Ang pangunahing proseso ngSiCAng paglaki ng kristal ay nahahati sa sublimasyon at dekomposisyon ng mga hilaw na materyales sa mataas na temperatura, transportasyon ng mga sangkap na nasa gas phase sa ilalim ng aksyon ng gradient ng temperatura, at paglaki ng recrystallization ng mga sangkap na nasa gas phase sa kristal ng binhi. Batay dito, ang loob ng crucible ay nahahati sa tatlong bahagi: lugar ng hilaw na materyal, silid ng paglaki, at kristal ng binhi. Isang numerical simulation model ang iginuhit batay sa aktwal na resistive.SiCkagamitan sa pagpapalago ng iisang kristal (tingnan ang Larawan 1). Sa pagkalkula: ang ilalim ngtunawanay 90 mm ang layo mula sa ilalim ng pampainit sa gilid, ang pinakamataas na temperatura ng tunawan ng metal ay 2100 ℃, ang diyametro ng partikulo ng hilaw na materyal ay 1000 μm, ang porosity ay 0.6, ang presyon ng paglaki ay 300 Pa, at ang oras ng paglaki ay 100 oras. Ang kapal ng PG ay 5 mm, ang diyametro ay katumbas ng panloob na diyametro ng tunawan ng metal, at ito ay matatagpuan 30 mm sa itaas ng hilaw na materyal. Ang mga proseso ng sublimasyon, carbonization, at recrystallization ng sona ng hilaw na materyal ay isinasaalang-alang sa pagkalkula, at ang reaksyon sa pagitan ng PG at mga sangkap sa gas phase ay hindi isinasaalang-alang. Ang mga parameter ng pisikal na katangian na nauugnay sa pagkalkula ay ipinapakita sa Talahanayan 1.
Pigura 1 Modelo ng pagkalkula ng simulasyon. (a) Modelo ng thermal field para sa simulasyon ng paglaki ng kristal; (b) Paghahati ng panloob na lugar ng crucible at mga kaugnay na pisikal na problema
Talahanayan 1 Ilang pisikal na parametro na ginamit sa pagkalkula
Ipinapakita ng Figure 2(a) na ang temperatura ng istrukturang naglalaman ng PG (tinutukoy bilang istruktura 1) ay mas mataas kaysa sa istrukturang walang PG (tinutukoy bilang istruktura 0) sa ibaba ng PG, at mas mababa kaysa sa istrukturang 0 sa itaas ng PG. Tumataas ang pangkalahatang gradient ng temperatura, at ang PG ay gumaganap bilang isang ahente ng pagkakabukod ng init. Ayon sa Figures 2(b) at 2(c), ang axial at radial temperature gradients ng istruktura 1 sa raw material zone ay mas maliit, ang distribusyon ng temperatura ay mas pare-pareho, at ang sublimation ng materyal ay mas kumpleto. Hindi tulad ng raw material zone, ipinapakita ng Figure 2(c) na ang radial temperature gradient sa seed crystal ng istruktura 1 ay mas malaki, na maaaring sanhi ng iba't ibang proporsyon ng iba't ibang heat transfer mode, na tumutulong sa kristal na lumaki nang may convex interface. Sa Figure 2(d), ang temperatura sa iba't ibang posisyon sa crucible ay nagpapakita ng pagtaas ng trend habang umuusad ang paglago, ngunit ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng istruktura 0 at istruktura 1 ay unti-unting bumababa sa raw material zone at unti-unting tumataas sa growth chamber.
Pigura 2 Distribusyon ng temperatura at mga pagbabago sa tunawan. (a) Distribusyon ng temperatura sa loob ng tunawan ng istruktura 0 (kaliwa) at istruktura 1 (kanan) sa 0 oras, yunit: ℃; (b) Distribusyon ng temperatura sa gitnang linya ng tunawan ng istruktura 0 at istruktura 1 mula sa ilalim ng hilaw na materyal hanggang sa kristal ng binhi sa 0 oras; (c) Distribusyon ng temperatura mula sa gitna hanggang sa gilid ng tunawan sa ibabaw ng kristal ng binhi (A) at ibabaw ng hilaw na materyal (B), gitna (C) at ilalim (D) sa 0 oras, ang pahalang na aksis na r ay ang radius ng kristal ng binhi para sa A, at ang radius ng lawak ng hilaw na materyal para sa B~D; (d) Mga pagbabago sa temperatura sa gitna ng itaas na bahagi (A), ibabaw ng hilaw na materyal (B) at gitna (C) ng silid ng paglaki ng istruktura 0 at istruktura 1 sa 0, 30, 60, at 100 oras.
