Սիլիցիումի կարբիդի բյուրեղների աճի վրա ծակոտկեն գրաֆիտի ազդեցության թվային մոդելավորում

Հիմնական գործընթացըSiCբյուրեղների աճը բաժանվում է բարձր ջերմաստիճանում հումքի սուբլիմացիայի և տարրալուծման, ջերմաստիճանի գրադիենտի ազդեցության տակ գազաֆազային նյութերի տեղափոխման և սերմերի բյուրեղում գազաֆազային նյութերի վերաբյուրեղացման աճի: Դրա հիման վրա կարասի ներսը բաժանվում է երեք մասի՝ հումքի տարածք, աճի խցիկ և սերմերի բյուրեղ: Կազմվել է թվային մոդելավորման մոդել՝ հիմնվելով իրական դիմադրության վրաSiCմեկ բյուրեղների աճեցման սարքավորում (տես Նկար 1): Հաշվարկի մեջկարասգտնվում է կողային ջեռուցիչի հատակից 90 մմ հեռավորության վրա, խառնարանի վերին ջերմաստիճանը 2100 ℃ է, հումքի մասնիկի տրամագիծը՝ 1000 մկմ, ծակոտկենությունը՝ 0,6, աճի ճնշումը՝ 300 Պա, աճի ժամանակը 100 ժ է։ . ՊԳ հաստությունը 5 մմ է, տրամագիծը հավասար է կարասի ներքին տրամագծին և գտնվում է հումքից 30 մմ բարձրության վրա։ Հաշվարկում հաշվի են առնվում հումքի գոտու սուբլիմացիայի, կարբոնացման և վերաբյուրեղացման գործընթացները, իսկ PG-ի և գազաֆազային նյութերի միջև ռեակցիան հաշվի չի առնվում: Հաշվարկների հետ կապված ֆիզիկական հատկությունների պարամետրերը ներկայացված են Աղյուսակ 1-ում:

Նկար 1 Մոդելավորման հաշվարկման մոդել: ա) Ջերմային դաշտի մոդել՝ բյուրեղների աճի մոդելավորման համար. բ) խառնարանի ներքին տարածքի բաժանումը և դրա հետ կապված ֆիզիկական խնդիրները

Աղյուսակ 1 Որոշ ֆիզիկական պարամետրեր, որոնք օգտագործվում են հաշվարկում

Նկար 2(ա) ցույց է տալիս, որ PG պարունակող կառուցվածքի ջերմաստիճանը (նշվում է որպես կառուցվածք 1) ավելի բարձր է, քան PG-ից զերծ կառուցվածքը (նշվում է որպես կառուցվածք 0) PG-ից ցածր, և ավելի ցածր է, քան PG-ի վերևում գտնվող 0 կառուցվածքը: Ընդհանուր ջերմաստիճանի գրադիենտը մեծանում է, և PG-ն գործում է որպես ջերմամեկուսիչ նյութ: Համաձայն 2(բ) և 2(գ) նկարների՝ հումքի գոտում 1-ի կառուցվածքի առանցքային և շառավղային ջերմաստիճանային գրադիենտներն ավելի փոքր են, ջերմաստիճանի բաշխումն ավելի միատեսակ է, իսկ նյութի սուբլիմացիան՝ ավելի ամբողջական։ Ի տարբերություն հումքի գոտու, Նկար 2(գ)-ը ցույց է տալիս, որ շառավղային ջերմաստիճանի գրադիենտը 1-ին կառուցվածքի սերմերի բյուրեղի մոտ ավելի մեծ է, ինչը կարող է պայմանավորված լինել տարբեր ջերմային փոխանցման ռեժիմների տարբեր համամասնությունների պատճառով, ինչը օգնում է բյուրեղին աճել ուռուցիկ միջերեսով: . Նկար 2(դ)-ում խառնարանի տարբեր դիրքերում ջերմաստիճանը ցույց է տալիս աճի միտում, քանի որ աճը զարգանում է, սակայն 0-ի և կառուցվածքի 1-ի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը աստիճանաբար նվազում է հումքի գոտում և աստիճանաբար աճում է աճի պալատում:

Գծապատկեր 2 Ջերմաստիճանի բաշխումը և խառնարանի փոփոխությունները: ա) 0 (ձախ) և 1 (աջ) կառուցվածքի խառնարանի ներսում ջերմաստիճանի բաշխումը 0 ժամում, միավորը՝ ℃; բ) ջերմաստիճանի բաշխումը 0-ի և 1-ի կառուցվածքի խառնարանի կենտրոնական գծի վրա՝ հումքի հատակից մինչև սերմերի բյուրեղը 0 ժամում. գ) Ջերմաստիճանի բաշխումը կենտրոնից մինչև կարասի եզրը սերմերի բյուրեղյա մակերեսի (A) և հումքի մակերեսի (B), միջին (C) և ներքևի (D) վրա 0 ժամում, հորիզոնական առանցքը r է. սերմի բյուրեղյա շառավիղը A-ի համար, իսկ հումքի տարածքի շառավիղը B~D-ի համար; դ) 0, 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում 0, 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում աճի պալատի վերին մասի (A), հումքի մակերեսի (B) և միջին (C) կենտրոնի ջերմաստիճանի փոփոխությունները:

