berkurangan dari bahagian bawah ke bahagian atas mangkuk pijar, dan nisbah C/Si bagi struktur 1 sentiasa lebih tinggi daripada struktur 0 pada kedudukan yang berbeza. Rajah 5(b) dan 5(c) menunjukkan bahawa nisbah C/Si secara beransur-ansur meningkat dengan pertumbuhan, yang berkaitan dengan peningkatan suhu dalaman pada peringkat pertumbuhan yang lebih lewat, peningkatan penggrafitan bahan mentah, dan tindak balas komponen Si dalam fasa gas dengan mangkuk pijar grafit. Dalam Rajah 5(d), nisbah C/Si bagi struktur 0 dan struktur 1 agak berbeza di bawah PG (0, 25 mm), tetapi sedikit berbeza di atas PG (50 mm), dan perbezaannya secara beransur-ansur meningkat apabila ia menghampiri kristal. Secara amnya, nisbah C/Si bagi struktur 1 adalah lebih tinggi, yang membantu menstabilkan bentuk kristal dan mengurangkan kebarangkalian peralihan fasa.
Rajah 5 Taburan dan perubahan nisbah C/Si. (a) Taburan nisbah C/Si dalam mangkuk pijar struktur 0 (kiri) dan struktur 1 (kanan) pada 0 jam; (b) Nisbah C/Si pada jarak yang berbeza dari garis tengah mangkuk pijar struktur 0 pada masa yang berbeza (0, 30, 60, 100 jam); (c) Nisbah C/Si pada jarak yang berbeza dari garis tengah mangkuk pijar struktur 1 pada masa yang berbeza (0, 30, 60, 100 jam); (d) Perbandingan nisbah C/Si pada jarak yang berbeza (0, 25, 50, 75, 100 mm) dari garis tengah mangkuk pijar struktur 0 (garis pepejal) dan struktur 1 (garis putus-putus) pada masa yang berbeza (0, 30, 60, 100 jam).
Rajah 6 menunjukkan perubahan dalam diameter zarah dan keliangan kawasan bahan mentah bagi kedua-dua struktur. Rajah tersebut menunjukkan bahawa diameter bahan mentah berkurangan dan keliangan meningkat berhampiran dinding mangkuk pijar, dan keliangan tepi terus meningkat dan diameter zarah terus berkurangan apabila pertumbuhan berlangsung. Keliangan tepi maksimum adalah kira-kira 0.99 pada 100 jam, dan diameter zarah minimum adalah kira-kira 300 μm. Diameter zarah meningkat dan keliangan berkurangan pada permukaan atas bahan mentah, sepadan dengan penghabluran semula. Ketebalan kawasan penghabluran semula meningkat apabila pertumbuhan berlangsung, dan saiz dan keliangan zarah terus berubah. Diameter zarah maksimum mencapai lebih daripada 1500 μm, dan keliangan minimum ialah 0.13. Di samping itu, memandangkan PG meningkatkan suhu kawasan bahan mentah dan supertepu gas adalah kecil, ketebalan penghabluran semula bahagian atas bahan mentah struktur 1 adalah kecil, yang meningkatkan kadar penggunaan bahan mentah.
Rajah 6 Perubahan diameter zarah (kiri) dan keliangan (kanan) kawasan bahan mentah bagi struktur 0 dan struktur 1 pada masa yang berbeza, unit diameter zarah: μm
Rajah 7 menunjukkan bahawa struktur 0 melengkung pada permulaan pertumbuhan, yang mungkin berkaitan dengan kadar aliran bahan yang berlebihan yang disebabkan oleh penggrafitan tepi bahan mentah. Tahap melengkung menjadi lemah semasa proses pertumbuhan berikutnya, yang sepadan dengan perubahan kadar aliran bahan di bahagian hadapan pertumbuhan kristal struktur 0 dalam Rajah 4 (d). Dalam struktur 1, disebabkan oleh kesan PG, antara muka kristal tidak menunjukkan melengkung. Di samping itu, PG juga menjadikan kadar pertumbuhan struktur 1 jauh lebih rendah daripada struktur 0. Ketebalan pusat kristal struktur 1 selepas 100 jam hanya 68% daripada struktur 0.
Rajah 7 Perubahan antara muka struktur 0 dan struktur 1 kristal pada 30, 60, dan 100 jam
Pertumbuhan kristal dijalankan di bawah keadaan proses simulasi berangka. Kristal yang ditumbuhkan oleh struktur 0 dan struktur 1 masing-masing ditunjukkan dalam Rajah 8(a) dan Rajah 8(b). Kristal struktur 0 menunjukkan antara muka cekung, dengan alun-alun di kawasan tengah dan peralihan fasa di tepi. Kecembungan permukaan mewakili tahap ketidakhomogenan tertentu dalam pengangkutan bahan fasa gas, dan kejadian peralihan fasa sepadan dengan nisbah C/Si yang rendah. Antara muka kristal yang ditumbuhkan oleh struktur 1 adalah sedikit cembung, tiada peralihan fasa ditemui, dan ketebalannya ialah 65% daripada kristal tanpa PG. Secara amnya, hasil pertumbuhan kristal sepadan dengan hasil simulasi, dengan perbezaan suhu jejari yang lebih besar pada antara muka kristal struktur 1, pertumbuhan pesat di tepi disekat, dan kadar aliran bahan keseluruhan adalah lebih perlahan. Trend keseluruhan adalah konsisten dengan hasil simulasi berangka.
Rajah 8 Kristal SiC yang ditumbuhkan di bawah struktur 0 dan struktur 1
Kesimpulan
PG kondusif untuk peningkatan suhu keseluruhan kawasan bahan mentah dan peningkatan keseragaman suhu paksi dan jejari, menggalakkan pemejalwapan penuh dan penggunaan bahan mentah; perbezaan suhu atas dan bawah meningkat, dan kecerunan jejari permukaan kristal benih meningkat, yang membantu mengekalkan pertumbuhan antara muka cembung. Dari segi pemindahan jisim, pengenalan PG mengurangkan kadar pemindahan jisim keseluruhan, kadar aliran bahan dalam ruang pertumbuhan yang mengandungi PG kurang berubah mengikut masa, dan keseluruhan proses pertumbuhan lebih stabil. Pada masa yang sama, PG juga berkesan menghalang berlakunya pemindahan jisim tepi yang berlebihan. Di samping itu, PG juga meningkatkan nisbah C/Si persekitaran pertumbuhan, terutamanya di tepi hadapan antara muka kristal benih, yang membantu mengurangkan berlakunya perubahan fasa semasa proses pertumbuhan. Pada masa yang sama, kesan penebat haba PG mengurangkan berlakunya penghabluran semula di bahagian atas bahan mentah sehingga tahap tertentu. Untuk pertumbuhan kristal, PG memperlahankan kadar pertumbuhan kristal, tetapi antara muka pertumbuhan lebih cembung. Oleh itu, PG merupakan cara yang berkesan untuk meningkatkan persekitaran pertumbuhan kristal SiC dan mengoptimumkan kualiti kristal.
Masa siaran: 18 Jun 2024