Ipinapakita ng Figure 3 ang transportasyon ng materyal sa iba't ibang oras sa crucible ng istruktura 0 at istruktura 1. Ang daloy ng materyal sa gas phase sa lugar ng hilaw na materyal at sa growth chamber ay tumataas kasabay ng pagtaas ng posisyon, at ang transportasyon ng materyal ay humihina habang umuusad ang paglaki. Ipinapakita rin ng Figure 3 na sa ilalim ng mga kondisyon ng simulation, ang hilaw na materyal ay unang nag-graphitize sa gilid na dingding ng crucible at pagkatapos ay sa ilalim ng crucible. Bilang karagdagan, mayroong recrystallization sa ibabaw ng hilaw na materyal at unti-unti itong lumalapot habang umuusad ang paglaki. Ipinapakita ng Figure 4(a) at 4(b) na ang daloy ng materyal sa loob ng hilaw na materyal ay bumababa habang umuusad ang paglaki, at ang daloy ng materyal sa 100 oras ay humigit-kumulang 50% ng unang sandali; gayunpaman, ang daloy ng materyal ay medyo malaki sa gilid dahil sa graphitization ng hilaw na materyal, at ang daloy ng materyal sa gilid ay higit sa 10 beses kaysa sa daloy ng materyal sa gitnang lugar sa 100 oras; Bukod pa rito, ang epekto ng PG sa istruktura 1 ay nagpapababa sa daloy ng materyal sa lugar ng hilaw na materyal ng istruktura 1 kaysa sa istruktura 0. Sa Figure 4(c), ang daloy ng materyal sa parehong lugar ng hilaw na materyal at sa silid ng paglago ay unti-unting humihina habang umuusad ang paglago, at ang daloy ng materyal sa lugar ng hilaw na materyal ay patuloy na bumababa, na sanhi ng pagbubukas ng daluyan ng daloy ng hangin sa gilid ng tunawan at ang bara sa recrystallization sa itaas; sa silid ng paglago, ang daloy ng materyal ng istruktura 0 ay mabilis na bumababa sa unang 30 oras hanggang 16%, at bumababa lamang ng 3% sa kasunod na oras, habang ang istruktura 1 ay nananatiling medyo matatag sa buong proseso ng paglago. Samakatuwid, ang PG ay nakakatulong upang patatagin ang daloy ng materyal sa silid ng paglago. Inihahambing ng Figure 4(d) ang daloy ng materyal sa harap ng paglago ng kristal. Sa unang sandali at 100 oras, ang transportasyon ng materyal sa growth zone ng istruktura 0 ay mas malakas kaysa sa istruktura 1, ngunit palaging mayroong mataas na flow rate area sa gilid ng istruktura 0, na humahantong sa labis na paglaki sa gilid. Ang presensya ng PG sa istruktura 1 ay epektibong pumipigil sa phenomenon na ito.