Նկար 3-ը ցույց է տալիս նյութի փոխադրումը տարբեր ժամանակներում 0-ի և 1-ի կառուցվածքի խառնարանում: Գազաֆազային նյութերի հոսքի արագությունը հումքի տարածքում և աճի պալատում աճում է դիրքի աճի հետ, և նյութի փոխադրումը թուլանում է աճի առաջընթացի հետ: . Նկար 3-ը նաև ցույց է տալիս, որ սիմուլյացիայի պայմաններում հումքը սկզբում գրաֆիտացվում է խառնարանի կողային պատին, այնուհետև կարասի հատակին: Բացի այդ, հումքի մակերեսին տեղի է ունենում վերաբյուրեղացում և աճի առաջընթացի հետ այն աստիճանաբար խտանում է։ Նկար 4(ա) և 4(բ) նկարները ցույց են տալիս, որ նյութի հոսքի արագությունը հումքի ներսում նվազում է, քանի որ աճը առաջանում է, և նյութի հոսքի արագությունը 100 ժամում կազմում է սկզբնական պահի մոտ 50%-ը. Այնուամենայնիվ, հումքի գրաֆիտացման պատճառով հոսքի արագությունը եզրին համեմատաբար մեծ է, իսկ եզրին հոսքի արագությունը 100 ժամում միջին հատվածի հոսքի արագությունից ավելի քան 10 անգամ է. Բացի այդ, 1-ին կառուցվածքում PG-ի ազդեցությունը դարձնում է նյութի հոսքի արագությունը 1-ին կառուցվածքի հումքի տարածքում ավելի ցածր, քան 0-ին: Նկար 4(գ) նյութի հոսքը և՛ հումքի տարածքում, և՛ աճի խցիկը աստիճանաբար թուլանում է, քանի որ աճը զարգանում է, և նյութի հոսքը հումքի տարածքում շարունակում է նվազել, ինչը պայմանավորված է խառնարանի եզրին օդի հոսքի ալիքի բացմամբ և խցանման պատճառով: վերաբյուրեղացում վերևում; աճի պալատում 0 կառուցվածքի նյութի հոսքի արագությունը արագորեն նվազում է սկզբնական 30 ժամում մինչև 16%, իսկ հետագա ժամանակներում նվազում է միայն 3%-ով, մինչդեռ կառուցվածքը 1-ը մնում է համեմատաբար կայուն աճի ողջ ընթացքում: Հետևաբար, PG-ն օգնում է կայունացնել նյութի հոսքի արագությունը աճի պալատում: Նկար 4(դ) համեմատում է նյութի հոսքի արագությունը բյուրեղների աճի ճակատում: Սկզբնական պահին և 100 ժամվա ընթացքում, 0 կառուցվածքի աճի գոտում նյութի փոխադրումն ավելի ուժեղ է, քան 1-ին, սակայն 0 կառուցվածքի եզրին միշտ կա հոսքի բարձր արագության տարածք, ինչը հանգեցնում է ծայրամասում չափազանց մեծ աճի: . 1-ին կառուցվածքում PG-ի առկայությունը արդյունավետորեն ճնշում է այս երեւույթը:

Նկար 3 Նյութի հոսքը խառնարանում: Գազային նյութերի տեղափոխման հոսքագծեր (ձախ) և արագության վեկտորներ (աջ) 0 և 1 կառույցներում տարբեր ժամանակներում, արագության վեկտորային միավոր՝ մ/վ.

Նկար 4 Նյութերի հոսքի արագության փոփոխություններ: ա) 0, 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում նյութի հոսքի արագության բաշխման փոփոխությունները 0 կառուցվածքի հումքի միջին մասում, r-ը հումքի տարածքի շառավիղն է. բ) նյութի հոսքի արագության բաշխման փոփոխությունները 1-ին կառուցվածքի հումքի միջնամասում 0, 30, 60 և 100 ժամում, r-ը հումքի տարածքի շառավիղն է. գ) ժամանակի ընթացքում 0 և 1 կառուցվածքների աճի խցիկի (A, B) և հումքի (C, D) ներսում նյութի հոսքի արագության փոփոխությունները. դ) նյութի հոսքի արագության բաշխումը 0 և 1 կառուցվածքների սերմերի բյուրեղային մակերեսի մոտ 0 և 100 ժամում, r-ը սերմերի բյուրեղի շառավիղն է

