सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वृद्धि पर झरझरा ग्रेफाइट के प्रभाव पर संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन

की मूल प्रक्रियासिकक्रिस्टल वृद्धि को उच्च तापमान पर कच्चे माल के उर्ध्वपातन और अपघटन, तापमान प्रवणता की कार्रवाई के तहत गैस चरण पदार्थों के परिवहन, और बीज क्रिस्टल पर गैस चरण पदार्थों के पुन: क्रिस्टलीकरण वृद्धि में विभाजित किया गया है। इसके आधार पर, क्रूसिबल के आंतरिक भाग को तीन भागों में विभाजित किया गया है: कच्चा माल क्षेत्र, विकास कक्ष और बीज क्रिस्टल। वास्तविक प्रतिरोधक के आधार पर एक संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडल तैयार किया गया थासिकएकल क्रिस्टल विकास उपकरण (चित्र 1 देखें)। गणना में: के नीचेक्रूसिबलसाइड हीटर के नीचे से 90 मिमी दूर है, क्रूसिबल का शीर्ष तापमान 2100 ℃ है, कच्चे माल के कण का व्यास 1000 μm है, सरंध्रता 0.6 है, विकास दबाव 300 Pa है, और विकास का समय 100 घंटे है . पीजी की मोटाई 5 मिमी है, व्यास क्रूसिबल के आंतरिक व्यास के बराबर है, और यह कच्चे माल से 30 मिमी ऊपर स्थित है। गणना में कच्चे माल क्षेत्र के उर्ध्वपातन, कार्बोनाइजेशन और पुन: क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाओं पर विचार किया जाता है, और पीजी और गैस चरण पदार्थों के बीच प्रतिक्रिया पर विचार नहीं किया जाता है। गणना-संबंधित भौतिक संपत्ति पैरामीटर तालिका 1 में दिखाए गए हैं।

चित्र 1 सिमुलेशन गणना मॉडल। (ए) क्रिस्टल ग्रोथ सिमुलेशन के लिए थर्मल फील्ड मॉडल; (बी) क्रूसिबल के आंतरिक क्षेत्र का विभाजन और संबंधित भौतिक समस्याएं

तालिका 1 गणना में प्रयुक्त कुछ भौतिक पैरामीटर

चित्र 2(ए) से पता चलता है कि पीजी-युक्त संरचना (संरचना 1 के रूप में चिह्नित) का तापमान पीजी के नीचे पीजी-मुक्त संरचना (संरचना 0 के रूप में चिह्नित) की तुलना में अधिक है, और पीजी के ऊपर संरचना 0 की तुलना में कम है। समग्र तापमान प्रवणता बढ़ जाती है, और पीजी गर्मी-इन्सुलेट एजेंट के रूप में कार्य करता है। चित्र 2(बी) और 2(सी) के अनुसार, कच्चे माल क्षेत्र में संरचना 1 के अक्षीय और रेडियल तापमान प्रवणता छोटे हैं, तापमान वितरण अधिक समान है, और सामग्री का उर्ध्वपातन अधिक पूर्ण है। कच्चे माल क्षेत्र के विपरीत, चित्र 2(सी) से पता चलता है कि संरचना 1 के बीज क्रिस्टल पर रेडियल तापमान प्रवणता बड़ी है, जो विभिन्न ताप हस्तांतरण मोड के विभिन्न अनुपातों के कारण हो सकती है, जो क्रिस्टल को उत्तल इंटरफ़ेस के साथ बढ़ने में मदद करती है . चित्र 2(डी) में, जैसे-जैसे विकास आगे बढ़ता है, क्रूसिबल में विभिन्न स्थानों पर तापमान में वृद्धि की प्रवृत्ति दिखाई देती है, लेकिन संरचना 0 और संरचना 1 के बीच तापमान का अंतर कच्चे माल क्षेत्र में धीरे-धीरे कम हो जाता है और विकास कक्ष में धीरे-धीरे बढ़ता है।

चित्र 2 तापमान वितरण और क्रूसिबल में परिवर्तन। (ए) संरचना 0 (बाएं) और संरचना 1 (दाएं) के क्रूसिबल के अंदर 0 घंटे पर तापमान वितरण, इकाई: ℃; (बी) संरचना 0 और संरचना 1 के क्रूसिबल की केंद्र रेखा पर कच्चे माल के नीचे से बीज क्रिस्टल तक 0 घंटे पर तापमान वितरण; (सी) बीज क्रिस्टल सतह (ए) और कच्चे माल की सतह (बी), मध्य (सी) और नीचे (डी) पर केंद्र से किनारे तक तापमान वितरण 0 घंटे पर, क्षैतिज अक्ष आर है ए के लिए बीज क्रिस्टल त्रिज्या, और बी ~ डी के लिए कच्चे माल क्षेत्र त्रिज्या; (डी) संरचना 0 और संरचना 1 के विकास कक्ष के ऊपरी भाग (ए), कच्चे माल की सतह (बी) और मध्य (सी) के केंद्र में 0, 30, 60 और 100 घंटे पर तापमान में परिवर्तन होता है।

