Procesul de bază alSicCreșterea cristalelor este împărțită în sublimare și descompunere a materiilor prime la temperatură ridicată, transportul substanțelor în fază gazoasă sub acțiunea gradientului de temperatură și creșterea prin recristalizare a substanțelor în fază gazoasă la nivelul cristalului de însămânțare. Pe baza acestui fapt, interiorul creuzetului este împărțit în trei părți: zona materiei prime, camera de creștere și cristalul de însămânțare. A fost desenat un model de simulare numerică bazat pe rezistivitatea reală.Sicechipament de creștere a monocristalelor (vezi Figura 1). În calcul: partea de jos acreuzetse află la 90 mm distanță de partea inferioară a încălzitorului lateral, temperatura superioară a creuzetului este de 2100 ℃, diametrul particulelor de materie primă este de 1000 μm, porozitatea este de 0,6, presiunea de creștere este de 300 Pa, iar timpul de creștere este de 100 h. Grosimea PG este de 5 mm, diametrul este egal cu diametrul interior al creuzetului și este situat la 30 mm deasupra materiei prime. Procesele de sublimare, carbonizare și recristalizare ale zonei materiei prime sunt luate în considerare în calcul, iar reacția dintre PG și substanțele în fază gazoasă nu este luată în considerare. Parametrii proprietăților fizice legați de calcul sunt prezentați în Tabelul 1.
Figura 1 Model de calcul al simulării. (a) Model de câmp termic pentru simularea creșterii cristalelor; (b) Împărțirea ariei interne a creuzetului și probleme fizice aferente
Tabelul 1 Câțiva parametri fizici utilizați în calcul
Figura 2(a) arată că temperatura structurii care conține PG (notată cu structura 1) este mai mare decât cea a structurii fără PG (notată cu structura 0) sub PG și mai mică decât cea a structurii 0 deasupra PG. Gradientul general de temperatură crește, iar PG acționează ca un agent termoizolant. Conform Figurilor 2(b) și 2(c), gradienții de temperatură axiali și radiali ai structurii 1 în zona materiei prime sunt mai mici, distribuția temperaturii este mai uniformă, iar sublimarea materialului este mai completă. Spre deosebire de zona materiei prime, Figura 2(c) arată că gradientul radial de temperatură la cristalul de însămânțare al structurii 1 este mai mare, ceea ce poate fi cauzat de proporțiile diferite ale diferitelor moduri de transfer de căldură, ceea ce ajută cristalul să crească cu o interfață convexă. În Figura 2(d), temperatura în diferite poziții din creuzet prezintă o tendință crescătoare pe măsură ce creșterea progresează, dar diferența de temperatură dintre structura 0 și structura 1 scade treptat în zona materiei prime și crește treptat în camera de creștere.
Figura 2 Distribuția temperaturii și modificările acesteia în creuzet. (a) Distribuția temperaturii în interiorul creuzetului structurii 0 (stânga) și structurii 1 (dreapta) la 0 h, unitate: ℃; (b) Distribuția temperaturii pe linia centrală a creuzetului structurii 0 și structurii 1 de la baza materiei prime până la cristalul de însămânțare la 0 h; (c) Distribuția temperaturii de la centru la marginea creuzetului pe suprafața cristalului de însămânțare (A) și suprafața materiei prime (B), mijloc (C) și jos (D) la 0 h, axa orizontală r fiind raza cristalului de însămânțare pentru A, iar raza ariei materiei prime pentru B~D; (d) Modificările temperaturii în centrul părții superioare (A), suprafața materiei prime (B) și mijlocul (C) camerei de creștere a structurii 0 și structurii 1 la 0, 30, 60 și 100 h.