C/Si-ն ազդում է SiC բյուրեղների աճի բյուրեղային կայունության և արատների խտության վրա: Նկար 5(ա) համեմատում է սկզբնական պահին երկու կառույցների C/Si հարաբերակցության բաշխումը: C/Si հարաբերակցությունն աստիճանաբար նվազում է կարասի ներքևից մինչև վերև, և 1-ին կառուցվածքի C/Si հարաբերակցությունը միշտ ավելի բարձր է, քան 0 կառուցվածքը տարբեր դիրքերում: Նկարներ 5(բ) և 5(գ) ցույց են տալիս, որ C/Si հարաբերակցությունը աստիճանաբար աճում է աճի հետ, ինչը կապված է աճի հետագա փուլում ներքին ջերմաստիճանի բարձրացման, հումքի գրաֆիտացման ուժեղացման և Si-ի ռեակցիայի հետ։ բաղադրիչները գազային փուլում գրաֆիտի կարասի հետ: Նկար 5(դ) կառուցվածքի 0-ի և կառուցվածքի 1-ի C/Si հարաբերակցությունները միանգամայն տարբեր են PG-ից (0, 25 մմ), բայց փոքր-ինչ տարբերվում են PG-ից (50 մմ) և տարբերությունը աստիճանաբար մեծանում է, երբ այն մոտենում է բյուրեղին: . Ընդհանուր առմամբ, 1-ին կառուցվածքի C/Si հարաբերակցությունը ավելի բարձր է, որն օգնում է կայունացնել բյուրեղային ձևը և նվազեցնել փուլային անցման հավանականությունը:

Նկար 5 C/Si հարաբերակցության բաշխումը և փոփոխությունները: ա) C/Si հարաբերակցության բաշխումը 0 (ձախ) և 1 (աջ) կառուցվածքի խառնարաններում 0 ժամում. բ) C/Si հարաբերակցությունը 0 կառուցվածքի խառնարանի կենտրոնական գծից տարբեր ժամանակներում (0, 30, 60, 100 ժամ) տարբեր հեռավորությունների վրա. գ) C/Si հարաբերակցությունը 1-ին կառուցվածքի խառնարանի կենտրոնական գծից տարբեր ժամանակներում (0, 30, 60, 100 ժամ) տարբեր հեռավորությունների վրա. դ) C/Si հարաբերակցության համեմատությունը տարբեր հեռավորությունների վրա (0, 25, 50, 75, 100 մմ) կառուցվածքի 0 (պինդ գիծ) և կառուցվածքի 1 (հատված գիծ) կենտրոնական գծից տարբեր ժամանակներում (0, 30, 60, 100 ժ).

Նկար 6-ը ցույց է տալիս երկու կառույցների հումքային շրջանների մասնիկների տրամագծի և ծակոտկենության փոփոխությունները: Նկարը ցույց է տալիս, որ հումքի տրամագիծը նվազում է, և ծակոտկենությունը աճում է խառնարանի պատի մոտ, իսկ եզրերի ծակոտկենությունը շարունակում է աճել, իսկ մասնիկների տրամագիծը շարունակում է նվազել, քանի որ աճը զարգանում է: Եզրերի առավելագույն ծակոտկենությունը մոտ 0,99 է 100 ժամում, իսկ մասնիկների նվազագույն տրամագիծը մոտ 300 մկմ է: Մասնիկների տրամագիծը մեծանում է, իսկ ծակոտկենությունը նվազում է հումքի վերին մակերևույթի վրա, ինչը համապատասխանում է վերաբյուրեղացմանը: Վերաբյուրեղացման տարածքի հաստությունը աճում է, քանի որ աճը զարգանում է, և մասնիկների չափը և ծակոտկենությունը շարունակում են փոխվել: Մասնիկների առավելագույն տրամագիծը հասնում է ավելի քան 1500 մկմ, իսկ նվազագույն ծակոտկենությունը՝ 0,13։ Բացի այդ, քանի որ PG-ն բարձրացնում է հումքի տարածքի ջերմաստիճանը, իսկ գազի գերհագեցվածությունը փոքր է, 1-ին կառուցվածքի հումքի վերին մասի վերաբյուրեղացման հաստությունը փոքր է, ինչը բարելավում է հումքի օգտագործման արագությունը:

Նկար 6 Կառուցվածքի 0-ի և կառուցվածքի 1-ի հումքի տարածքի մասնիկների տրամագծի (ձախ) և ծակոտկենության (աջ) փոփոխությունները տարբեր ժամանակներում, մասնիկների տրամագծի միավորը՝ μm

