O processo básico deSiCO crescimento de cristais é dividido em sublimação e decomposição de matérias-primas em alta temperatura, transporte de substâncias na fase gasosa sob a ação de um gradiente de temperatura e crescimento por recristalização de substâncias na fase gasosa no cristal semente. Com base nisso, o interior do cadinho é dividido em três partes: área da matéria-prima, câmara de crescimento e cristal semente. Um modelo de simulação numérica foi elaborado com base na resistividade real.SiCequipamento de crescimento de monocristais (ver Figura 1). No cálculo: a parte inferior docadinhoA distância até a base do aquecedor lateral é de 90 mm, a temperatura no topo 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 PG é de 5 mm, seu diâmetro é igual ao diâmetro interno do cadinho e está localizado a 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 PG e as substâncias na 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 cristal; (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 sem PG (denotada como estrutura 0) abaixo do PG, e menor do que a da estrutura 0 acima do PG. O gradiente de temperatura geral 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 da matéria-prima são menores, a distribuição de temperatura é mais uniforme e a sublimação do material é mais completa. Ao contrário da zona da 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 dos diferentes modos de transferência de calor, o que auxilia o crescimento do cristal com uma interface convexa. Na Figura 2(d), a temperatura em diferentes posições no cadinho mostra uma tendência crescente à medida que o crescimento progride, mas a diferença de temperatura entre a estrutura 0 e a estrutura 1 diminui gradualmente na zona da matéria-prima e aumenta gradualmente na câmara de crescimento.
Figura 2. Distribuição e alterações de temperatura no cadinho. (a) Distribuição de temperatura no interior do cadinho da estrutura 0 (esquerda) e da estrutura 1 (direita) em 0 h, unidade: ℃; (b) Distribuição de temperatura na linha central do cadinho da estrutura 0 e da estrutura 1, da base 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), no meio (C) e na base (D) em 0 h, o eixo horizontal r representa o raio do cristal semente para A e o raio da área da matéria-prima para B~D; (d) Alterações de temperatura no centro da parte superior (A), na superfície da matéria-prima (B) e no meio (C) da câmara de crescimento da estrutura 0 e da estrutura 1 em 0, 30, 60 e 100 h.
A Figura 3 mostra o transporte de material em diferentes instantes no cadinho das estruturas 0 e 1. A taxa de fluxo de material na fase gasosa na área da matéria-prima e na câmara de crescimento aumenta com o aumento da posição, e o transporte de material diminui à medida que o crescimento progride. A Figura 3 também mostra que, sob as condições de simulação, a matéria-prima grafitiza primeiro na parede lateral do cadinho e depois no fundo. Além disso, ocorre recristalização na superfície da matéria-prima, que se torna gradualmente mais espessa à medida que o crescimento progride. As Figuras 4(a) e 4(b) mostram que a taxa de fluxo de material dentro da matéria-prima diminui com o progresso do crescimento, e a taxa de fluxo de material em 100 h é cerca de 50% do momento inicial; no entanto, a taxa de fluxo é relativamente alta na borda devido à grafitização da matéria-prima, sendo mais de 10 vezes maior na borda do que na área central em 100 h. Além disso, o efeito do PG na estrutura 1 faz com que a taxa de fluxo de material na área de matéria-prima da estrutura 1 seja 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 diminui 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 primeiras 30 h 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. Inicialmente e após 100 horas, o transporte de material na zona de crescimento da estrutura 0 é mais intenso do que na estrutura 1, porém, sempre há uma área de alta taxa de fluxo na borda da estrutura 0, o que leva a um crescimento excessivo nessa região. A presença de PG na estrutura 1 suprime esse fenômeno de forma eficaz.
Figura 3. Fluxo de material no cadinho. Linhas de corrente (esquerda) e vetores de velocidade (direita) do transporte de material gasoso nas estruturas 0 e 1 em diferentes instantes. Unidade do vetor de velocidade: m/s.
Figura 4. Alterações na taxa de fluxo de material. (a) Alterações na distribuição da taxa de fluxo de material no meio da matéria-prima da estrutura 0 em 0, 30, 60 e 100 h, onde r é o raio da área da matéria-prima; (b) Alterações na distribuição da taxa de fluxo de material no meio da matéria-prima da estrutura 1 em 0, 30, 60 e 100 h, onde r é o raio da área da matéria-prima; (c) Alterações 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 próximo à superfície do cristal semente das estruturas 0 e 1 em 0 e 100 h, onde r é o raio do cristal semente.