चित्र 3 संरचना 0 और संरचना 1 के क्रूसिबल में अलग-अलग समय पर सामग्री परिवहन को दर्शाता है। कच्चे माल क्षेत्र और विकास कक्ष में गैस चरण सामग्री प्रवाह दर स्थिति में वृद्धि के साथ बढ़ती है, और विकास बढ़ने के साथ सामग्री परिवहन कमजोर हो जाता है . चित्र 3 यह भी दर्शाता है कि सिमुलेशन स्थितियों के तहत, कच्चा माल पहले क्रूसिबल की साइड की दीवार पर और फिर क्रूसिबल के तल पर रेखांकन करता है। इसके अलावा, कच्चे माल की सतह पर पुन: क्रिस्टलीकरण होता है और विकास बढ़ने के साथ यह धीरे-धीरे गाढ़ा होता जाता है। आंकड़े 4(ए) और 4(बी) दर्शाते हैं कि विकास बढ़ने के साथ कच्चे माल के अंदर सामग्री प्रवाह दर कम हो जाती है, और 100 घंटे पर सामग्री प्रवाह दर प्रारंभिक क्षण का लगभग 50% है; हालाँकि, कच्चे माल के ग्रेफाइटाइजेशन के कारण किनारे पर प्रवाह दर अपेक्षाकृत बड़ी है, और किनारे पर प्रवाह दर 100 घंटे पर मध्य क्षेत्र में प्रवाह दर से 10 गुना से अधिक है; इसके अलावा, संरचना 1 में पीजी का प्रभाव संरचना 1 के कच्चे माल क्षेत्र में सामग्री प्रवाह दर को संरचना 0 की तुलना में कम कर देता है। चित्र 4 (सी) में, कच्चे माल क्षेत्र और दोनों में सामग्री प्रवाह जैसे-जैसे विकास आगे बढ़ता है, विकास कक्ष धीरे-धीरे कमजोर होता जाता है, और कच्चे माल के क्षेत्र में सामग्री का प्रवाह कम होता जाता है, जो क्रूसिबल के किनारे पर वायु प्रवाह चैनल के खुलने और शीर्ष पर पुन: क्रिस्टलीकरण में रुकावट के कारण होता है; विकास कक्ष में, संरचना 0 की सामग्री प्रवाह दर प्रारंभिक 30 घंटों में तेजी से घट कर 16% हो जाती है, और बाद के समय में केवल 3% कम हो जाती है, जबकि संरचना 1 पूरे विकास प्रक्रिया के दौरान अपेक्षाकृत स्थिर रहती है। इसलिए, पीजी विकास कक्ष में सामग्री प्रवाह दर को स्थिर करने में मदद करता है। चित्र 4(डी) क्रिस्टल विकास के मोर्चे पर सामग्री प्रवाह दर की तुलना करता है। प्रारंभिक क्षण और 100 घंटों में, संरचना 0 के विकास क्षेत्र में सामग्री परिवहन संरचना 1 की तुलना में अधिक मजबूत है, लेकिन संरचना 0 के किनारे पर हमेशा एक उच्च प्रवाह दर क्षेत्र होता है, जिससे किनारे पर अत्यधिक वृद्धि होती है . संरचना 1 में पीजी की उपस्थिति इस घटना को प्रभावी ढंग से दबा देती है।

चित्र 3 क्रूसिबल में सामग्री प्रवाह। अलग-अलग समय पर संरचनाओं 0 और 1 में गैस सामग्री परिवहन की स्ट्रीमलाइन (बाएं) और वेग वेक्टर (दाएं), वेग वेक्टर इकाई: एम/एस

चित्र 4 सामग्री प्रवाह दर में परिवर्तन। (ए) संरचना 0 के कच्चे माल के बीच में 0, 30, 60 और 100 घंटे पर सामग्री प्रवाह दर वितरण में परिवर्तन, आर कच्चे माल क्षेत्र की त्रिज्या है; (बी) संरचना 1 के कच्चे माल के बीच में 0, 30, 60, और 100 घंटे पर सामग्री प्रवाह दर वितरण में परिवर्तन, आर कच्चे माल क्षेत्र की त्रिज्या है; (सी) समय के साथ विकास कक्ष (ए, बी) के अंदर और संरचना 0 और 1 के कच्चे माल (सी, डी) के अंदर सामग्री प्रवाह दर में परिवर्तन; (डी) 0 और 100 घंटे पर संरचनाओं 0 और 1 की बीज क्रिस्टल सतह के पास सामग्री प्रवाह दर वितरण, आर बीज क्रिस्टल की त्रिज्या है