Գծապատկեր 7-ը ցույց է տալիս, որ 0 կառուցվածքը շեղվում է աճի սկզբում, ինչը կարող է կապված լինել նյութի ավելցուկային հոսքի արագության հետ, որն առաջացել է հումքի եզրի գրաֆիտացման հետևանքով: Շեղման աստիճանը թուլանում է հետագա աճի գործընթացի ընթացքում, որը համապատասխանում է նյութի հոսքի արագության փոփոխությանը 0 կառուցվածքի բյուրեղային աճի առջևում՝ նկար 4 (դ) հատվածում: Կառուցվածք 1-ում, PG-ի ազդեցության պատճառով, բյուրեղային միջերեսը չի ցույց տալիս աղավաղում: Բացի այդ, PG-ն նաև 1-ի կառուցվածքի աճի տեմպերը զգալիորեն ցածր է դարձնում 0-ի համեմատ: 1-ին կառուցվածքի բյուրեղի կենտրոնական հաստությունը 100 ժամ հետո կազմում է 0-ի կառուցվածքի միայն 68%-ը:

Նկար 7 Կառուցվածքի 0 և կառուցվածք 1 բյուրեղների միջերեսի փոփոխությունները 30, 60 և 100 ժամում

Բյուրեղների աճն իրականացվել է թվային մոդելավորման գործընթացի պայմաններում: 0 և 1 կառուցվածքով աճեցված բյուրեղները համապատասխանաբար ներկայացված են Նկար 8(ա) և Նկար 8(բ): 0 կառուցվածքի բյուրեղը ցույց է տալիս գոգավոր միջերես՝ կենտրոնական տարածքում ալիքներով և եզրին փուլային անցումով: Մակերեւույթի ուռուցիկությունը ներկայացնում է գազիֆազային նյութերի փոխադրման անհամասեռության որոշակի աստիճան, իսկ փուլային անցման առաջացումը համապատասխանում է ցածր C/Si հարաբերակցությանը: 1-ին կառուցվածքով աճեցված բյուրեղի միջերեսը մի փոքր ուռուցիկ է, փուլային անցում չի հայտնաբերվել, իսկ հաստությունը բյուրեղի 65%-ն է առանց PG-ի: Ընդհանուր առմամբ, բյուրեղների աճի արդյունքները համապատասխանում են սիմուլյացիայի արդյունքներին, 1-ին կառուցվածքի բյուրեղային միջերեսում ավելի մեծ շառավղային ջերմաստիճանի տարբերությամբ, ծայրամասում արագ աճը ճնշված է, և նյութի ընդհանուր հոսքի արագությունը ավելի դանդաղ է: Ընդհանուր միտումը համահունչ է թվային մոդելավորման արդյունքներին:

Նկար 8 SiC բյուրեղներ աճեցված 0-ի և կառուցվածքի 1-ի տակ

Եզրակացություն

PG-ն նպաստում է հումքի տարածքի ընդհանուր ջերմաստիճանի բարելավմանը և առանցքային և ճառագայթային ջերմաստիճանի միատեսակության բարելավմանը, նպաստելով հումքի ամբողջական սուբլիմացմանը և օգտագործմանը. վերևի և ներքևի ջերմաստիճանի տարբերությունը մեծանում է, և սերմերի բյուրեղի մակերեսի ճառագայթային գրադիենտը մեծանում է, ինչը օգնում է պահպանել ուռուցիկ միջերեսի աճը: Զանգվածի փոխանցման առումով PG-ի ներդրումը նվազեցնում է զանգվածի փոխանցման ընդհանուր արագությունը, PG պարունակող աճի խցիկում նյութի հոսքի արագությունը ժամանակի հետ ավելի քիչ է փոխվում, և աճի ողջ գործընթացը ավելի կայուն է: Միևնույն ժամանակ, PG-ն նաև արդյունավետ կերպով արգելակում է ծայրամասային զանգվածի ավելցուկ փոխանցման առաջացումը: Բացի այդ, PG-ն նաև մեծացնում է աճի միջավայրի C/Si հարաբերակցությունը, հատկապես սերմերի բյուրեղային միջերեսի առջևի եզրին, որն օգնում է նվազեցնել աճի գործընթացում փուլային փոփոխության դեպքերը: Միևնույն ժամանակ, PG-ի ջերմամեկուսիչ ազդեցությունը որոշակիորեն նվազեցնում է հումքի վերին մասում վերաբյուրեղացման առաջացումը։ Բյուրեղների աճի համար PG-ն դանդաղեցնում է բյուրեղների աճի տեմպը, սակայն աճի միջերեսն ավելի ուռուցիկ է: Հետևաբար, PG-ն արդյունավետ միջոց է SiC բյուրեղների աճի միջավայրը բարելավելու և բյուրեղների որակը օպտիմալացնելու համար: