مطالعه شبیه‌سازی عددی تأثیر گرافیت متخلخل بر رشد کریستال کاربید سیلیکون

فرآیند اساسی ازSiCرشد کریستال به تصعید و تجزیه مواد خام در دمای بالا، انتقال مواد فاز گاز تحت اثر گرادیان دما و رشد تبلور مجدد مواد فاز گاز در بلور دانه تقسیم می‌شود. بر این اساس، داخل بوته به سه قسمت منطقه مواد اولیه، محفظه رشد و کریستال بذر تقسیم می شود. یک مدل شبیه‌سازی عددی بر اساس مقاومت واقعی ترسیم شدSiCتجهیزات رشد تک کریستال (شکل 1 را ببینید). در محاسبه: پایین ازبوته90 میلی متر از پایین بخاری جانبی فاصله دارد، دمای بالای بوته 2100 ℃، قطر ذرات ماده خام 1000 میکرومتر، تخلخل 0.6، فشار رشد 300 Pa، و زمان رشد 100 ساعت است. . ضخامت PG 5 میلی متر، قطر برابر با قطر داخلی بوته است و 30 میلی متر بالاتر از ماده اولیه قرار دارد. فرآیندهای تصعید، کربن‌سازی و تبلور مجدد ناحیه مواد خام در محاسبه در نظر گرفته می‌شوند و واکنش بین PG و مواد فاز گاز در نظر گرفته نمی‌شود. پارامترهای ویژگی فیزیکی مربوط به محاسبه در جدول 1 نشان داده شده است.

شکل 1 مدل محاسبه شبیه سازی. (الف) مدل میدان حرارتی برای شبیه سازی رشد کریستال. (ب) تقسیم ناحیه داخلی بوته و مشکلات فیزیکی مربوط به آن

جدول 1 برخی از پارامترهای فیزیکی مورد استفاده در محاسبه

شکل 2(a) نشان می دهد که دمای ساختار حاوی PG (که با ساختار 1 مشخص می شود) بالاتر از ساختار بدون PG (که با ساختار 0 مشخص می شود) در زیر PG و کمتر از دمای ساختار 0 بالای PG است. گرادیان دمای کلی افزایش می یابد و PG به عنوان یک عامل عایق حرارت عمل می کند. مطابق شکل 2(b) و 2(c)، گرادیان دمای محوری و شعاعی سازه 1 در ناحیه مواد خام کوچکتر، توزیع دما یکنواخت تر و تصعید ماده کاملتر است. برخلاف منطقه مواد خام، شکل 2(c) نشان می دهد که گرادیان دمای شعاعی در کریستال دانه ساختار 1 بزرگتر است، که ممکن است ناشی از نسبت های مختلف حالت های مختلف انتقال حرارت باشد، که به رشد کریستال با یک رابط محدب کمک می کند. . در شکل 2(d)، دما در موقعیت های مختلف در بوته با پیشرفت رشد روند افزایشی را نشان می دهد، اما اختلاف دما بین ساختار 0 و ساختار 1 به تدریج در منطقه مواد خام کاهش می یابد و به تدریج در محفظه رشد افزایش می یابد.

شکل 2 توزیع دما و تغییرات در بوته. (الف) توزیع دما در داخل بوته سازه 0 (چپ) و ساختار 1 (راست) در ساعت 0، واحد: ℃. (ب) توزیع دما در خط مرکزی بوته ساختار 0 و ساختار 1 از انتهای ماده خام تا کریستال بذر در ساعت 0. (ج) توزیع دما از مرکز تا لبه بوته روی سطح کریستال بذر (A) و سطح ماده خام (B)، وسط (C) و پایین (D) در ساعت 0، محور افقی r است. شعاع کریستال بذر برای A، و شعاع سطح ماده خام برای B~D. (د) تغییرات دما در مرکز قسمت بالایی (A)، سطح مواد خام (B) و وسط (C) محفظه رشد سازه 0 و ساختار 1 در 0، 30، 60 و 100 ساعت.

