Il-proċess bażiku ta'SiCIt-tkabbir tal-kristall huwa maqsum f'sublimazzjoni u dekompożizzjoni ta' materja prima f'temperatura għolja, trasport ta' sustanzi fil-fażi tal-gass taħt l-azzjoni tal-gradjent tat-temperatura, u tkabbir ta' rikristallizzazzjoni ta' sustanzi fil-fażi tal-gass fil-kristall taż-żerriegħa. Abbażi ta' dan, l-intern tal-griġjol huwa maqsum fi tliet partijiet: żona tal-materja prima, kamra tat-tkabbir u kristall taż-żerriegħa. Ġie mfassal mudell ta' simulazzjoni numerika bbażat fuq ir-reżistenza attwaliSiCTagħmir għat-tkabbir ta' kristall wieħed (ara l-Figura 1). Fil-kalkolu: il-qiegħ tal-griġjolhuwa 90 mm 'il bogħod mill-qiegħ tal-ħiter tal-ġenb, it-temperatura ta' fuq tal-griġjol hija 2100 ℃, id-dijametru tal-partiċelli tal-materja prima huwa 1000 μm, il-porożità hija 0.6, il-pressjoni tat-tkabbir hija 300 Pa, u l-ħin tat-tkabbir huwa 100 siegħa. Il-ħxuna tal-PG hija 5 mm, id-dijametru huwa ugwali għad-dijametru ta' ġewwa tal-griġjol, u jinsab 30 mm 'il fuq mill-materja prima. Il-proċessi ta' sublimazzjoni, karbonizzazzjoni, u rikristallizzazzjoni taż-żona tal-materja prima huma kkunsidrati fil-kalkolu, u r-reazzjoni bejn il-PG u s-sustanzi tal-fażi tal-gass mhix ikkunsidrata. Il-parametri tal-proprjetà fiżika relatati mal-kalkolu huma murija fit-Tabella 1.
Figura 1 Mudell ta' kalkolu ta' simulazzjoni. (a) Mudell ta' kamp termali għas-simulazzjoni tat-tkabbir tal-kristall; (b) Diviżjoni taż-żona interna tal-griġjol u problemi fiżiċi relatati
Tabella 1 Xi parametri fiżiċi użati fil-kalkolu
Il-Figura 2(a) turi li t-temperatura tal-istruttura li fiha l-PG (immarkata bħala struttura 1) hija ogħla minn dik tal-istruttura ħielsa mill-PG (immarkata bħala struttura 0) taħt il-PG, u aktar baxxa minn dik tal-istruttura 0 'il fuq mill-PG. Il-gradjent tat-temperatura ġenerali jiżdied, u l-PG jaġixxi bħala aġent ta' insulazzjoni tas-sħana. Skont il-Figuri 2(b) u 2(c), il-gradjenti tat-temperatura assjali u radjali tal-istruttura 1 fiż-żona tal-materja prima huma iżgħar, id-distribuzzjoni tat-temperatura hija aktar uniformi, u s-sublimazzjoni tal-materjal hija aktar kompluta. B'differenza miż-żona tal-materja prima, il-Figura 2(c) turi li l-gradjent tat-temperatura radjali fil-kristall taż-żerriegħa tal-istruttura 1 huwa akbar, li jista' jkun ikkawżat mill-proporzjonijiet differenti ta' modi differenti ta' trasferiment tas-sħana, li jgħin lill-kristall jikber b'interfaċċja konvessa. Fil-Figura 2(d), it-temperatura f'pożizzjonijiet differenti fil-griġjol turi xejra ta' żieda hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, iżda d-differenza fit-temperatura bejn l-istruttura 0 u l-istruttura 1 tonqos gradwalment fiż-żona tal-materja prima u tiżdied gradwalment fil-kamra tat-tkabbir.
Figura 2 Distribuzzjoni tat-temperatura u bidliet fil-griġjol. (a) Distribuzzjoni tat-temperatura ġewwa l-griġjol tal-istruttura 0 (xellug) u l-istruttura 1 (lemin) f'0 sigħat, unità: ℃; (b) Distribuzzjoni tat-temperatura fuq il-linja ċentrali tal-griġjol tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 mill-qiegħ tal-materja prima sal-kristall taż-żerriegħa f'0 sigħat; (ċ) Distribuzzjoni tat-temperatura miċ-ċentru sat-tarf tal-griġjol fuq il-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa (A) u l-wiċċ tal-materja prima (B), fin-nofs (Ċ) u fil-qiegħ (D) f'0 sigħat, l-assi orizzontali r huwa r-raġġ tal-kristall taż-żerriegħa għal A, u r-raġġ taż-żona tal-materja prima għal B~D; (d) Bidliet fit-temperatura fiċ-ċentru tal-parti ta' fuq (A), il-wiċċ tal-materja prima (B) u n-nofs (Ċ) tal-kamra tat-tkabbir tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 f'0, 30, 60, u 100 siegħa.
Il-Figura 3 turi t-trasport tal-materjal f'ħinijiet differenti fil-griġjol tal-istruttura 0 u l-istruttura 1. Ir-rata tal-fluss tal-materjal fil-fażi tal-gass fiż-żona tal-materja prima u l-kamra tat-tkabbir tiżdied biż-żieda tal-pożizzjoni, u t-trasport tal-materjal jiddgħajjef hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem. Il-Figura 3 turi wkoll li taħt il-kundizzjonijiet tas-simulazzjoni, il-materja prima l-ewwel tigrafizza fuq il-ħajt tal-ġenb tal-griġjol u mbagħad fuq il-qiegħ tal-griġjol. Barra minn hekk, hemm rikristallizzazzjoni fuq il-wiċċ tal-materja prima u din teħxien gradwalment hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem. Il-Figuri 4(a) u 4(b) juru li r-rata tal-fluss tal-materjal ġewwa l-materja prima tonqos hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u r-rata tal-fluss tal-materjal f'100 siegħa hija madwar 50% tal-mument inizjali; madankollu, ir-rata tal-fluss hija relattivament kbira fit-tarf minħabba l-grafitizzazzjoni tal-materja prima, u r-rata tal-fluss fit-tarf hija aktar minn 10 darbiet dik tar-rata tal-fluss fiż-żona tan-nofs f'100 siegħa; Barra minn hekk, l-effett tal-PG fl-istruttura 1 jagħmel ir-rata tal-fluss tal-materjal fiż-żona tal-materja prima tal-istruttura 1 aktar baxxa minn dik tal-istruttura 0. Fil-Figura 4(c), il-fluss tal-materjal kemm fiż-żona tal-materja prima kif ukoll fil-kamra tat-tkabbir jiddgħajjef gradwalment hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u l-fluss tal-materjal fiż-żona tal-materja prima jkompli jonqos, li huwa kkawżat mill-ftuħ tal-kanal tal-fluss tal-arja fit-tarf tal-griġjol u l-ostruzzjoni tar-rikristallizzazzjoni fil-parti ta' fuq; fil-kamra tat-tkabbir, ir-rata tal-fluss tal-materjal tal-istruttura 0 tonqos malajr fl-ewwel 30 siegħa għal 16%, u tonqos biss bi 3% fiż-żmien sussegwenti, filwaqt li l-istruttura 1 tibqa' relattivament stabbli matul il-proċess tat-tkabbir. Għalhekk, il-PG jgħin biex jistabbilizza r-rata tal-fluss tal-materjal fil-kamra tat-tkabbir. Il-Figura 4(d) tqabbel ir-rata tal-fluss tal-materjal fil-front tat-tkabbir tal-kristall. Fil-mument inizjali u wara 100 siegħa, it-trasport tal-materjal fiż-żona tat-tkabbir tal-istruttura 0 huwa aktar b'saħħtu minn dak fl-istruttura 1, iżda dejjem ikun hemm żona b'rata ta' fluss għolja fit-tarf tal-istruttura 0, li twassal għal tkabbir eċċessiv fit-tarf. Il-preżenza ta' PG fl-istruttura 1 trażżan dan il-fenomenu b'mod effettiv.