Pigura 3 Daloy ng materyal sa tunawan. Mga streamline (kaliwa) at velocity vector (kanan) ng transportasyon ng materyal na gas sa mga istrukturang 0 at 1 sa magkaibang oras, yunit ng velocity vector: m/s
Pigura 4 Mga Pagbabago sa Bilis ng Daloy ng Materyales. (a) Mga Pagbabago sa Distribusyon ng Bilis ng Daloy ng Materyales sa Gitna ng Hilaw na Materyales ng Estruktura 0 sa 0, 30, 60, at 100 h, ang r ay ang radius ng Lugar ng Hilaw na Materyales; (b) Mga Pagbabago sa Distribusyon ng Bilis ng Daloy ng Materyales sa Gitna ng Hilaw na Materyales ng Estruktura 1 sa 0, 30, 60, at 100 h, ang r ay ang radius ng Lugar ng Hilaw na Materyales; (c) Mga Pagbabago sa Bilis ng Daloy ng Materyales sa Loob ng Growth Chamber (A, B) at sa Loob ng Hilaw na Materyales (C, D) ng mga Estruktura 0 at 1 sa Paglipas ng Panahon; (d) Distribusyon ng Bilis ng Daloy ng Materyales malapit sa Ibabaw ng Kristal ng Binhi ng mga Estruktura 0 at 1 sa 0 at 100 h, ang r ay ang Radius ng Kristal ng Binhi
Nakakaapekto ang C/Si sa crystalline stability at defect density ng paglaki ng SiC crystal. Inihahambing ng Figure 5(a) ang distribusyon ng C/Si ratio ng dalawang istruktura sa unang sandali. Ang C/Si ratio ay unti-unting bumababa mula sa ibaba hanggang sa itaas ng crucible, at ang C/Si ratio ng structure 1 ay palaging mas mataas kaysa sa structure 0 sa magkakaibang posisyon. Ipinapakita ng Figure 5(b) at 5(c) na ang C/Si ratio ay unti-unting tumataas kasabay ng paglaki, na may kaugnayan sa pagtaas ng panloob na temperatura sa huling yugto ng paglaki, ang pagpapahusay ng raw material graphitization, at ang reaksyon ng mga Si component sa gas phase kasama ang graphite crucible. Sa Figure 5(d), ang C/Si ratios ng structure 0 at structure 1 ay medyo magkaiba sa ibaba ng PG (0, 25 mm), ngunit bahagyang magkaiba sa itaas ng PG (50 mm), at ang pagkakaiba ay unti-unting tumataas habang papalapit ito sa kristal. Sa pangkalahatan, ang C/Si ratio ng structure 1 ay mas mataas, na nakakatulong sa pagpapatatag ng anyo ng kristal at pagbabawas ng posibilidad ng phase transition.
Pigura 5 Distribusyon at mga pagbabago ng ratio ng C/Si. (a) Distribusyon ng ratio ng C/Si sa mga crucible ng istruktura 0 (kaliwa) at istruktura 1 (kanan) sa 0 oras; (b) Ratio ng C/Si sa iba't ibang distansya mula sa gitnang linya ng crucible ng istruktura 0 sa iba't ibang oras (0, 30, 60, 100 oras); (c) Ratio ng C/Si sa iba't ibang distansya mula sa gitnang linya ng crucible ng istruktura 1 sa iba't ibang oras (0, 30, 60, 100 oras); (d) Paghahambing ng ratio ng C/Si sa iba't ibang distansya (0, 25, 50, 75, 100 mm) mula sa gitnang linya ng crucible ng istruktura 0 (solid na linya) at istruktura 1 (putol-putol na linya) sa iba't ibang oras (0, 30, 60, 100 oras).
Ipinapakita ng Figure 6 ang mga pagbabago sa diyametro at porosity ng particle sa mga rehiyon ng hilaw na materyal ng dalawang istruktura. Ipinapakita ng figure na bumababa ang diyametro ng hilaw na materyal at tumataas ang porosity malapit sa crucible wall, at patuloy na tumataas ang porosity ng gilid at patuloy na bumababa ang diyametro ng particle habang umuusad ang paglaki. Ang maximum na porosity ng gilid ay humigit-kumulang 0.99 sa 100 oras, at ang minimum na diyametro ng particle ay humigit-kumulang 300 μm. Tumataas ang diyametro ng particle at bumababa ang porosity sa itaas na ibabaw ng hilaw na materyal, na naaayon sa recrystallization. Tumataas ang kapal ng recrystallization area habang umuusad ang paglaki, at patuloy na nagbabago ang laki at porosity ng particle. Ang maximum na diyametro ng particle ay umaabot sa higit sa 1500 μm, at ang minimum na porosity ay 0.13. Bukod pa rito, dahil pinapataas ng PG ang temperatura ng lugar ng hilaw na materyal at maliit ang gas supersaturation, maliit ang kapal ng recrystallization ng itaas na bahagi ng hilaw na materyal ng istruktura 1, na nagpapabuti sa rate ng paggamit ng hilaw na materyal.
Pigura 6 Mga pagbabago sa diyametro ng partikulo (kaliwa) at porosity (kanan) ng lugar ng hilaw na materyal ng istruktura 0 at istruktura 1 sa magkakaibang oras, yunit ng diyametro ng partikulo: μm
Ipinapakita ng Figure 7 na ang istruktura 0 ay bumabaligtad sa simula ng paglaki, na maaaring may kaugnayan sa labis na bilis ng daloy ng materyal na dulot ng graphitization ng gilid ng hilaw na materyal. Ang antas ng pagbabaligtad ay humihina sa kasunod na proseso ng paglaki, na tumutugma sa pagbabago sa bilis ng daloy ng materyal sa harap ng paglaki ng kristal ng istruktura 0 sa Figure 4 (d). Sa istruktura 1, dahil sa epekto ng PG, ang interface ng kristal ay hindi nagpapakita ng pagbabaligtad. Bukod pa rito, ginagawa rin ng PG na mas mababa nang malaki ang bilis ng paglaki ng istruktura 1 kaysa sa istruktura 0. Ang kapal ng gitnang kristal ng istruktura 1 pagkatapos ng 100 oras ay 68% lamang ng sa istruktura 0.
Pigura 7 Mga pagbabago sa interface ng istruktura 0 at istruktura 1 na mga kristal sa 30, 60, at 100 oras
Isinagawa ang paglaki ng kristal sa ilalim ng mga kondisyon ng proseso ng numerical simulation. Ang mga kristal na pinalaki ng istruktura 0 at istruktura 1 ay ipinapakita sa Figure 8(a) at Figure 8(b), ayon sa pagkakabanggit. Ang kristal ng istruktura 0 ay nagpapakita ng isang concave interface, na may mga alun-alon sa gitnang lugar at isang phase transition sa gilid. Ang surface convexity ay kumakatawan sa isang tiyak na antas ng inhomogeneity sa transportasyon ng mga materyales na gas-phase, at ang paglitaw ng phase transition ay tumutugma sa mababang C/Si ratio. Ang interface ng kristal na pinalaki ng istruktura 1 ay bahagyang convex, walang natagpuang phase transition, at ang kapal ay 65% ng kristal nang walang PG. Sa pangkalahatan, ang mga resulta ng paglaki ng kristal ay tumutugma sa mga resulta ng simulation, na may mas malaking radial temperature difference sa crystal interface ng istruktura 1, ang mabilis na paglaki sa gilid ay pinipigilan, at ang pangkalahatang flow rate ng materyal ay mas mabagal. Ang pangkalahatang trend ay naaayon sa mga resulta ng numerical simulation.
Pigura 8 Mga kristal na SiC na lumaki sa ilalim ng istruktura 0 at istruktura 1
Konklusyon
Ang PG ay nakakatulong sa pagpapabuti ng pangkalahatang temperatura ng lugar ng hilaw na materyal at pagpapabuti ng pagkakapareho ng temperatura sa pagitan ng axial at radial, na nagtataguyod ng ganap na sublimasyon at paggamit ng hilaw na materyal; tumataas ang pagkakaiba sa temperatura sa itaas at ibaba, at tumataas ang radial gradient ng ibabaw ng kristal ng binhi, na nakakatulong upang mapanatili ang paglaki ng convex interface. Sa mga tuntunin ng paglipat ng masa, ang pagpapakilala ng PG ay binabawasan ang pangkalahatang rate ng paglipat ng masa, ang rate ng daloy ng materyal sa silid ng paglaki na naglalaman ng PG ay hindi gaanong nagbabago sa paglipas ng panahon, at ang buong proseso ng paglaki ay mas matatag. Kasabay nito, epektibong pinipigilan din ng PG ang paglitaw ng labis na paglipat ng masa sa gilid. Bukod pa rito, pinapataas din ng PG ang ratio ng C/Si ng kapaligiran ng paglaki, lalo na sa harap na gilid ng interface ng kristal ng binhi, na nakakatulong upang mabawasan ang paglitaw ng pagbabago ng phase sa panahon ng proseso ng paglaki. Kasabay nito, ang epekto ng thermal insulation ng PG ay binabawasan ang paglitaw ng recrystallization sa itaas na bahagi ng hilaw na materyal sa isang tiyak na lawak. Para sa paglaki ng kristal, pinapabagal ng PG ang rate ng paglaki ng kristal, ngunit ang interface ng paglaki ay mas convex. Samakatuwid, ang PG ay isang epektibong paraan upang mapabuti ang kapaligiran ng paglaki ng mga kristal na SiC at ma-optimize ang kalidad ng kristal.
Oras ng pag-post: Hunyo-18-2024