PVT法生长单晶碳化硅过程中气相输运的数值模拟

许彬杰1
1浙江大学杭州国际科创中心
发布日期 2024

本研究对PVT法生长碳化硅晶体的气相输运过程进行了模拟,该模型包含了坩埚的内部和外部,而坩埚的接缝连接处被模拟为多孔石墨,可以允许内外气体进行交换。坩埚外部的流场情况为,氮气和氩气从PVT炉的底部通道流入,混合气体从PVT炉顶部流出。坩埚内部的流场情况为,碳化硅粉末升华产生SiC2,Si2C和Si蒸气并向上升华,在籽晶处沉积。同时,坩埚内部和外部的气体物质通过多孔接缝发生交换,氮气和氩气可通过多孔接缝扩散至内部,SiC2,Si2C和Si蒸气也可通过多孔接缝到达坩埚外部。碳化硅反应气体物质的升华和沉积用 Hertz-Knudsen来描述,对流和扩散由Navier-Stokes方程和混合平均扩散模型描述,同时考虑了Stefan流的影响。通过该模型,我们模拟了热场,气体流场,各气体组分的浓度分布,以及晶体的生长速度随实验条件的变化,还模拟了气体浓度随时间的变化过程。 该模型主要通过COMSOL构建了二维轴对称模型,其中应用了固体和流体传热,表面对表面辐射,层流,以及浓物质传递模块,还启用了多孔介质来连接两个流场。 该模型第一次描述了PVT法生长碳化硅晶体过程中坩埚内部和外部的气体输运情况,并将坩埚内外的气体流场进行了耦合,为理解碳化硅晶体生长的气体传质过程提供了良好的指导。