O processo básico deSiCO crescimento cristalino é dividido em sublimação e decomposição de matérias-primas em alta temperatura, transporte de substâncias em fase gasosa sob a ação de gradiente de temperatura e crescimento de recristalização de substâncias em fase gasosa no cristal semente. Com base nisso, o interior do cadinho é dividido em três partes: área de matéria-prima, câmara de crescimento e cristal semente. Um modelo de simulação numérica foi elaborado com base nas propriedades resistivas reais.SiCequipamento de crescimento de cristal único (ver Figura 1). No cálculo: a parte inferior docadinhoA distância entre o fundo do aquecedor lateral e o fundo do cadinho é de 90 mm, a temperatura superior do cadinho é de 2100 °C, o diâmetro das partículas da matéria-prima é de 1000 μm, a porosidade é de 0,6, a pressão de crescimento é de 300 Pa e o tempo de crescimento é de 100 h. A espessura do cadinho de PG é de 5 mm, o diâmetro é igual ao diâmetro interno do cadinho e está localizado 30 mm acima da matéria-prima. Os processos de sublimação, carbonização e recristalização da zona da matéria-prima são considerados no cálculo, e a reação entre o cadinho de PG e as substâncias da fase gasosa não é considerada. Os parâmetros de propriedades físicas relacionados ao cálculo são mostrados na Tabela 1.
Figura 1 Modelo de cálculo de simulação. (a) Modelo de campo térmico para simulação de crescimento de cristais; (b) Divisão da área interna do cadinho e problemas físicos relacionados
Tabela 1 Alguns parâmetros físicos utilizados no cálculo
A Figura 2(a) mostra que a temperatura da estrutura contendo PG (denotada como estrutura 1) é maior do que a da estrutura livre de PG (denotada como estrutura 0) abaixo de PG, e menor do que a da estrutura 0 acima de PG. O gradiente geral de temperatura aumenta, e o PG atua como um agente isolante térmico. De acordo com as Figuras 2(b) e 2(c), os gradientes de temperatura axial e radial da estrutura 1 na zona de matéria-prima são menores, a distribuição de temperatura é mais uniforme e a sublimação do material é mais completa. Ao contrário da zona de matéria-prima, a Figura 2(c) mostra que o gradiente de temperatura radial no cristal semente da estrutura 1 é maior, o que pode ser causado pelas diferentes proporções de diferentes modos de transferência de calor, o que ajuda o cristal a crescer com uma interface convexa. Na Figura 2(d), a temperatura em diferentes posições no cadinho mostra uma tendência crescente à medida que o crescimento avança, mas a diferença de temperatura entre a estrutura 0 e a estrutura 1 diminui gradualmente na zona de matéria-prima e aumenta gradualmente na câmara de crescimento.
Figura 2 Distribuição de temperatura e mudanças no cadinho. (a) Distribuição de temperatura dentro do cadinho da estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (direita) em 0 h, unidade: ℃; (b) Distribuição de temperatura na linha central do cadinho da estrutura 0 e estrutura 1 da parte inferior da matéria-prima até o cristal semente em 0 h; (c) Distribuição de temperatura do centro até a borda do cadinho na superfície do cristal semente (A) e na superfície da matéria-prima (B), meio (C) e fundo (D) em 0 h, o eixo horizontal r é o raio do cristal semente para A e o raio da área da matéria-prima para B~D; (d) Mudanças de temperatura no centro da parte superior (A), superfície da matéria-prima (B) e meio (C) da câmara de crescimento da estrutura 0 e estrutura 1 em 0, 30, 60 e 100 h.
