Əsas prosesiSiCkristal artımı sublimasiya və yüksək temperaturda xammalın parçalanmasına, temperatur qradiyenti təsiri altında qaz fazası maddələrinin daşınmasına və toxum kristalında qaz fazasının maddələrinin yenidən kristallaşmasına bölünür. Buna əsasən, tigenin daxili hissəsi üç hissəyə bölünür: xammal sahəsi, böyümə kamerası və toxum kristalı. Faktiki müqavimətə əsaslanaraq ədədi simulyasiya modeli tərtib edilmişdirSiCtək kristal artım avadanlığı (Şəkil 1-ə baxın). Hesablamada: altpotayan qızdırıcının dibindən 90 mm aralıda, tigenin yuxarı temperaturu 2100 ℃, xammal hissəciklərinin diametri 1000 μm, məsaməlilik 0,6, böyümə təzyiqi 300 Pa, böyümə müddəti 100 saatdır. . PG qalınlığı 5 mm, diametri tigelin daxili diametrinə bərabərdir və xammaldan 30 mm yuxarıda yerləşir. Hesablamada xammal zonasının sublimasiya, karbonlaşma və yenidən kristallaşma prosesləri nəzərə alınır, PG ilə qaz fazası maddələri arasındakı reaksiya nəzərə alınmır. Hesablama ilə bağlı fiziki xassə parametrləri Cədvəl 1-də göstərilmişdir.
Şəkil 1 Simulyasiya hesablama modeli. (a) Kristal artımının simulyasiyası üçün istilik sahəsi modeli; (b) Potanın daxili sahəsinin və əlaqəli fiziki problemlərin bölünməsi
Cədvəl 1 Hesablamada istifadə edilən bəzi fiziki parametrlər
Şəkil 2(a) göstərir ki, PG tərkibli strukturun (struktur 1 kimi qeyd olunur) temperaturu PG-dən aşağı olan PG-siz strukturdan (struktur 0 kimi qeyd olunur) yüksək və PG-dən yuxarı olan 0 strukturunun temperaturundan aşağıdır. Ümumi temperatur gradienti artır və PG istilik izolyasiya edən agent kimi çıxış edir. Şəkil 2(b) və 2(c)-ə əsasən xammal zonasında 1-ci strukturun eksenel və radial temperatur qradiyenti daha kiçik, temperaturun paylanması daha vahid, materialın sublimasiyası daha tam olur. Xammal zonasından fərqli olaraq, Şəkil 2(c) 1-ci strukturun toxum kristalında radial temperatur gradientinin daha böyük olduğunu göstərir ki, bu da kristalın qabarıq interfeyslə böyüməsinə kömək edən müxtəlif istilik ötürmə rejimlərinin müxtəlif nisbətləri ilə əlaqədar ola bilər. . Şəkil 2(d)-də tigelin müxtəlif mövqelərindəki temperatur böyümənin irəliləməsi ilə artım tendensiyası göstərir, lakin struktur 0 ilə struktur 1 arasındakı temperatur fərqi xammal zonasında tədricən azalır və böyümə kamerasında tədricən artır.
Şəkil 2 Temperaturun paylanması və tigedə dəyişikliklər. (a) 0 saatda konstruksiya 0 (sol) və konstruksiya 1 (sağ) tige daxilində temperaturun paylanması, vahid: ℃; (b) 0 saatda xammalın dibindən toxum kristalına qədər struktur 0 və struktur 1 olan tigelin mərkəz xətti üzrə temperaturun paylanması; (c) Toxum kristal səthində (A) və xammal səthində (B), ortada (C) və dibində (D) mərkəzdən tigenin kənarına qədər temperaturun 0 saatda paylanması, üfüqi ox r A üçün toxum kristal radiusu və B~D üçün xammal sahəsi radiusu; (d) 0, 30, 60 və 100 saatlarda 0 strukturunun böyümə kamerasının və 1-ci strukturun yuxarı hissəsinin (A), xammal səthinin (B) və ortasında (C) mərkəzində temperaturun dəyişməsi.
