دراسة محاكاة عددية لتأثير الجرافيت المسامي على نمو بلورات كربيد السيليكون

العملية الأساسية لكربيد كربيدينقسم نمو البلورات إلى تسامي وتحلل المواد الخام عند درجة حرارة عالية، ونقل مواد الطور الغازي تحت تأثير التدرج في درجة الحرارة، وإعادة بلورة نمو مواد الطور الغازي في بلورة البذور. بناءً على ذلك، يتم تقسيم الجزء الداخلي للبوتقة إلى ثلاثة أجزاء: منطقة المواد الخام وغرفة النمو وبلورة البذور. تم رسم نموذج محاكاة عددية على أساس المقاومة الفعليةكربيد كربيدمعدات النمو البلورية المفردة (انظر الشكل 1). وفي الحساب: قاعبوتقةيبعد 90 مم عن الجزء السفلي من السخان الجانبي، ودرجة الحرارة العلوية للبوتقة 2100 درجة مئوية، وقطر جسيمات المادة الخام 1000 ميكرومتر، والمسامية 0.6، وضغط النمو 300 باسكال، ووقت النمو 100 ساعة. . سمك PG هو 5 مم، والقطر يساوي القطر الداخلي للبوتقة، ويقع على ارتفاع 30 مم فوق المادة الخام. يتم أخذ عمليات التسامي والكربنة وإعادة البلورة في منطقة المواد الخام في الاعتبار عند الحساب، ولا يتم أخذ التفاعل بين PG ومواد الطور الغازي في الاعتبار. يتم عرض معلمات الخصائص الفيزيائية المتعلقة بالحساب في الجدول 1.

الشكل 1: نموذج حساب المحاكاة. ( أ ) نموذج المجال الحراري لمحاكاة نمو البلورات؛ (ب) تقسيم المساحة الداخلية للبوتقة والمشاكل الفيزيائية المتعلقة بها

الجدول 1: بعض المعلمات الفيزيائية المستخدمة في الحساب

يوضح الشكل 2 (أ) أن درجة حرارة الهيكل المحتوي على PG (المشار إليه بالهيكل 1) أعلى من درجة حرارة الهيكل الخالي من PG (المشار إليه بالهيكل 0) أسفل PG، وأقل من درجة حرارة الهيكل 0 فوق PG. يزداد التدرج الإجمالي لدرجة الحرارة، ويعمل PG كعامل عازل للحرارة. وفقًا للشكلين 2 (ب) و2 (ج)، تكون تدرجات درجة الحرارة المحورية والشعاعية للهيكل 1 في منطقة المواد الخام أصغر، ويكون توزيع درجة الحرارة أكثر اتساقًا، ويكون تسامي المادة أكثر اكتمالاً. على عكس منطقة المواد الخام، يوضح الشكل 2 (ج) أن التدرج في درجة الحرارة الشعاعية عند بلورة البذرة للهيكل 1 أكبر، والذي قد يكون ناجمًا عن النسب المختلفة لأنماط نقل الحرارة المختلفة، مما يساعد البلورة على النمو بواجهة محدبة . في الشكل 2 (د)، تظهر درجة الحرارة في مواضع مختلفة في البوتقة اتجاهًا متزايدًا مع تقدم النمو، لكن فرق درجة الحرارة بين الهيكل 0 والهيكل 1 يتناقص تدريجيًا في منطقة المواد الخام ويزيد تدريجيًا في غرفة النمو.