A relação C/Si afeta a estabilidade cristalina e a densidade de defeitos no crescimento do cristal de SiC. A Figura 5(a) compara a distribuição da relação C/Si das duas estruturas no instante 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 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, à intensificação 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 de PG (0, 25 mm), mas ligeiramente diferentes acima de 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 a reduzir a probabilidade de transição de fase.
Figura 5. Distribuição e alterações da razão C/Si. (a) Distribuição da razão C/Si nos cadinhos da estrutura 0 (esquerda) e da estrutura 1 (direita) em 0 h; (b) Razão C/Si a diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 0 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (c) Razão C/Si a diferentes distâncias da linha central do cadinho da estrutura 1 em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h); (d) Comparação da razão C/Si a diferentes distâncias (0, 25, 50, 75, 100 mm) da linha central do cadinho da estrutura 0 (linha contínua) e da estrutura 1 (linha tracejada) em diferentes tempos (0, 30, 60, 100 h).
A Figura 6 mostra as alterações 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, e a porosidade na borda continua a aumentar e o diâmetro das partículas continua a diminuir à medida que o crescimento progride. A porosidade máxima na borda é de cerca de 0,99 em 100 h, e o diâmetro mínimo das partículas é de cerca de 300 μm. O diâmetro das partículas 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 das partículas e a porosidade continuam a mudar. O diâmetro máximo das partículas 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 de 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 das partículas (esquerda) e na porosidade (direita) da área da matéria-prima da estrutura 0 e da estrutura 1 em diferentes momentos. Unidade de medida do diâmetro das partículas: μm.
A Figura 7 mostra que a estrutura 0 sofre deformação no início do crescimento, o que pode estar relacionado à taxa de fluxo de material excessiva causada pela grafitização da borda da matéria-prima. O grau de deformação diminui durante o processo de crescimento subsequente, o que corresponde à mudança na taxa de fluxo de material na frente de crescimento do cristal da estrutura 0 na Figura 4 (d). Na estrutura 1, devido ao efeito do PG, a interface do cristal não apresenta deformação. Além disso, o PG também faz com que a taxa de crescimento da estrutura 1 seja significativamente menor do que a da estrutura 0. A espessura central do cristal da estrutura 1 após 100 h é de apenas 68% daquela da estrutura 0.
Figura 7. Alterações na interface dos cristais com estrutura 0 e estrutura 1 após 30, 60 e 100 horas.
O crescimento cristalino foi realizado sob as condições de processo da simulação numérica. Os cristais crescidos pelas estruturas 0 e 1 são mostrados nas Figuras 8(a) e 8(b), respectivamente. O cristal da estrutura 0 apresenta uma interface côncava, com ondulações na área central e uma transição de fase na borda. A convexidade da superfície representa um certo grau de inhomogeneidade no transporte de materiais na fase gasosa, e a ocorrência da 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 observada e a espessura é 65% da espessura do cristal sem PG. Em geral, os resultados do crescimento cristalino 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 de fluxo de material geral é mais lenta. A tendência geral é consistente com os resultados da simulação numérica.
Figura 8 Cristais de SiC crescidos sob a estrutura 0 e a estrutura 1
Conclusão
A presença de PG (grafeno de baixa temperatura) contribui para a melhoria da temperatura geral da área da matéria-prima e para a uniformidade térmica axial e radial, promovendo a sublimação completa e a utilização da matéria-prima. A diferença de temperatura entre a parte superior e inferior aumenta, assim como o gradiente radial da superfície do cristal semente, o que auxilia na manutenção do crescimento com interface convexa. Em termos de transferência de massa, a introdução de PG reduz a taxa geral de transferência de massa, a taxa de fluxo de material na câmara de crescimento contendo PG varia menos com o tempo e todo o processo de crescimento torna-se mais estável. Ao mesmo tempo, o PG também inibe eficazmente a ocorrência de transferência excessiva de massa nas bordas. Além disso, o PG aumenta a razão 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. Simultaneamente, o efeito de isolamento térmico do PG reduz, em certa medida, a ocorrência de recristalização na parte superior da matéria-prima. Para o crescimento cristalino, o PG diminui a taxa de crescimento do cristal, mas a interface de crescimento torna-se 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.
Data da publicação: 18/06/2024