Den grunnleggende prosessen medSiCKrystallvekst er delt inn i sublimering og dekomponering av råmaterialer ved høy temperatur, transport av gassfasestoffer under påvirkning av temperaturgradient, og omkrystalliseringsvekst av gassfasestoffer ved kimkrystallen. Basert på dette er det indre av digelen delt inn i tre deler: råmaterialeområde, vekstkammer og kimkrystall. En numerisk simuleringsmodell ble tegnet basert på den faktiske resistiveSiCutstyr for enkeltkrystallvekst (se figur 1). I beregningen: bunnen avdigeler 90 mm unna bunnen av sidevarmeren, er topptemperaturen i digelen 2100 ℃, råmaterialets partikkeldiameter er 1000 μm, porøsiteten er 0,6, veksttrykket er 300 Pa, og veksttiden er 100 timer. PG-tykkelsen er 5 mm, diameteren er lik digelens indre diameter, og den er plassert 30 mm over råmaterialet. Sublimerings-, karboniserings- og omkrystalliseringsprosessene i råmaterialesonen er tatt med i beregningen, og reaksjonen mellom PG og gassfasestoffer er ikke tatt med i beregningen. De beregningsrelaterte fysiske egenskapsparametrene er vist i tabell 1.
Figur 1 Simuleringsberegningsmodell. (a) Termisk feltmodell for krystallvekstsimulering; (b) Inndeling av digelens indre areal og relaterte fysiske problemer
Tabell 1 Noen fysiske parametere brukt i beregningen
Figur 2(a) viser at temperaturen til den PG-holdige strukturen (betegnet som struktur 1) er høyere enn temperaturen til den PG-frie strukturen (betegnet som struktur 0) under PG, og lavere enn temperaturen til struktur 0 over PG. Den totale temperaturgradienten øker, og PG fungerer som et varmeisolerende middel. I følge figur 2(b) og 2(c) er de aksiale og radiale temperaturgradientene til struktur 1 i råmaterialsonen mindre, temperaturfordelingen er mer jevn, og sublimeringen av materialet er mer fullstendig. I motsetning til råmaterialsonen viser figur 2(c) at den radielle temperaturgradienten ved kimkrystallen til struktur 1 er større, noe som kan skyldes de forskjellige proporsjonene av forskjellige varmeoverføringsmoduser, noe som hjelper krystallen å vokse med et konvekst grensesnitt. I figur 2(d) viser temperaturen på forskjellige posisjoner i digelen en økende trend etter hvert som veksten skrider frem, men temperaturforskjellen mellom struktur 0 og struktur 1 avtar gradvis i råmaterialsonen og øker gradvis i vekstkammeret.
Figur 2 Temperaturfordeling og endringer i digelen. (a) Temperaturfordeling inne i digelen for struktur 0 (venstre) og struktur 1 (høyre) ved 0 timer, enhet: ℃; (b) Temperaturfordeling på senterlinjen av digelen for struktur 0 og struktur 1 fra bunnen av råmaterialet til kimkrystallen ved 0 timer; (c) Temperaturfordeling fra sentrum til kanten av digelen på kimkrystalloverflaten (A) og råmaterialoverflaten (B), midten (C) og bunnen (D) ved 0 timer, den horisontale aksen r er kimkrystallradiusen for A, og råmaterialarealradiusen for B~D; (d) Temperaturendringer i midten av den øvre delen (A), råmaterialoverflaten (B) og midten (C) av vekstkammeret for struktur 0 og struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer.