C/Si, SiC क्रिस्टल वृद्धि की क्रिस्टलीय स्थिरता और दोष घनत्व को प्रभावित करता है। चित्र 5(ए) प्रारंभिक क्षण में दो संरचनाओं के सी/सी अनुपात वितरण की तुलना करता है। क्रूसिबल के नीचे से ऊपर तक C/Si अनुपात धीरे-धीरे कम होता जाता है, और संरचना 1 का C/Si अनुपात हमेशा विभिन्न स्थानों पर संरचना 0 की तुलना में अधिक होता है। चित्र 5(बी) और 5(सी) दर्शाते हैं कि विकास के साथ सी/सी अनुपात धीरे-धीरे बढ़ता है, जो विकास के बाद के चरण में आंतरिक तापमान में वृद्धि, कच्चे माल के ग्रेफाइटाइजेशन में वृद्धि और सी की प्रतिक्रिया से संबंधित है। ग्रेफाइट क्रूसिबल के साथ गैस चरण में घटक। चित्र 5(डी) में, संरचना 0 और संरचना 1 का सी/सी अनुपात पीजी (0, 25 मिमी) के नीचे काफी भिन्न है, लेकिन पीजी (50 मिमी) के ऊपर थोड़ा अलग है, और जैसे-जैसे यह क्रिस्टल के करीब पहुंचता है, अंतर धीरे-धीरे बढ़ता जाता है। . सामान्य तौर पर, संरचना 1 का C/Si अनुपात अधिक होता है, जो क्रिस्टल रूप को स्थिर करने और चरण संक्रमण की संभावना को कम करने में मदद करता है।

चित्र 5 C/Si अनुपात का वितरण और परिवर्तन। (ए) 0 घंटे पर संरचना 0 (बाएं) और संरचना 1 (दाएं) के क्रूसिबल में सी/सी अनुपात वितरण; (बी) अलग-अलग समय (0, 30, 60, 100 घंटे) पर संरचना 0 की क्रूसिबल की केंद्र रेखा से अलग-अलग दूरी पर सी/सी अनुपात; (सी) अलग-अलग समय (0, 30, 60, 100 घंटे) पर संरचना 1 के क्रूसिबल की केंद्र रेखा से अलग-अलग दूरी पर सी/सी अनुपात; (डी) संरचना 0 (ठोस रेखा) और संरचना 1 (धराशायी रेखा) के क्रूसिबल की केंद्र रेखा से अलग-अलग दूरी (0, 25, 50, 75, 100 मिमी) पर अलग-अलग समय पर सी/एसआई अनुपात की तुलना (0, 30, 60, 100 घंटे)।

चित्र 6 दो संरचनाओं के कण व्यास और कच्चे माल क्षेत्रों के छिद्र में परिवर्तन दिखाता है। चित्र से पता चलता है कि कच्चे माल का व्यास कम हो जाता है और क्रूसिबल दीवार के पास सरंध्रता बढ़ जाती है, और किनारे की सरंध्रता बढ़ती रहती है और विकास बढ़ने के साथ कण का व्यास घटता रहता है। 100 घंटे पर अधिकतम किनारे की सरंध्रता लगभग 0.99 है, और न्यूनतम कण व्यास लगभग 300 μm है। पुन: क्रिस्टलीकरण के अनुरूप, कण का व्यास बढ़ जाता है और कच्चे माल की ऊपरी सतह पर सरंध्रता कम हो जाती है। जैसे-जैसे विकास बढ़ता है, पुनर्क्रिस्टलीकरण क्षेत्र की मोटाई बढ़ती है, और कण आकार और सरंध्रता बदलती रहती है। अधिकतम कण व्यास 1500 μm से अधिक तक पहुंचता है, और न्यूनतम सरंध्रता 0.13 है। इसके अलावा, चूंकि पीजी कच्चे माल के क्षेत्र का तापमान बढ़ाता है और गैस सुपरसैचुरेशन छोटा होता है, संरचना 1 के कच्चे माल के ऊपरी हिस्से की पुन: क्रिस्टलीकरण मोटाई छोटी होती है, जिससे कच्चे माल के उपयोग की दर में सुधार होता है।

चित्र 6 संरचना 0 और संरचना 1 के कच्चे माल क्षेत्र के कण व्यास (बाएं) और सरंध्रता (दाएं) में अलग-अलग समय पर परिवर्तन, कण व्यास इकाई: μm