Figura 3 Fluss tal-materjal fil-griġjol. Linji ta' fluss (xellug) u vettori tal-veloċità (lemin) tat-trasport tal-materjal tal-gass fl-istrutturi 0 u 1 f'ħinijiet differenti, unità tal-vettur tal-veloċità: m/s
Figura 4 Bidliet fir-rata tal-fluss tal-materjal. (a) Bidliet fid-distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal f'nofs il-materja prima tal-istruttura 0 f'0, 30, 60, u 100 siegħa, r huwa r-raġġ taż-żona tal-materja prima; (b) Bidliet fid-distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal f'nofs il-materja prima tal-istruttura 1 f'0, 30, 60, u 100 siegħa, r huwa r-raġġ taż-żona tal-materja prima; (ċ) Bidliet fir-rata tal-fluss tal-materjal ġewwa l-kamra tat-tkabbir (A, B) u ġewwa l-materja prima (Ċ, D) tal-istrutturi 0 u 1 maż-żmien; (d) Distribuzzjoni tar-rata tal-fluss tal-materjal ħdejn il-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa tal-istrutturi 0 u 1 f'0 u 100 siegħa, r huwa r-raġġ tal-kristall taż-żerriegħa
C/Si jaffettwa l-istabbiltà kristallina u d-densità tad-difetti tat-tkabbir tal-kristall SiC. Il-Figura 5(a) tqabbel id-distribuzzjoni tal-proporzjon C/Si taż-żewġ strutturi fil-mument inizjali. Il-proporzjon C/Si jonqos gradwalment minn isfel għal fuq tal-griġjol, u l-proporzjon C/Si tal-istruttura 1 huwa dejjem ogħla minn dak tal-istruttura 0 f'pożizzjonijiet differenti. Il-Figuri 5(b) u 5(c) juru li l-proporzjon C/Si jiżdied gradwalment mat-tkabbir, li huwa relatat maż-żieda fit-temperatura interna fl-istadju aktar tard tat-tkabbir, it-titjib tal-grafitizzazzjoni tal-materja prima, u r-reazzjoni tal-komponenti Si fil-fażi tal-gass mal-griġjol tal-grafita. Fil-Figura 5(d), il-proporzjonijiet C/Si tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 huma pjuttost differenti taħt PG (0, 25 mm), iżda kemxejn differenti 'il fuq minn PG (50 mm), u d-differenza tiżdied gradwalment hekk kif toqrob lejn il-kristall. B'mod ġenerali, il-proporzjon C/Si tal-istruttura 1 huwa ogħla, li jgħin biex jistabbilizza l-forma tal-kristall u jnaqqas il-probabbiltà ta' tranżizzjoni tal-fażi.
Figura 5 Distribuzzjoni u bidliet fil-proporzjon C/Si. (a) Distribuzzjoni tal-proporzjon C/Si fil-griġjoli tal-istruttura 0 (xellug) u l-istruttura 1 (lemin) f'0 sigħat; (b) Proporzjon C/Si f'distanzi differenti mil-linja ċentrali tal-griġjoli tal-istruttura 0 f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 siegħa); (ċ) Proporzjon C/Si f'distanzi differenti mil-linja ċentrali tal-griġjoli tal-istruttura 1 f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 siegħa); (d) Paragun tal-proporzjon C/Si f'distanzi differenti (0, 25, 50, 75, 100 mm) mil-linja ċentrali tal-griġjoli tal-istruttura 0 (linja solida) u l-istruttura 1 (linja mqattgħa) f'ħinijiet differenti (0, 30, 60, 100 siegħa).
Il-Figura 6 turi l-bidliet fid-dijametru tal-partiċelli u l-porożità tar-reġjuni tal-materja prima taż-żewġ strutturi. Il-figura turi li d-dijametru tal-materja prima jonqos u l-porożità tiżdied ħdejn il-ħajt tal-griġjol, u l-porożità tat-tarf tkompli tiżdied u d-dijametru tal-partiċelli jkompli jonqos hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem. Il-porożità massima tat-tarf hija madwar 0.99 f'100 siegħa, u d-dijametru minimu tal-partiċelli huwa madwar 300 μm. Id-dijametru tal-partiċelli jiżdied u l-porożità tonqos fuq il-wiċċ ta' fuq tal-materja prima, li jikkorrispondi għar-rikristallizzazzjoni. Il-ħxuna taż-żona tar-rikristallizzazzjoni tiżdied hekk kif it-tkabbir jimxi 'l quddiem, u d-daqs tal-partiċelli u l-porożità jkomplu jinbidlu. Id-dijametru massimu tal-partiċelli jilħaq aktar minn 1500 μm, u l-porożità minima hija 0.13. Barra minn hekk, peress li l-PG iżid it-temperatura taż-żona tal-materja prima u s-supersaturazzjoni tal-gass hija żgħira, il-ħxuna tar-rikristallizzazzjoni tal-parti ta' fuq tal-materja prima tal-istruttura 1 hija żgħira, li ttejjeb ir-rata ta' utilizzazzjoni tal-materja prima.