Figur 3 viser materialtransporten på forskjellige tidspunkter i digelen i struktur 0 og struktur 1. Gassfasematerialets strømningshastighet i råmaterialeområdet og vekstkammeret øker med økende posisjon, og materialtransporten svekkes etter hvert som veksten skrider frem. Figur 3 viser også at råmaterialet under simuleringsbetingelsene først grafittiserer på sideveggen av digelen og deretter på bunnen av digelen. I tillegg skjer det omkrystallisering på overflaten av råmaterialet, og det tykner gradvis etter hvert som veksten skrider frem. Figur 4(a) og 4(b) viser at materialstrømningshastigheten inne i råmaterialet avtar etter hvert som veksten skrider frem, og materialstrømningshastigheten ved 100 timer er omtrent 50 % av startmomentet. Strømningshastigheten er imidlertid relativt stor ved kanten på grunn av grafittiseringen av råmaterialet, og strømningshastigheten ved kanten er mer enn 10 ganger større enn strømningshastigheten i midtområdet ved 100 timer. I tillegg gjør effekten av PG i struktur 1 at materialstrømningshastigheten i råmaterialområdet i struktur 1 er lavere enn i struktur 0. I figur 4(c) svekkes materialstrømmen i både råmaterialområdet og vekstkammeret gradvis etter hvert som veksten skrider frem, og materialstrømmen i råmaterialområdet fortsetter å avta, noe som skyldes åpningen av luftstrømningskanalen ved kanten av digelen og hindringen av omkrystallisering øverst. I vekstkammeret avtar materialstrømningshastigheten i struktur 0 raskt i løpet av de første 30 timene til 16 %, og avtar bare med 3 % i den påfølgende tiden, mens struktur 1 forblir relativt stabil gjennom hele vekstprosessen. Derfor bidrar PG til å stabilisere materialstrømningshastigheten i vekstkammeret. Figur 4(d) sammenligner materialstrømningshastigheten ved krystallvekstfronten. I det første øyeblikket og etter 100 timer er materialtransporten i vekstsonen til struktur 0 sterkere enn i struktur 1, men det er alltid et område med høy strømningshastighet ved kanten av struktur 0, noe som fører til overdreven vekst ved kanten. Tilstedeværelsen av PG i struktur 1 undertrykker effektivt dette fenomenet.
Figur 3 Materialstrøm i digelen. Strømningslinjer (venstre) og hastighetsvektorer (høyre) for gassmaterialetransport i struktur 0 og 1 på forskjellige tidspunkter, hastighetsvektorenhet: m/s
Figur 4 Endringer i materialstrømningshastighet. (a) Endringer i materialstrømningshastighetsfordelingen midt i råmaterialet i struktur 0 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radiusen til råmaterialeområdet; (b) Endringer i materialstrømningshastighetsfordelingen midt i råmaterialet i struktur 1 ved 0, 30, 60 og 100 timer, r er radiusen til råmaterialeområdet; (c) Endringer i materialstrømningshastigheten inne i vekstkammeret (A, B) og inne i råmaterialet (C, D) i struktur 0 og 1 over tid; (d) Materialstrømningshastighetsfordeling nær kimkrystalloverflaten i struktur 0 og 1 ved 0 og 100 timer, r er radiusen til kimkrystallen
C/Si påvirker krystallinsk stabilitet og defekttetthet i SiC-krystallvekst. Figur 5(a) sammenligner C/Si-forholdsfordelingen for de to strukturene i utgangspunktet. C/Si-forholdet avtar gradvis fra bunnen til toppen av digelen, og C/Si-forholdet for struktur 1 er alltid høyere enn for struktur 0 på forskjellige posisjoner. Figur 5(b) og 5(c) viser at C/Si-forholdet gradvis øker med vekst, noe som er relatert til økningen i indre temperatur i det senere vekststadiet, forbedringen av råmaterialets grafittisering og reaksjonen av Si-komponenter i gassfasen med grafittdigelen. I figur 5(d) er C/Si-forholdene for struktur 0 og struktur 1 ganske forskjellige under PG (0, 25 mm), men litt forskjellige over PG (50 mm), og forskjellen øker gradvis når den nærmer seg krystallen. Generelt er C/Si-forholdet for struktur 1 høyere, noe som bidrar til å stabilisere krystallformen og redusere sannsynligheten for faseovergang.
Figur 5 Fordeling og endringer av C/Si-forhold. (a) C/Si-forholdsfordeling i digler av struktur 0 (venstre) og struktur 1 (høyre) ved 0 t; (b) C/Si-forhold i forskjellige avstander fra senterlinjen til digelen av struktur 0 på forskjellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 t); (c) C/Si-forhold i forskjellige avstander fra senterlinjen til digelen av struktur 1 på forskjellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 t); (d) Sammenligning av C/Si-forhold i forskjellige avstander (0, 25, 50, 75, 100 mm) fra senterlinjen til digelen av struktur 0 (heltrukket linje) og struktur 1 (stiplet linje) på forskjellige tidspunkter (0, 30, 60, 100 t).