चित्र 7 से पता चलता है कि संरचना 0 विकास की शुरुआत में विकृत हो जाती है, जो कच्चे माल के किनारे के ग्रेफाइटाइजेशन के कारण होने वाली अत्यधिक सामग्री प्रवाह दर से संबंधित हो सकती है। बाद की वृद्धि प्रक्रिया के दौरान विकृति की डिग्री कमजोर हो जाती है, जो चित्र 4 (डी) में संरचना 0 के क्रिस्टल विकास के सामने सामग्री प्रवाह दर में परिवर्तन से मेल खाती है। संरचना 1 में, पीजी के प्रभाव के कारण, क्रिस्टल इंटरफ़ेस में विकृति नहीं दिखती है। इसके अलावा, पीजी संरचना 1 की वृद्धि दर को संरचना 0 की तुलना में काफी कम कर देता है। 100 घंटे के बाद संरचना 1 के क्रिस्टल की केंद्र मोटाई संरचना 0 की केवल 68% है।

चित्र 7 संरचना 0 और संरचना 1 क्रिस्टल के इंटरफ़ेस परिवर्तन 30, 60, और 100 घंटे पर

क्रिस्टल का विकास संख्यात्मक सिमुलेशन की प्रक्रिया स्थितियों के तहत किया गया था। संरचना 0 और संरचना 1 द्वारा विकसित क्रिस्टल क्रमशः चित्र 8(ए) और चित्र 8(बी) में दिखाए गए हैं। संरचना 0 का क्रिस्टल एक अवतल इंटरफ़ेस दिखाता है, जिसमें केंद्रीय क्षेत्र में उतार-चढ़ाव और किनारे पर एक चरण संक्रमण होता है। सतह उत्तलता गैस-चरण सामग्रियों के परिवहन में एक निश्चित डिग्री की असमानता का प्रतिनिधित्व करती है, और चरण संक्रमण की घटना कम सी/सी अनुपात से मेल खाती है। संरचना 1 द्वारा विकसित क्रिस्टल का इंटरफ़ेस थोड़ा उत्तल है, कोई चरण संक्रमण नहीं पाया जाता है, और मोटाई पीजी के बिना क्रिस्टल का 65% है। सामान्य तौर पर, क्रिस्टल विकास परिणाम सिमुलेशन परिणामों के अनुरूप होते हैं, संरचना 1 के क्रिस्टल इंटरफ़ेस पर एक बड़े रेडियल तापमान अंतर के साथ, किनारे पर तेजी से विकास दबा दिया जाता है, और समग्र सामग्री प्रवाह दर धीमी होती है। समग्र प्रवृत्ति संख्यात्मक सिमुलेशन परिणामों के अनुरूप है।

चित्र 8 SiC क्रिस्टल संरचना 0 और संरचना 1 के अंतर्गत उगाए गए

निष्कर्ष

पीजी कच्चे माल क्षेत्र के समग्र तापमान में सुधार और अक्षीय और रेडियल तापमान एकरूपता में सुधार के लिए अनुकूल है, कच्चे माल के पूर्ण उर्ध्वपातन और उपयोग को बढ़ावा देता है; ऊपर और नीचे के तापमान का अंतर बढ़ जाता है, और बीज क्रिस्टल सतह की रेडियल ग्रेडिएंट बढ़ जाती है, जो उत्तल इंटरफ़ेस विकास को बनाए रखने में मदद करती है। बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के संदर्भ में, पीजी की शुरूआत समग्र द्रव्यमान हस्तांतरण दर को कम कर देती है, पीजी युक्त विकास कक्ष में सामग्री प्रवाह दर समय के साथ कम बदलती है, और संपूर्ण विकास प्रक्रिया अधिक स्थिर होती है। साथ ही, पीजी अत्यधिक एज मास ट्रांसफर की घटना को भी प्रभावी ढंग से रोकता है। इसके अलावा, पीजी विकास पर्यावरण के सी/सी अनुपात को भी बढ़ाता है, विशेष रूप से बीज क्रिस्टल इंटरफेस के सामने के किनारे पर, जो विकास प्रक्रिया के दौरान चरण परिवर्तन की घटना को कम करने में मदद करता है। साथ ही, पीजी का थर्मल इन्सुलेशन प्रभाव कच्चे माल के ऊपरी हिस्से में पुन: क्रिस्टलीकरण की घटना को कुछ हद तक कम कर देता है। क्रिस्टल विकास के लिए, पीजी क्रिस्टल विकास दर को धीमा कर देता है, लेकिन विकास इंटरफ़ेस अधिक उत्तल होता है। इसलिए, पीजी SiC क्रिस्टल के विकास वातावरण को बेहतर बनाने और क्रिस्टल गुणवत्ता को अनुकूलित करने का एक प्रभावी साधन है।