O que é campo térmico?

No campo decrescimento de cristal único, a distribuição de temperatura dentro do forno de crescimento de cristais desempenha um papel crítico. Esta distribuição de temperatura, comumente chamada de campo térmico, é um fator vital que influencia a qualidade e as características do cristal que está sendo cultivado. Ocampo térmicopodem ser categorizados em dois tipos: estáticos e dinâmicos.

Campos térmicos estáticos e dinâmicos

Um campo térmico estático refere-se à distribuição de temperatura relativamente estável dentro do sistema de aquecimento durante a calcinação. Esta estabilidade é mantida quando a temperatura dentro do forno permanece consistente ao longo do tempo. No entanto, durante o processo real de crescimento de um único cristal, o campo térmico está longe de ser estático; é dinâmico.

Um campo térmico dinâmico é caracterizado por mudanças contínuas na distribuição de temperatura dentro do forno. Essas mudanças são motivadas por vários fatores:

Transformação de fase: À medida que o material passa de uma fase líquida para uma fase sólida, o calor latente é liberado, o que afeta a distribuição de temperatura dentro do forno.

Alongamento do Cristal: À medida que o cristal cresce, a superfície do fundido diminui, alterando a dinâmica térmica dentro do sistema.

Transferência de Calor: Os modos de transferência de calor, incluindo condução e radiação, evoluem ao longo do processo, contribuindo ainda mais para as mudanças no campo térmico.

Devido a esses fatores, o campo térmico dinâmico é um aspecto em constante mudança do crescimento de um único cristal que requer monitoramento e controle cuidadosos.

A interface sólido-líquido

A interface sólido-líquido é outro conceito crucial no crescimento de cristais únicos. A qualquer momento, cada ponto do forno tem uma temperatura específica. Se conectarmos todos os pontos do campo térmico que compartilham a mesma temperatura, obteremos uma curva espacial conhecida como superfície isotérmica. Entre essas superfícies isotérmicas, uma é particularmente significativa – a interface sólido-líquido.

A interface sólido-líquido é o limite onde a fase sólida do cristal encontra a fase líquida do fundido. Esta interface é onde ocorre o crescimento do cristal, à medida que o cristal se forma a partir da fase líquida neste limite.

Gradientes de temperatura no crescimento de cristal único

Durante o crescimento do silício monocristalino, ocampo térmicoabrange fases sólidas e líquidas, cada uma com gradientes de temperatura distintos:

No Cristal:

Gradiente de temperatura longitudinal: Refere-se à diferença de temperatura ao longo do comprimento do cristal.

Gradiente de temperatura radial: Refere-se à diferença de temperatura ao longo do raio do cristal.

No derretimento:

Gradiente Longitudinal de Temperatura: Refere-se à diferença de temperatura ao longo da altura do fundido.

Gradiente de temperatura radial: Refere-se à diferença de temperatura ao longo do raio do fundido.

Esses gradientes representam duas distribuições de temperatura diferentes, mas a mais crítica para determinar o estado de cristalização é o gradiente de temperatura na interface sólido-líquido.

Gradiente de temperatura radial no cristal: Determinado pela condução de calor longitudinal e transversal, radiação superficial e posição do cristal dentro do campo térmico. Geralmente, a temperatura é mais alta no centro e mais baixa nas bordas do cristal.

Radial Temperature Gradient in the Melt: Primarily influenced by the surrounding heaters, with the center being cooler and the temperature increasing towards the crucible. The radial temperature gradient in the melt is always positive.

Otimizando o Campo Térmico

Uma distribuição de temperatura do campo térmico bem projetada deve satisfazer as seguintes condições:

Gradiente de temperatura longitudinal adequado no cristal: Deve ser suficientemente grande para garantir que o cristal tenha capacidade de dissipação de calor suficiente para transportar o calor latente da cristalização. No entanto, não deve ser excessivamente grande, pois isso poderia dificultar o crescimento do cristal.

Gradiente de temperatura longitudinal substancial no fundido: Garante que nenhum novo núcleo de cristal se forme no fundido. No entanto, se for muito grande, podem ocorrer luxações, levando a defeitos no cristal.

Gradiente de temperatura longitudinal apropriado na interface de cristalização: Deve ser grande o suficiente para criar o super-resfriamento necessário, proporcionando impulso de crescimento suficiente para o cristal único. No entanto, não deve ser muito grande para evitar defeitos estruturais. Enquanto isso, o gradiente radial de temperatura deve ser o menor possível para manter uma interface de cristalização plana.

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