الشكل 2: توزيع درجات الحرارة والتغيرات في البوتقة. (أ) توزيع درجة الحرارة داخل بوتقة الهيكل 0 (يسار) والهيكل 1 (يمين) عند 0 ساعة، الوحدة: ℃؛ (ب) توزيع درجة الحرارة على الخط الأوسط لبوتقة الهيكل 0 والهيكل 1 من أسفل المادة الخام إلى بلورة البذور عند 0 ساعة؛ (ج) توزيع درجة الحرارة من المركز إلى حافة البوتقة على سطح بلورة البذور (A) وسطح المادة الخام (B)، الأوسط (C) والأسفل (D) عند 0 ساعة، المحور الأفقي r هو نصف قطر بلورة البذور لـ A، ونصف قطر منطقة المواد الخام لـ B~D؛ (د) التغيرات في درجات الحرارة في وسط الجزء العلوي (A)، وسطح المادة الخام (B) والوسط (C) لغرفة النمو للهيكل 0 والهيكل 1 عند 0 و30 و60 و100 ساعة.

يوضح الشكل 3 نقل المواد في أوقات مختلفة في بوتقة الهيكل 0 والهيكل 1. ويزداد معدل تدفق مادة الطور الغازي في منطقة المادة الخام وغرفة النمو مع زيادة الموضع، ويضعف نقل المواد مع تقدم النمو . يوضح الشكل 3 أيضًا أنه في ظل ظروف المحاكاة، يتم رسم المادة الخام أولاً على الجدار الجانبي للبوتقة ثم على الجزء السفلي من البوتقة. بالإضافة إلى ذلك، تتم إعادة التبلور على سطح المادة الخام ويزداد سمكها تدريجيًا مع تقدم النمو. يوضح الشكلان 4 (أ) و4 (ب) أن معدل تدفق المواد داخل المادة الخام يتناقص مع تقدم النمو، وأن معدل تدفق المواد عند 100 ساعة يبلغ حوالي 50% من اللحظة الأولية؛ ومع ذلك، فإن معدل التدفق كبير نسبيًا عند الحافة بسبب جرافيت المواد الخام، ومعدل التدفق عند الحافة أكثر من 10 أضعاف معدل التدفق في المنطقة الوسطى عند 100 ساعة؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير PG في الهيكل 1 يجعل معدل تدفق المواد في منطقة المواد الخام للهيكل 1 أقل من الهيكل 0. في الشكل 4 (ج)، تدفق المواد في كل من منطقة المواد الخام ومنطقة تضعف غرفة النمو تدريجيًا مع تقدم النمو، ويستمر تدفق المواد في منطقة المواد الخام في الانخفاض، والذي يحدث بسبب فتح قناة تدفق الهواء عند حافة البوتقة وعرقلة إعادة التبلور في الأعلى؛ في غرفة النمو، ينخفض ​​معدل تدفق المواد للهيكل 0 بسرعة في أول 30 ساعة إلى 16%، وينخفض ​​بنسبة 3% فقط في الوقت اللاحق، بينما يظل الهيكل 1 مستقرًا نسبيًا طوال عملية النمو. ولذلك، PG يساعد على استقرار معدل تدفق المواد في غرفة النمو. يقارن الشكل 4 (د) معدل تدفق المواد عند جبهة النمو البلوري. في اللحظة الأولية و100 ساعة، يكون نقل المواد في منطقة النمو للهيكل 0 أقوى من ذلك في الهيكل 1، ولكن توجد دائمًا منطقة ذات معدل تدفق مرتفع عند حافة الهيكل 0، مما يؤدي إلى نمو مفرط عند الحافة . إن وجود PG في البنية 1 يمنع هذه الظاهرة بشكل فعال.

الشكل 3: تدفق المواد في البوتقة. خطوط الانسيابية (يسار) ومتجهات السرعة (يمين) لنقل المواد الغازية في الهياكل 0 و1 في أوقات مختلفة، وحدة ناقل السرعة: م/ث

الشكل 4: التغييرات في معدل تدفق المواد. (أ) التغييرات في توزيع معدل تدفق المواد في منتصف المادة الخام للهيكل 0 عند 0 و30 و60 و100 ساعة، r هو نصف قطر منطقة المادة الخام؛ (ب) التغييرات في توزيع معدل تدفق المواد في منتصف المادة الخام للهيكل 1 عند 0 و30 و60 و100 ساعة، r هو نصف قطر منطقة المواد الخام؛ (ج) التغيرات في معدل تدفق المواد داخل غرفة النمو (A، B) وداخل المواد الخام (C، D) للهياكل 0 و 1 مع مرور الوقت؛ ( د ) توزيع معدل تدفق المواد بالقرب من سطح بلورة البذرة للهياكل 0 و 1 عند 0 و 100 ساعة، r هو نصف قطر بلورة البذرة

يؤثر C/Si على الاستقرار البلوري وكثافة العيوب في نمو بلورات SiC. يقارن الشكل 5 (أ) توزيع نسبة C / Si للبنيتين في اللحظة الأولى. تتناقص نسبة C/Si تدريجيًا من أسفل إلى أعلى البوتقة، وتكون نسبة C/Si للهيكل 1 دائمًا أعلى من نسبة الهيكل 0 في مواضع مختلفة. يوضح الشكلان 5 (ب) و5 (ج) أن نسبة C/Si تزداد تدريجيًا مع النمو، وهو ما يرتبط بزيادة درجة الحرارة الداخلية في المرحلة اللاحقة من النمو، وتعزيز جرافيت المواد الخام، ورد فعل Si المكونات في الطور الغازي مع بوتقة الجرافيت. في الشكل 5 (د)، تختلف نسب C/Si للهيكل 0 والهيكل 1 تمامًا تحت PG (0، 25 مم)، ولكنها تختلف قليلاً عن PG (50 مم)، ويزداد الفرق تدريجيًا مع اقترابه من البلورة . بشكل عام، نسبة C/Si للهيكل 1 أعلى، مما يساعد على استقرار الشكل البلوري وتقليل احتمالية انتقال الطور.

الشكل 5: توزيع وتغييرات نسبة C / Si. ( أ ) توزيع نسبة C / Si في بوتقات الهيكل 0 (يسار) والهيكل 1 (يمين) عند 0 ساعة؛ ( ب ) نسبة C / Si على مسافات مختلفة من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 0 في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة)؛ (ج) نسبة C/Si على مسافات مختلفة من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 1 في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة)؛ ( د ) مقارنة نسبة C / Si على مسافات مختلفة (0، 25، 50، 75، 100 مم) من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 0 (الخط الصلب) والهيكل 1 (الخط المتقطع) في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة).

ويبين الشكل 6 التغيرات في قطر الجسيمات ومسامية مناطق المواد الخام في الهيكلين. يوضح الشكل أن قطر المادة الخام يتناقص وتزداد المسامية بالقرب من جدار البوتقة، وتستمر مسامية الحافة في الزيادة ويستمر قطر الجسيمات في الانخفاض مع تقدم النمو. تبلغ مسامية الحافة القصوى حوالي 0.99 عند 100 ساعة، ويبلغ الحد الأدنى لقطر الجسيمات حوالي 300 ميكرومتر. يزداد قطر الجسيم وتقل المسامية على السطح العلوي للمادة الخام، مما يتوافق مع إعادة التبلور. يزداد سمك منطقة إعادة التبلور مع تقدم النمو، ويستمر تغير حجم الجسيمات والمسامية. يصل الحد الأقصى لقطر الجسيمات إلى أكثر من 1500 ميكرومتر، والحد الأدنى للمسامية هو 0.13. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن PG يزيد من درجة حرارة منطقة المادة الخام ويكون التشبع الفائق للغاز صغيرًا، فإن سمك إعادة التبلور للجزء العلوي من المادة الخام للهيكل 1 يكون صغيرًا، مما يحسن معدل استخدام المواد الخام.

الشكل 6 التغييرات في قطر الجسيم (يسار) والمسامية (يمين) لمنطقة المادة الخام للهيكل 0 والهيكل 1 في أوقات مختلفة، وحدة قطر الجسيم: ميكرومتر

يوضح الشكل 7 أن الهيكل 0 يلتوي في بداية النمو، والذي قد يكون مرتبطًا بمعدل تدفق المواد المفرط الناتج عن رسم حافة المادة الخام. تضعف درجة الالتواء أثناء عملية النمو اللاحقة، وهو ما يتوافق مع التغير في معدل تدفق المواد في مقدمة النمو البلوري للهيكل 0 في الشكل 4 (د). في الهيكل 1، نظرًا لتأثير PG، لا تظهر الواجهة البلورية أي تزييف. بالإضافة إلى ذلك، PG أيضًا يجعل معدل نمو الهيكل 1 أقل بكثير من معدل نمو الهيكل 0. يبلغ سمك المركز لبلورة الهيكل 1 بعد 100 ساعة 68% فقط من سمك الهيكل 0.

الشكل 7: تغييرات الواجهة لبلورات البنية 0 والبنية 1 عند 30 و60 و100 ساعة

تم تنفيذ النمو البلوري في ظل ظروف عملية المحاكاة العددية. وتظهر البلورات التي تنمو حسب الهيكل 0 والهيكل 1 في الشكل 8 (أ) والشكل 8 (ب)، على التوالي. تُظهر بلورة البنية 0 واجهة مقعرة، مع تموجات في المنطقة المركزية وانتقال طور عند الحافة. يمثل التحدب السطحي درجة معينة من عدم التجانس في نقل مواد الطور الغازي، ويتوافق حدوث انتقال الطور مع نسبة C/Si المنخفضة. واجهة البلورة المزروعة بالهيكل 1 محدبة قليلاً، ولم يتم العثور على أي مرحلة انتقالية، ويبلغ سمك 65٪ من البلورة بدون PG. بشكل عام، تتوافق نتائج النمو البلوري مع نتائج المحاكاة، مع اختلاف أكبر في درجة الحرارة الشعاعية عند الواجهة البلورية للهيكل 1، يتم قمع النمو السريع عند الحافة، ويكون معدل تدفق المواد الإجمالي أبطأ. الاتجاه العام يتوافق مع نتائج المحاكاة العددية.

الشكل 8: بلورات SiC المزروعة تحت الهيكل 0 والهيكل 1

خاتمة

PG يفضي إلى تحسين درجة الحرارة الإجمالية لمنطقة المواد الخام وتحسين توحيد درجة الحرارة المحورية والشعاعية، وتعزيز التسامي الكامل واستخدام المواد الخام؛ يزيد الفرق في درجة الحرارة العلوية والسفلية، ويزداد التدرج الشعاعي لسطح بلورة البذور، مما يساعد على الحفاظ على نمو الواجهة المحدبة. فيما يتعلق بالنقل الجماعي، فإن إدخال PG يقلل من معدل نقل الكتلة الإجمالي، ويتغير معدل تدفق المواد في غرفة النمو التي تحتوي على PG بشكل أقل بمرور الوقت، وتكون عملية النمو بأكملها أكثر استقرارًا. وفي الوقت نفسه، يمنع PG أيضًا بشكل فعال حدوث النقل المفرط لكتلة الحافة. بالإضافة إلى ذلك، يزيد PG أيضًا من نسبة C/Si لبيئة النمو، خاصة عند الحافة الأمامية للواجهة البلورية للبذور، مما يساعد على تقليل حدوث تغير الطور أثناء عملية النمو. وفي الوقت نفسه، فإن تأثير العزل الحراري لـ PG يقلل من حدوث إعادة التبلور في الجزء العلوي من المادة الخام إلى حد ما. بالنسبة لنمو البلورات، يعمل PG على إبطاء معدل نمو البلورات، لكن واجهة النمو تكون أكثر محدبة. لذلك، PG هو وسيلة فعالة لتحسين بيئة نمو بلورات SiC وتحسين جودة البلورة.