شکل 3 انتقال مواد را در زمان‌های مختلف در بوته سازه 0 و ساختار 1 نشان می‌دهد. نرخ جریان مواد فاز گاز در منطقه مواد خام و محفظه رشد با افزایش موقعیت افزایش می‌یابد و با پیشرفت رشد، انتقال مواد ضعیف می‌شود. . شکل 3 همچنین نشان می دهد که در شرایط شبیه سازی، ماده اولیه ابتدا در دیواره جانبی بوته و سپس در کف بوته گرافیت می شود. به علاوه در سطح ماده خام تبلور مجدد صورت می گیرد و با پیشرفت رشد به تدریج غلیظ می شود. شکل 4(الف) و 4(ب) نشان می دهد که سرعت جریان مواد در داخل ماده خام با پیشرفت رشد کاهش می یابد و سرعت جریان مواد در 100 ساعت حدود 50% لحظه اولیه است. با این حال، سرعت جریان در لبه به دلیل گرافیتی شدن ماده خام نسبتاً زیاد است و سرعت جریان در لبه بیش از 10 برابر نرخ جریان در ناحیه میانی در 100 ساعت است. علاوه بر این، اثر PG در ساختار 1 باعث می شود که سرعت جریان مواد در منطقه مواد خام سازه 1 کمتر از ساختار 0 باشد. در شکل 4 (c)، جریان مواد در هر دو منطقه مواد خام و محفظه رشد به تدریج با پیشرفت رشد ضعیف می شود و جریان مواد در منطقه مواد خام همچنان کاهش می یابد که به دلیل باز شدن کانال جریان هوا در لبه بوته و انسداد تبلور مجدد در بالا ایجاد می شود. در محفظه رشد، نرخ جریان مواد ساختار 0 به سرعت در 30 ساعت اولیه به 16٪ کاهش می یابد و تنها 3٪ در زمان بعدی کاهش می یابد، در حالی که ساختار 1 در طول فرآیند رشد نسبتاً پایدار می ماند. بنابراین، PG به تثبیت سرعت جریان مواد در محفظه رشد کمک می کند. شکل 4 (د) نرخ جریان مواد را در جبهه رشد کریستال مقایسه می کند. در لحظه اولیه و 100 ساعت، انتقال مواد در ناحیه رشد سازه 0 قوی تر از سازه 1 است، اما همیشه یک منطقه سرعت جریان بالا در لبه سازه 0 وجود دارد که منجر به رشد بیش از حد در لبه می شود. . وجود PG در ساختار 1 به طور موثر این پدیده را سرکوب می کند.

شکل 3 جریان مواد در بوته. خطوط جریان (چپ) و بردارهای سرعت (راست) انتقال مواد گازی در سازه های 0 و 1 در زمان های مختلف، واحد بردار سرعت: m/s

شکل 4 تغییرات در سرعت جریان مواد. (الف) تغییرات در توزیع نرخ جریان مواد در وسط ماده خام ساختار 0 در 0، 30، 60 و 100 ساعت، r شعاع منطقه مواد خام است. (ب) تغییرات در توزیع سرعت جریان مواد در وسط ماده خام ساختار 1 در 0، 30، 60 و 100 ساعت، r شعاع منطقه مواد خام است. (ج) تغییرات در سرعت جریان مواد در داخل محفظه رشد (A, B) و در داخل مواد خام (C, D) ساختارهای 0 و 1 در طول زمان. (د) توزیع سرعت جریان مواد در نزدیکی سطح کریستال بذر ساختارهای 0 و 1 در 0 و 100 ساعت، r شعاع کریستال دانه است.

C/Si بر ثبات کریستالی و تراکم نقص رشد کریستال SiC تأثیر می گذارد. شکل 5(a) توزیع نسبت C/Si دو ساختار را در لحظه اولیه مقایسه می کند. نسبت C/Si به تدریج از پایین به بالای بوته کاهش می یابد و نسبت C/Si ساختار 1 در موقعیت های مختلف همیشه بالاتر از ساختار 0 است. شکل 5(b) و 5(c) نشان می دهد که نسبت C/Si به تدریج با رشد افزایش می یابد که به افزایش دمای داخلی در مرحله بعدی رشد، افزایش گرافیت شدن مواد خام و واکنش Si مربوط می شود. اجزای موجود در فاز گاز با بوته گرافیتی. در شکل 5(d)، نسبت های C/Si ساختار 0 و ساختار 1 در زیر PG (0، 25 میلی متر) کاملا متفاوت است، اما کمی بالاتر از PG (50 میلی متر) متفاوت است، و این تفاوت به تدریج با نزدیک شدن به کریستال افزایش می یابد. . به طور کلی، نسبت C/Si ساختار 1 بالاتر است که به تثبیت فرم کریستالی و کاهش احتمال انتقال فاز کمک می کند.

شکل 5 توزیع و تغییرات نسبت C/Si. (الف) توزیع نسبت C/Si در بوته‌های ساختار 0 (چپ) و ساختار 1 (راست) در 0 ساعت. (ب) نسبت C/Si در فواصل مختلف از خط مرکزی بوته سازه 0 در زمان‌های مختلف (0، 30، 60، 100 ساعت). ج) نسبت C/Si در فواصل مختلف از خط مرکزی بوته سازه 1 در زمان های مختلف (0، 30، 60، 100 ساعت). (د) مقایسه نسبت C/Si در فواصل مختلف (0، 25، 50، 75، 100 میلی متر) از خط مرکزی بوته سازه 0 (خط توپر) و سازه 1 (خط چین) در زمان های مختلف (0، 30، 60، 100 ساعت).