Figura 3 prezintă transportul materialului în momente diferite în creuzetul cu structuri 0 și structuri 1. Debitul materialului în fază gazoasă în zona materiei prime și în camera de creștere crește odată cu creșterea poziției, iar transportul materialului slăbește pe măsură ce creșterea progresează. Figura 3 arată, de asemenea, că în condițiile de simulare, materia primă se grafitizează mai întâi pe peretele lateral al creuzetului și apoi pe fundul acestuia. În plus, există o recristalizare pe suprafața materiei prime și aceasta se îngroașă treptat pe măsură ce creșterea progresează. Figurile 4(a) și 4(b) arată că debitul materialului din interiorul materiei prime scade pe măsură ce creșterea progresează, iar debitul materialului la 100 h este de aproximativ 50% din momentul inițial; cu toate acestea, debitul este relativ mare la margine datorită grafitizării materiei prime, iar debitul la margine este de peste 10 ori mai mare decât debitul din zona din mijloc la 100 h; În plus, efectul PG în structura 1 face ca debitul de material în zona de materie primă a structurii 1 să fie mai mic decât cel al structurii 0. În Figura 4(c), debitul de material atât în zona de materie primă, cât și în camera de creștere slăbește treptat pe măsură ce creșterea progresează, iar debitul de material în zona de materie primă continuă să scadă, ceea ce este cauzat de deschiderea canalului de curgere a aerului la marginea creuzetului și de obstrucționarea recristalizării în partea superioară; în camera de creștere, debitul de material al structurii 0 scade rapid în primele 30 de ore până la 16% și scade doar cu 3% în timpul ulterior, în timp ce structura 1 rămâne relativ stabilă pe tot parcursul procesului de creștere. Prin urmare, PG ajută la stabilizarea debitului de material în camera de creștere. Figura 4(d) compară debitul de material la frontul de creștere a cristalului. În momentul inițial și după 100 de ore, transportul de material în zona de creștere a structurii 0 este mai puternic decât cel din structura 1, dar există întotdeauna o zonă cu debit ridicat la marginea structurii 0, ceea ce duce la o creștere excesivă la margine. Prezența PG în structura 1 suprimă eficient acest fenomen.
Figura 3 Fluxul de material în creuzet. Linii de curent (stânga) și vectori de viteză (dreapta) ai transportului de material gazos în structurile 0 și 1 la momente diferite, unitate de vector viteză: m/s
Figura 4 Modificări ale debitului de material. (a) Modificări ale distribuției debitului de material în mijlocul materiei prime a structurii 0 la 0, 30, 60 și 100 h, r este raza zonei materiei prime; (b) Modificări ale distribuției debitului de material în mijlocul materiei prime a structurii 1 la 0, 30, 60 și 100 h, r este raza zonei materiei prime; (c) Modificări ale debitului de material în interiorul camerei de creștere (A, B) și în interiorul materiei prime (C, D) a structurilor 0 și 1 în timp; (d) Distribuția debitului de material în apropierea suprafeței cristalului de însămânțare a structurilor 0 și 1 la 0 și 100 h, r este raza cristalului de însămânțare.
Raportul C/Si afectează stabilitatea cristalină și densitatea defectelor creșterii cristalului de SiC. Figura 5(a) compară distribuția raportului C/Si al celor două structuri în momentul inițial. Raportul C/Si scade treptat de jos în sus a creuzetului, iar raportul C/Si al structurii 1 este întotdeauna mai mare decât cel al structurii 0 în diferite poziții. Figurile 5(b) și 5(c) arată că raportul C/Si crește treptat odată cu creșterea, ceea ce este legat de creșterea temperaturii interne în etapa ulterioară de creștere, de intensificarea grafitizării materiei prime și de reacția componentelor Si în faza gazoasă cu creuzetul de grafit. În Figura 5(d), raporturile C/Si ale structurii 0 și structurii 1 sunt destul de diferite sub PG (0, 25 mm), dar ușor diferite peste PG (50 mm), iar diferența crește treptat pe măsură ce se apropie de cristal. În general, raportul C/Si al structurii 1 este mai mare, ceea ce ajută la stabilizarea formei cristaline și la reducerea probabilității de tranziție de fază.
Figura 5 Distribuția și modificările raportului C/Si. (a) Distribuția raportului C/Si în creuzetele structurii 0 (stânga) și structurii 1 (dreapta) la 0 h; (b) Raportul C/Si la diferite distanțe față de linia centrală a creuzetului structurii 0 la momente diferite (0, 30, 60, 100 h); (c) Raportul C/Si la diferite distanțe față de linia centrală a creuzetului structurii 1 la momente diferite (0, 30, 60, 100 h); (d) Compararea raportului C/Si la diferite distanțe (0, 25, 50, 75, 100 mm) față de linia centrală a creuzetului structurii 0 (linie continuă) și structurii 1 (linie punctată) la momente diferite (0, 30, 60, 100 h).