Şəkil 3 konstruksiya 0 və struktur 1-in tigelində müxtəlif vaxtlarda material daşınmasını göstərir. Xammal sahəsində və böyümə kamerasında qaz fazasının material axını sürəti mövqenin artması ilə artır və böyümə irəlilədikcə materialın daşınması zəifləyir. . Şəkil 3 də göstərir ki, simulyasiya şəraitində xammal əvvəlcə tigelin yan divarında, sonra isə tigelin dibində qrafitləşir. Bundan əlavə, xammalın səthində yenidən kristallaşma var və böyümə irəlilədikcə tədricən qalınlaşır. Şəkillər 4(a) və 4(b) göstərir ki, xammalın içərisində material axını sürəti artım irəlilədikcə azalır və 100 saatda material axını sürəti ilkin anın təxminən 50%-ni təşkil edir; bununla belə, xammalın qrafitləşməsi səbəbindən axın sürəti kənarda nisbətən böyükdür və kənarda axın sürəti 100 saatda orta sahədəki axın sürətindən 10 dəfədən çox olur; bundan əlavə, struktur 1-də PG-nin təsiri 1-ci strukturun xammal sahəsində material axını sürətini struktur 0-dan aşağı edir. Şəkil 4(c)-də həm xammal sahəsində, həm də material axını böyümə kamerası böyümə irəlilədikcə tədricən zəifləyir və xammal sahəsindəki material axını azalmağa davam edir ki, bu da tigenin kənarında hava axını kanalının açılması və maneənin yaranması ilə əlaqədardır. yuxarıda yenidən kristallaşma; böyümə kamerasında 0 strukturunun material axını sürəti ilkin 30 saat ərzində sürətlə azalaraq 16% -ə qədər azalır və sonrakı dövrdə yalnız 3% azalır, struktur 1 isə böyümə prosesi boyunca nisbətən sabit qalır. Buna görə də, PG böyümə kamerasında material axını sürətini sabitləşdirməyə kömək edir. Şəkil 4(d) kristal artım cəbhəsində material axını sürətini müqayisə edir. İlkin anda və 100 saatda 0 strukturunun böyümə zonasında materialın daşınması struktur 1-dən daha güclüdür, lakin strukturun 0 kənarında həmişə yüksək axın sürəti sahəsi var ki, bu da kənarda həddindən artıq böyüməyə səbəb olur. . 1-ci strukturda PG-nin olması bu fenomeni effektiv şəkildə yatırır.
Şəkil 3 Titada material axını. Müxtəlif vaxtlarda 0 və 1 konstruksiyalarda qaz materialının daşınmasının axın xətləri (solda) və sürət vektorları (sağda), sürət vektor vahidi: m/s
Şəkil 4 Material axını sürətində dəyişikliklər. (a) 0, 30, 60 və 100 saatda 0 strukturlu xammalın ortasında material axınının paylanmasında dəyişikliklər, r - xammal sahəsinin radiusu; (b) 0, 30, 60 və 100 saatda 1-ci strukturun xammalının ortasında material axınının paylanmasında dəyişikliklər, r - xammal sahəsinin radiusu; (c) Zamanla 0 və 1 konstruksiyaların böyümə kamerasının (A, B) və xammalının (C, D) daxilində material axını sürətinin dəyişməsi; (d) 0 və 100 saatda 0 və 1 strukturların toxum kristal səthi yaxınlığında material axını sürətinin paylanması, r toxum kristalının radiusudur
C/Si, SiC kristal artımının kristal sabitliyinə və qüsur sıxlığına təsir göstərir. Şəkil 5(a) ilkin anda iki strukturun C/Si nisbətinin paylanmasını müqayisə edir. C/Si nisbəti dibdən yuxarıya doğru tədricən azalır və 1-ci strukturun C/Si nisbəti müxtəlif mövqelərdə həmişə 0-cı quruluşun nisbətindən yüksək olur. Şəkil 5(b) və 5(c) göstərir ki, C/Si nisbəti böyümə ilə tədricən artır, bu böyümənin sonrakı mərhələsində daxili temperaturun artması, xammalın qrafitləşməsinin güclənməsi və Si-nin reaksiyası ilə əlaqədardır. qrafit tige ilə qaz fazasında komponentlər. Şəkil 5(d)-də struktur 0 və struktur 1-in C/Si nisbətləri PG-dən (0, 25 mm) aşağıda kifayət qədər fərqlidir, lakin PG-dən (50 mm) yuxarı bir qədər fərqlidir və kristala yaxınlaşdıqca fərq tədricən artır. . Ümumiyyətlə, struktur 1-in C/Si nisbəti daha yüksəkdir, bu, kristal formanı sabitləşdirməyə və faza keçid ehtimalını azaltmağa kömək edir.
Şəkil 5 C/Si nisbətinin paylanması və dəyişiklikləri. (a) 0 saatda strukturu 0 (solda) və strukturu 1 (sağda) olan tigelərdə C/Si nisbətinin paylanması; (b) müxtəlif vaxtlarda (0, 30, 60, 100 h) 0 konstruksiyalı tigelin mərkəz xəttindən müxtəlif məsafələrdə C/Si nisbəti; (c) müxtəlif vaxtlarda (0, 30, 60, 100 h) 1-ci konstruksiyanın tigesinin mərkəz xəttindən müxtəlif məsafələrdə C/Si nisbəti; (d) C/Si nisbətinin müxtəlif vaxtlarda (0, 25, 50, 75, 100 mm) konstruksiya 0 (bərk xətt) və konstruksiya 1 (kesik xətt) olan tigenin mərkəz xəttindən fərqli məsafələrdə (0, 25, 50, 75, 100 mm) müqayisəsi 30, 60, 100 saat).