Figur 6 viser endringene i partikkeldiameter og porøsitet i råmaterialeområdene i de to strukturene. Figuren viser at råmaterialediameteren minker og porøsiteten øker nær digelveggen, og kantporøsiteten fortsetter å øke og partikkeldiameteren fortsetter å minke etter hvert som veksten skrider frem. Maksimal kantporøsitet er omtrent 0,99 ved 100 timer, og minimum partikkeldiameter er omtrent 300 μm. Partikkeldiameteren øker og porøsiteten minker på den øvre overflaten av råmaterialet, noe som tilsvarer omkrystallisering. Tykkelsen på omkrystalliseringsområdet øker etter hvert som veksten skrider frem, og partikkelstørrelsen og porøsiteten fortsetter å endre seg. Maksimal partikkeldiameter når mer enn 1500 μm, og minimum porøsitet er 0,13. I tillegg, siden PG øker temperaturen i råmaterialeområdet og gassovermetningen er liten, er omkrystalliseringstykkelsen på den øvre delen av råmaterialet i struktur 1 liten, noe som forbedrer råmaterialeutnyttelsesgraden.
Figur 6 Endringer i partikkeldiameter (venstre) og porøsitet (høyre) i råmaterialeområdet for struktur 0 og struktur 1 på forskjellige tidspunkter, partikkeldiameterenhet: μm
Figur 7 viser at struktur 0 vrir seg i begynnelsen av veksten, noe som kan være relatert til den for høye materialstrømningshastigheten forårsaket av grafittiseringen av råmaterialets kant. Graden av vridning svekkes under den påfølgende vekstprosessen, noe som tilsvarer endringen i materialstrømningshastigheten foran krystallveksten til struktur 0 i figur 4 (d). I struktur 1, på grunn av effekten av PG, viser ikke krystallgrensesnittet vridning. I tillegg gjør PG også vekstraten til struktur 1 betydelig lavere enn for struktur 0. Sentertykkelsen til krystallen i struktur 1 etter 100 timer er bare 68 % av den for struktur 0.
Figur 7 Grensesnittendringer for struktur 0- og struktur 1-krystaller ved 30, 60 og 100 timer
Krystallveksten ble utført under prosessbetingelsene i numerisk simulering. Krystallene som ble dyrket av struktur 0 og struktur 1 er vist i henholdsvis figur 8(a) og figur 8(b). Krystallen av struktur 0 viser et konkavt grensesnitt, med bølger i det sentrale området og en faseovergang ved kanten. Overflatekonveksiteten representerer en viss grad av inhomogenitet i transporten av gassfasematerialer, og forekomsten av faseovergang tilsvarer det lave C/Si-forholdet. Grensesnittet til krystallen som er dyrket av struktur 1 er svakt konveks, ingen faseovergang er funnet, og tykkelsen er 65 % av krystallen uten PG. Generelt samsvarer krystallvekstresultatene med simuleringsresultatene, med en større radiell temperaturforskjell ved krystallgrensesnittet til struktur 1, den raske veksten ved kanten er undertrykt, og den totale materialstrømningshastigheten er lavere. Den generelle trenden er i samsvar med de numeriske simuleringsresultatene.
Figur 8 SiC-krystaller dyrket under struktur 0 og struktur 1
Konklusjon
PG bidrar til å forbedre den totale temperaturen i råmaterialeområdet og forbedre den aksiale og radielle temperaturuniformiteten, noe som fremmer full sublimering og utnyttelse av råmaterialet. Temperaturforskjellen mellom topp og bunn øker, og den radielle gradienten på kimkrystalloverflaten øker, noe som bidrar til å opprettholde den konvekse grensesnittveksten. Når det gjelder masseoverføring, reduserer tilsetningen av PG den totale masseoverføringshastigheten, materialstrømningshastigheten i vekstkammeret som inneholder PG endres mindre over tid, og hele vekstprosessen er mer stabil. Samtidig hemmer PG også effektivt forekomsten av overdreven kantmasseoverføring. I tillegg øker PG også C/Si-forholdet i vekstmiljøet, spesielt i forkant av kimkrystallgrensesnittet, noe som bidrar til å redusere forekomsten av faseendring under vekstprosessen. Samtidig reduserer den termiske isolasjonseffekten til PG forekomsten av omkrystallisering i den øvre delen av råmaterialet til en viss grad. For krystallvekst bremser PG krystallveksthastigheten, men vekstgrensesnittet er mer konvekst. Derfor er PG et effektivt middel for å forbedre vekstmiljøet for SiC-krystaller og optimalisere krystallkvaliteten.
Publisert: 18. juni 2024