Figura 6 Bidliet fid-dijametru tal-partiċelli (xellug) u l-porożità (lemin) taż-żona tal-materja prima tal-istruttura 0 u l-istruttura 1 f'ħinijiet differenti, unità tad-dijametru tal-partiċelli: μm
Il-Figura 7 turi li l-istruttura 0 titgħawweġ fil-bidu tat-tkabbir, li jista' jkun relatat mar-rata eċċessiva tal-fluss tal-materjal ikkawżata mill-grafitizzazzjoni tat-tarf tal-materja prima. Il-grad ta' tgħawwiġ jiddgħajjef matul il-proċess ta' tkabbir sussegwenti, li jikkorrispondi għall-bidla fir-rata tal-fluss tal-materjal fuq quddiem tat-tkabbir tal-kristall tal-istruttura 0 fil-Figura 4(d). Fl-istruttura 1, minħabba l-effett tal-PG, l-interfaċċja tal-kristall ma turiex tgħawwiġ. Barra minn hekk, il-PG jagħmel ukoll ir-rata tat-tkabbir tal-istruttura 1 sinifikament aktar baxxa minn dik tal-istruttura 0. Il-ħxuna taċ-ċentru tal-kristall tal-istruttura 1 wara 100 siegħa hija biss 68% ta' dik tal-istruttura 0.
Figura 7 Bidliet fl-interfaċċja tal-kristalli tal-istruttura 0 u tal-istruttura 1 fi 30, 60, u 100 siegħa
It-tkabbir tal-kristall twettaq taħt il-kundizzjonijiet tal-proċess ta' simulazzjoni numerika. Il-kristalli mkabbra mill-istruttura 0 u l-istruttura 1 huma murija fil-Figura 8(a) u l-Figura 8(b), rispettivament. Il-kristall tal-istruttura 0 juri interfaċċja konkava, b'ondulazzjonijiet fiż-żona ċentrali u tranżizzjoni tal-fażi fit-tarf. Il-konvessità tal-wiċċ tirrappreżenta ċertu grad ta' inomoġeneità fit-trasport ta' materjali fil-fażi tal-gass, u l-okkorrenza tat-tranżizzjoni tal-fażi tikkorrispondi għall-proporzjon baxx ta' C/Si. L-interfaċċja tal-kristall imkabbar mill-istruttura 1 hija kemxejn konvessa, ma tinstab l-ebda tranżizzjoni tal-fażi, u l-ħxuna hija 65% tal-kristall mingħajr PG. B'mod ġenerali, ir-riżultati tat-tkabbir tal-kristall jikkorrispondu mar-riżultati tas-simulazzjoni, b'differenza akbar fit-temperatura radjali fl-interfaċċja tal-kristall tal-istruttura 1, it-tkabbir mgħaġġel fit-tarf huwa mrażżan, u r-rata ġenerali tal-fluss tal-materjal hija aktar bil-mod. Ix-xejra ġenerali hija konsistenti mar-riżultati tas-simulazzjoni numerika.
Figura 8 Kristalli tas-SiC imkabbra taħt l-istruttura 0 u l-istruttura 1
Konklużjoni
Il-PG jgħin fit-titjib tat-temperatura ġenerali taż-żona tal-materja prima u fit-titjib tal-uniformità tat-temperatura assjali u radjali, u jippromwovi s-sublimazzjoni u l-użu sħiħ tal-materja prima; id-differenza fit-temperatura ta' fuq u ta' isfel tiżdied, u l-gradjent radjali tal-wiċċ tal-kristall taż-żerriegħa jiżdied, u dan jgħin biex iżomm it-tkabbir tal-interfaċċja konvessa. F'termini ta' trasferiment tal-massa, l-introduzzjoni tal-PG tnaqqas ir-rata ġenerali tat-trasferiment tal-massa, ir-rata tal-fluss tal-materjal fil-kamra tat-tkabbir li fiha l-PG tinbidel inqas maż-żmien, u l-proċess kollu tat-tkabbir ikun aktar stabbli. Fl-istess ħin, il-PG jinibixxi wkoll b'mod effettiv l-okkorrenza ta' trasferiment eċċessiv tal-massa fit-tarf. Barra minn hekk, il-PG iżid ukoll il-proporzjon C/Si tal-ambjent tat-tkabbir, speċjalment fit-tarf ta' quddiem tal-interfaċċja tal-kristall taż-żerriegħa, li jgħin biex inaqqas l-okkorrenza ta' bidla fil-fażi matul il-proċess tat-tkabbir. Fl-istess ħin, l-effett ta' insulazzjoni termali tal-PG inaqqas l-okkorrenza ta' rikristallizzazzjoni fil-parti ta' fuq tal-materja prima sa ċertu punt. Għat-tkabbir tal-kristall, il-PG inaqqas ir-rata tat-tkabbir tal-kristall, iżda l-interfaċċja tat-tkabbir tkun aktar konvessa. Għalhekk, il-PG huwa mezz effettiv biex itejjeb l-ambjent tat-tkabbir tal-kristalli tas-SiC u jottimizza l-kwalità tal-kristall.
Ħin tal-posta: 18 ta' Ġunju 2024