A Figura 3 mostra o transporte de material em diferentes momentos no cadinho da estrutura 0 e da estrutura 1. A vazão de material em fase gasosa na área de matéria-prima e na câmara de crescimento aumenta com o aumento da posição, e o transporte de material enfraquece à medida que o crescimento progride. A Figura 3 também mostra que, sob as condições de simulação, a matéria-prima primeiro grafitiza na parede lateral do cadinho e, em seguida, no fundo do cadinho. Além disso, há recristalização na superfície da matéria-prima e ela gradualmente engrossa à medida que o crescimento progride. As Figuras 4(a) e 4(b) mostram que a vazão de material dentro da matéria-prima diminui à medida que o crescimento progride, e a vazão de material em 100 h é cerca de 50% do momento inicial; no entanto, a vazão é relativamente grande na borda devido à grafitização da matéria-prima, e a vazão na borda é mais de 10 vezes maior que a vazão na área do meio em 100 h; Além disso, o efeito do PG na estrutura 1 torna a taxa de fluxo de material na área de matéria-prima da estrutura 1 menor do que a da estrutura 0. Na Figura 4(c), o fluxo de material tanto na área de matéria-prima quanto na câmara de crescimento enfraquece gradualmente à medida que o crescimento progride, e o fluxo de material na área de matéria-prima continua a diminuir, o que é causado pela abertura do canal de fluxo de ar na borda do cadinho e pela obstrução da recristalização no topo; na câmara de crescimento, a taxa de fluxo de material da estrutura 0 diminui rapidamente nas 30 horas iniciais para 16% e diminui apenas 3% no tempo subsequente, enquanto a estrutura 1 permanece relativamente estável durante todo o processo de crescimento. Portanto, o PG ajuda a estabilizar a taxa de fluxo de material na câmara de crescimento. A Figura 4(d) compara a taxa de fluxo de material na frente de crescimento do cristal. No momento inicial e após 100 h, o transporte de material na zona de crescimento da estrutura 0 é mais intenso do que na estrutura 1, mas sempre há uma área com alta vazão na borda da estrutura 0, o que leva a um crescimento excessivo na borda. A presença de PG na estrutura 1 suprime efetivamente esse fenômeno.
Figura 3 Fluxo de material no cadinho. Linhas de corrente (esquerda) e vetores de velocidade (direita) do transporte de gás nas estruturas 0 e 1 em tempos diferentes, unidade do vetor de velocidade: m/s.
Figura 4 Mudanças na taxa de fluxo de material. (a) Mudanças na distribuição da taxa de fluxo de material no meio da matéria-prima da estrutura 0 em 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da matéria-prima; (b) Mudanças na distribuição da taxa de fluxo de material no meio da matéria-prima da estrutura 1 em 0, 30, 60 e 100 h, r é o raio da área da matéria-prima; (c) Mudanças na taxa de fluxo de material dentro da câmara de crescimento (A, B) e dentro da matéria-prima (C, D) das estruturas 0 e 1 ao longo do tempo; (d) Distribuição da taxa de fluxo de material perto da superfície do cristal semente das estruturas 0 e 1 em 0 e 100 h, r é o raio do cristal semente
A relação C/Si afeta a estabilidade cristalina e a densidade de defeitos do crescimento de cristais de SiC. A Figura 5(a) compara a distribuição da relação C/Si das duas estruturas no momento inicial. A relação C/Si diminui gradualmente da base para o topo do cadinho, e a relação C/Si da estrutura 1 é sempre maior do que a da estrutura 0 em diferentes posições. As Figuras 5(b) e 5(c) mostram que a relação C/Si aumenta gradualmente com o crescimento, o que está relacionado ao aumento da temperatura interna no estágio final do crescimento, ao aumento da grafitização da matéria-prima e à reação dos componentes de Si na fase gasosa com o cadinho de grafite. Na Figura 5(d), as relações C/Si da estrutura 0 e da estrutura 1 são bastante diferentes abaixo do PG (0,25 mm), mas ligeiramente diferentes acima do PG (50 mm), e a diferença aumenta gradualmente à medida que se aproxima do cristal. Em geral, a relação C/Si da estrutura 1 é maior, o que ajuda a estabilizar a forma cristalina e reduzir a probabilidade de transição de fase.
Figura 5 Distribuição e mudanças da razão C/Si. (a) Distribuição da razão C/Si nos cadinhos da estrutura 0 (esquerda) e estrutura 1 (direita) em 0 h; (b) razão C/Si em diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 0 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (c) razão C/Si em diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 1 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparação da razão C/Si em diferentes distâncias (0, 25, 50, 75, 100 mm) da linha central do cadinho da estrutura 0 (linha contínua) e estrutura 1 (linha tracejada) em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h).