Şəkil 6-da iki strukturun xammal bölgələrinin hissəcik diametrində və məsaməliliyindəki dəyişikliklər göstərilir. Şəkil göstərir ki, xammalın diametri azalır və porozluq tige divarının yaxınlığında artır və böyümə irəlilədikcə kənar məsaməlik artmağa və hissəcik diametri azalmağa davam edir. Maksimum kənar gözeneklilik 100 saatda təxminən 0,99, minimum hissəcik diametri isə təxminən 300 μm-dir. Xammalın yuxarı səthində hissəciklərin diametri artır və məsaməlilik yenidən kristallaşmaya uyğun olaraq azalır. Böyümə irəlilədikcə yenidən kristallaşma sahəsinin qalınlığı artır və hissəcik ölçüsü və məsaməliliyi dəyişməyə davam edir. Maksimum hissəcik diametri 1500 μm-dən çox, minimum məsaməlilik isə 0,13-ə çatır. Bundan əlavə, PG xammal sahəsinin temperaturunu artırdığından və qazın supersaturasiyası kiçik olduğundan, struktur 1-in xammalının yuxarı hissəsinin yenidən kristallaşma qalınlığı kiçikdir, bu da xammaldan istifadə dərəcəsini yaxşılaşdırır.
Şəkil 6 Müxtəlif vaxtlarda struktur 0 və struktur 1-in xammal sahəsinin hissəcik diametrində (solda) və məsaməliliyində (sağda) dəyişikliklər, hissəcik diametri vahidi: μm
Şəkil 7 göstərir ki, 0 strukturu böyümənin başlanğıcında bükülür, bu, xammal kənarının qrafitləşməsi nəticəsində yaranan həddindən artıq material axını sürəti ilə əlaqəli ola bilər. Sonrakı böyümə prosesi zamanı əyilmə dərəcəsi zəifləyir ki, bu da Şəkil 4-də (d) 0 strukturunun kristal artımının ön hissəsində material axını sürətinin dəyişməsinə uyğundur. 1-ci strukturda PG-nin təsirinə görə kristal interfeysi əyilmə göstərmir. Bundan əlavə, PG həm də struktur 1-in böyümə sürətini struktur 0-dan xeyli aşağı edir. 100 saatdan sonra 1-ci strukturun kristalının mərkəzi qalınlığı 0-cı strukturun böyümə sürətinin yalnız 68%-ni təşkil edir.
Şəkil 7 30, 60 və 100 saatda struktur 0 və struktur 1 kristallarının interfeys dəyişiklikləri
Kristal artımı ədədi simulyasiya prosesi şəraitində həyata keçirilmişdir. 0 strukturu və 1 strukturu ilə böyüdülmüş kristallar müvafiq olaraq Şəkil 8(a) və Şəkil 8(b)-də göstərilmişdir. 0 strukturunun kristalı konkav interfeysi göstərir, mərkəzi sahədə dalğalanmalar və kənarında faza keçidi var. Səth qabarıqlığı qaz fazalı materialların daşınmasında müəyyən dərəcədə qeyri-homogenliyi ifadə edir və faza keçidinin baş verməsi aşağı C/Si nisbətinə uyğundur. 1-ci strukturla yetişdirilən kristalın interfeysi bir qədər qabarıqdır, faza keçidi aşkar edilmir, qalınlığı isə PG-siz kristalın 65%-ni təşkil edir. Ümumiyyətlə, kristal artımının nəticələri simulyasiya nəticələrinə uyğundur, struktur 1-in kristal interfeysində daha böyük radial temperatur fərqi ilə kənarda sürətli artım yatırılır və ümumi material axını sürəti daha yavaş olur. Ümumi tendensiya ədədi simulyasiya nəticələrinə uyğundur.
Şəkil 8 SiC kristalları struktur 0 və struktur 1 altında yetişdirilir
Nəticə
PG xammal sahəsinin ümumi temperaturunun yaxşılaşdırılmasına və eksenel və radial temperaturun vahidliyinin yaxşılaşdırılmasına kömək edir, xammalın tam sublimasiyasını və istifadəsini təşviq edir; yuxarı və aşağı temperatur fərqi artır və toxum kristal səthinin radial gradienti artır, bu da qabarıq interfeys artımını saxlamağa kömək edir. Kütləvi köçürmə baxımından PG-nin tətbiqi ümumi kütlə ötürmə sürətini azaldır, tərkibində PG olan böyümə kamerasında material axını sürəti zamanla daha az dəyişir və bütün böyümə prosesi daha sabitdir. Eyni zamanda, PG həddindən artıq kənar kütlə ötürülməsinin baş verməsini də effektiv şəkildə maneə törədir. Bundan əlavə, PG həmçinin böyümə mühitinin C/Si nisbətini artırır, xüsusilə toxum kristal interfeysinin ön kənarında, böyümə prosesi zamanı faza dəyişikliyinin baş verməsini azaltmağa kömək edir. Eyni zamanda PG-nin istilik izolyasiya effekti xammalın yuxarı hissəsində yenidən kristallaşmanın baş verməsini müəyyən dərəcədə azaldır. Kristal böyüməsi üçün PG kristalın böyümə sürətini yavaşlatır, lakin böyümə interfeysi daha qabarıqdır. Buna görə də, PG SiC kristallarının böyümə mühitini yaxşılaşdırmaq və kristal keyfiyyətini optimallaşdırmaq üçün təsirli bir vasitədir.
Göndərmə vaxtı: 18 iyun 2024-cü il