شکل 6 تغییرات قطر ذرات و تخلخل نواحی مواد خام دو سازه را نشان می دهد. شکل نشان می دهد که قطر ماده خام کاهش می یابد و تخلخل در نزدیکی دیواره بوته افزایش می یابد و تخلخل لبه همچنان افزایش می یابد و قطر ذرات همچنان با پیشرفت رشد کاهش می یابد. حداکثر تخلخل لبه حدود 0.99 در 100 ساعت و حداقل قطر ذرات حدود 300 میکرومتر است. قطر ذرات افزایش می یابد و تخلخل در سطح بالایی ماده خام کاهش می یابد که مربوط به تبلور مجدد است. ضخامت ناحیه تبلور مجدد با پیشرفت رشد افزایش می یابد و اندازه ذرات و تخلخل همچنان تغییر می کند. حداکثر قطر ذرات به بیش از 1500 میکرومتر می رسد و حداقل تخلخل 0.13 است. علاوه بر این، از آنجایی که PG دمای منطقه مواد خام را افزایش می دهد و فوق اشباع گاز کم است، ضخامت تبلور مجدد قسمت بالایی ماده خام ساختار 1 کم است که باعث بهبود نرخ استفاده از مواد خام می شود.

شکل 6 تغییرات قطر ذرات (سمت چپ) و تخلخل (راست) ناحیه ماده اولیه سازه 0 و سازه 1 در زمان های مختلف، واحد قطر ذرات: میکرومتر

شکل 7 نشان می دهد که ساختار 0 در ابتدای رشد تاب می یابد، که ممکن است مربوط به سرعت جریان بیش از حد مواد ناشی از گرافیتی شدن لبه ماده خام باشد. درجه تاب خوردگی در طول فرآیند رشد بعدی تضعیف می شود، که مربوط به تغییر سرعت جریان مواد در جلوی رشد کریستالی ساختار 0 در شکل 4 (د) است. در ساختار 1، به دلیل اثر PG، رابط کریستالی تاب نشان نمی دهد. علاوه بر این، PG سرعت رشد ساختار 1 را به طور قابل توجهی کمتر از ساختار 0 می کند. ضخامت مرکزی کریستال ساختار 1 پس از 100 ساعت تنها 68٪ از ساختار 0 است.

شکل 7 تغییرات رابط ساختار 0 و ساختار 1 بلورها در 30، 60 و 100 ساعت

رشد کریستال تحت شرایط فرآیند شبیه سازی عددی انجام شد. بلورهای رشد یافته توسط ساختار 0 و ساختار 1 به ترتیب در شکل 8(a) و شکل 8(b) نشان داده شده اند. کریستال ساختار 0 یک رابط مقعر را نشان می دهد، با موج در ناحیه مرکزی و یک انتقال فاز در لبه. تحدب سطح نشان دهنده درجه خاصی از ناهمگنی در حمل و نقل مواد فاز گاز است، و وقوع انتقال فاز مربوط به نسبت C/Si پایین است. سطح مشترک کریستال رشد یافته توسط ساختار 1 کمی محدب است، هیچ انتقال فازی یافت نمی شود، و ضخامت 65٪ کریستال بدون PG است. به طور کلی، نتایج رشد کریستال با نتایج شبیه‌سازی مطابقت دارد، با اختلاف دمای شعاعی بزرگتر در رابط کریستالی ساختار 1، رشد سریع در لبه سرکوب می‌شود و سرعت جریان کلی مواد کندتر است. روند کلی با نتایج شبیه سازی عددی سازگار است.

شکل 8 بلورهای SiC که در ساختار 0 و ساختار 1 رشد کرده اند

نتیجه گیری

PG برای بهبود دمای کلی منطقه مواد خام و بهبود یکنواختی دمای محوری و شعاعی، ارتقاء تصعید کامل و استفاده از مواد خام مفید است. اختلاف دمای بالا و پایین افزایش می یابد و گرادیان شعاعی سطح کریستال دانه افزایش می یابد که به حفظ رشد سطح مشترک محدب کمک می کند. از نظر انتقال جرم، معرفی PG سرعت انتقال جرم کلی را کاهش می دهد، سرعت جریان مواد در محفظه رشد حاوی PG با زمان کمتر تغییر می کند و کل فرآیند رشد پایدارتر است. در همان زمان، PG همچنین به طور موثری از وقوع انتقال جرم بیش از حد لبه جلوگیری می کند. علاوه بر این، PG همچنین نسبت C/Si محیط رشد را افزایش می‌دهد، به ویژه در لبه جلویی رابط کریستال دانه، که به کاهش وقوع تغییر فاز در طول فرآیند رشد کمک می‌کند. در عین حال، اثر عایق حرارتی PG وقوع تبلور مجدد در قسمت بالایی ماده خام را تا حد معینی کاهش می دهد. برای رشد کریستال، PG سرعت رشد کریستال را کاهش می دهد، اما رابط رشد محدب تر است. بنابراین، PG وسیله ای موثر برای بهبود محیط رشد کریستال های SiC و بهینه سازی کیفیت کریستال است.