A Figura 6 mostra as mudanças no diâmetro das partículas e na porosidade das regiões da matéria-prima das duas estruturas. A figura mostra que o diâmetro da matéria-prima diminui e a porosidade aumenta próximo à parede do cadinho, enquanto a porosidade da borda continua a aumentar e o diâmetro da partícula continua a diminuir à medida que o crescimento progride. A porosidade máxima da borda é de cerca de 0,99 em 100 h, e o diâmetro mínimo da partícula é de cerca de 300 μm. O diâmetro da partícula aumenta e a porosidade diminui na superfície superior da matéria-prima, correspondendo à recristalização. A espessura da área de recristalização aumenta à medida que o crescimento progride, e o tamanho e a porosidade da partícula continuam a mudar. O diâmetro máximo da partícula atinge mais de 1500 μm, e a porosidade mínima é de 0,13. Além disso, como o PG aumenta a temperatura da área da matéria-prima e a supersaturação do gás é pequena, a espessura de recristalização da parte superior da matéria-prima da estrutura 1 é pequena, o que melhora a taxa de utilização da matéria-prima.
Figura 6 Alterações no diâmetro de partícula (esquerda) e porosidade (direita) da área de matéria-prima da estrutura 0 e estrutura 1 em diferentes momentos, unidade de diâmetro de partícula: μm
A Figura 7 mostra que a estrutura 0 se deforma no início do crescimento, o que pode estar relacionado à taxa de fluxo excessiva de material causada pela grafitização da borda da matéria-prima. O grau de deformação é enfraquecido durante o processo de crescimento subsequente, o que corresponde à mudança na taxa de fluxo de material na frente do crescimento do cristal da estrutura 0 na Figura 4 (d). Na estrutura 1, devido ao efeito do PG, a interface cristalina não apresenta deformação. Além disso, o PG também torna a taxa de crescimento da estrutura 1 significativamente menor do que a da estrutura 0. A espessura central do cristal da estrutura 1 após 100 h é de apenas 68% da da estrutura 0.
Figura 7 Mudanças na interface dos cristais de estrutura 0 e estrutura 1 em 30, 60 e 100 h
O crescimento do cristal foi realizado sob as condições do processo de simulação numérica. Os cristais crescidos pela estrutura 0 e estrutura 1 são mostrados na Figura 8(a) e Figura 8(b), respectivamente. O cristal da estrutura 0 mostra uma interface côncava, com ondulações na área central e uma transição de fase na borda. A convexidade da superfície representa um certo grau de não homogeneidade no transporte de materiais em fase gasosa, e a ocorrência de transição de fase corresponde à baixa razão C/Si. A interface do cristal crescido pela estrutura 1 é ligeiramente convexa, nenhuma transição de fase é encontrada e a espessura é de 65% do cristal sem PG. Em geral, os resultados do crescimento do cristal correspondem aos resultados da simulação, com uma maior diferença de temperatura radial na interface do cristal da estrutura 1, o crescimento rápido na borda é suprimido e a taxa geral de fluxo de material é mais lenta. A tendência geral é consistente com os resultados da simulação numérica.
Figura 8 Cristais de SiC cultivados sob estrutura 0 e estrutura 1
Conclusão
O PG contribui para a melhoria da temperatura geral da área da matéria-prima e para a uniformidade da temperatura axial e radial, promovendo a sublimação e utilização completas da matéria-prima; a diferença de temperatura entre as partes superior e inferior aumenta, e o gradiente radial da superfície do cristal semente aumenta, o que ajuda a manter o crescimento da interface convexa. Em termos de transferência de massa, a introdução do PG reduz a taxa geral de transferência de massa, a taxa de fluxo de material na câmara de crescimento contendo PG muda menos com o tempo e todo o processo de crescimento é mais estável. Ao mesmo tempo, o PG também inibe efetivamente a ocorrência de transferência excessiva de massa na borda. Além disso, o PG também aumenta a relação C/Si do ambiente de crescimento, especialmente na borda frontal da interface do cristal semente, o que ajuda a reduzir a ocorrência de mudança de fase durante o processo de crescimento. Ao mesmo tempo, o efeito de isolamento térmico do PG reduz a ocorrência de recristalização na parte superior da matéria-prima até certo ponto. Para o crescimento do cristal, o PG diminui a taxa de crescimento do cristal, mas a interface de crescimento é mais convexa. Portanto, o PG é um meio eficaz para melhorar o ambiente de crescimento dos cristais de SiC e otimizar a qualidade dos cristais.
Horário da publicação: 18/06/2024