Figura 6 prezintă modificările diametrului particulelor și porozității regiunilor materiei prime ale celor două structuri. Figura arată că diametrul materiei prime scade și porozitatea crește în apropierea peretelui creuzetului, iar porozitatea marginii continuă să crească și diametrul particulelor continuă să scadă pe măsură ce creșterea progresează. Porozitatea maximă a marginii este de aproximativ 0,99 la 100 h, iar diametrul minim al particulelor este de aproximativ 300 μm. Diametrul particulelor crește și porozitatea scade pe suprafața superioară a materiei prime, corespunzând recristalizării. Grosimea zonei de recristalizare crește pe măsură ce creșterea progresează, iar dimensiunea particulelor și porozitatea continuă să se modifice. Diametrul maxim al particulelor atinge peste 1500 μm, iar porozitatea minimă este de 0,13. În plus, deoarece PG crește temperatura zonei materiei prime și suprasaturația gazului este mică, grosimea de recristalizare a părții superioare a materiei prime a structurii 1 este mică, ceea ce îmbunătățește rata de utilizare a materiei prime.
Figura 6 Modificări ale diametrului particulelor (stânga) și porozității (dreapta) din zona materiei prime a structurii 0 și structurii 1 la momente diferite, unitatea diametrului particulelor: μm
Figura 7 arată că structura 0 se deformează la începutul creșterii, ceea ce poate fi legat de debitul excesiv de material cauzat de grafitizarea marginii materiei prime. Gradul de deformare este slăbit în timpul procesului de creștere ulterior, ceea ce corespunde modificării debitului de material în partea din față a creșterii cristalului structurii 0 din Figura 4 (d). În structura 1, datorită efectului PG, interfața cristalină nu prezintă deformare. În plus, PG face ca rata de creștere a structurii 1 să fie semnificativ mai mică decât cea a structurii 0. Grosimea centrală a cristalului structurii 1 după 100 h este de doar 68% din cea a structurii 0.
Figura 7 Modificări ale interfeței cristalelor cu structura 0 și structura 1 la 30, 60 și 100 h
Creșterea cristalelor a fost efectuată în condiții de proces ale simulării numerice. Cristalele crescute de structura 0 și structura 1 sunt prezentate în Figura 8(a) și respectiv Figura 8(b). Cristalul structurii 0 prezintă o interfață concavă, cu ondulații în zona centrală și o tranziție de fază la margine. Convexitatea suprafeței reprezintă un anumit grad de neomogenitate în transportul materialelor în fază gazoasă, iar apariția tranziției de fază corespunde raportului C/Si scăzut. Interfața cristalului crescut de structura 1 este ușor convexă, nu se constată nicio tranziție de fază, iar grosimea este de 65% față de cea a cristalului fără PG. În general, rezultatele creșterii cristalelor corespund rezultatelor simulării, cu o diferență de temperatură radială mai mare la interfața cristalină a structurii 1, creșterea rapidă la margine este suprimată, iar debitul general de material este mai lent. Tendința generală este în concordanță cu rezultatele simulării numerice.
Figura 8 Cristale de SiC crescute sub structura 0 și structura 1
Concluzie
PG contribuie la îmbunătățirea temperaturii generale a zonei materiei prime și la îmbunătățirea uniformității temperaturii axiale și radiale, promovând sublimarea și utilizarea completă a materiei prime; diferența de temperatură superioară și inferioară crește, iar gradientul radial al suprafeței cristalului de însămânțare crește, ceea ce ajută la menținerea creșterii convexe a interfeței. În ceea ce privește transferul de masă, introducerea PG reduce rata generală de transfer de masă, debitul de material în camera de creștere care conține PG se modifică mai puțin în timp, iar întregul proces de creștere este mai stabil. În același timp, PG inhibă eficient și apariția transferului excesiv de masă la margine. În plus, PG crește și raportul C/Si al mediului de creștere, în special la marginea frontală a interfeței cristalului de însămânțare, ceea ce ajută la reducerea apariției schimbării de fază în timpul procesului de creștere. În același timp, efectul de izolare termică al PG reduce într-o oarecare măsură apariția recristalizării în partea superioară a materiei prime. Pentru creșterea cristalului, PG încetinește rata de creștere a cristalului, dar interfața de creștere este mai convexă. Prin urmare, PG este un mijloc eficient de a îmbunătăți mediul de creștere al cristalelor de SiC și de a optimiza calitatea cristalelor.
Data publicării: 18 iunie 2024