מחקר סימולציה מספרית על ההשפעה של גרפיט נקבובי על צמיחת גבישי סיליקון קרביד

התהליך הבסיסי שלSiCצמיחת הגבישים מתחלקת לסובלימציה ופירוק של חומרי גלם בטמפרטורה גבוהה, הובלת חומרי פאזה גז תחת פעולת שיפוע טמפרטורה, וצמיחת מחדש של חומרי פאזת גז בגביש הזרע. על בסיס זה, חלקו הפנימי של כור ההיתוך מחולק לשלושה חלקים: שטח חומר גלם, תא צמיחה וגביש זרעים. מודל סימולציה מספרי שורטט על סמך ההתנגדות בפועלSiCציוד לגידול גביש בודד (ראה איור 1). בחישוב: תחתית המַצרֵףנמצא במרחק של 90 מ"מ מהחלק התחתון של המחמם הצדדי, הטמפרטורה העליונה של כור ההיתוך היא 2100 ℃, קוטר חלקיקי חומר הגלם הוא 1000 מיקרומטר, הנקבוביות היא 0.6, לחץ הצמיחה הוא 300 Pa, וזמן הגידול הוא 100 שעות . עובי ה-PG הוא 5 מ"מ, הקוטר שווה לקוטר הפנימי של כור ההיתוך, והוא ממוקם 30 מ"מ מעל חומר הגלם. תהליכי הסובלימציה, הפחממה והגיבוש מחדש של אזור חומרי הגלם נלקחים בחשבון בחישוב, והתגובה בין PG לחומרי פאזה גז אינה נחשבת. הפרמטרים של המאפיינים הפיזיים הקשורים לחישוב מוצגים בטבלה 1.

איור 1 מודל חישוב סימולציה. (א) מודל שדה תרמי להדמיית צמיחת גבישים; (ב) חלוקת השטח הפנימי של כור ההיתוך ובעיות פיזיות נלוות

טבלה 1 כמה פרמטרים פיזיים המשמשים בחישוב

איור 2(א) מראה כי הטמפרטורה של המבנה המכיל PG (המסומן כמבנה 1) גבוהה מזו של המבנה ללא PG (מסומן כמבנה 0) מתחת ל-PG, ונמוכה מזו של מבנה 0 מעל PG. שיפוע הטמפרטורה הכולל עולה, ו-PG פועל כחומר בידוד חום. לפי איורים 2(ב) ו-2(ג), שיפוע הטמפרטורה הצירי והרדיאלי של מבנה 1 באזור חומר הגלם קטנים יותר, פיזור הטמפרטורה אחיד יותר והסובלימציה של החומר מלאה יותר. בניגוד לאזור חומרי הגלם, איור 2(ג) מראה כי שיפוע הטמפרטורה הרדיאלי בגביש הזרע של מבנה 1 גדול יותר, מה שעשוי להיגרם על ידי הפרופורציות השונות של מצבי העברת חום שונים, מה שעוזר לקריסטל לגדול עם ממשק קמור. . באיור 2(ד), הטמפרטורה במיקומים שונים בכור ההיתוך מראה מגמת עלייה ככל שהגידול מתקדם, אך הפרש הטמפרטורה בין מבנה 0 למבנה 1 יורד בהדרגה באזור חומר הגלם ועולה בהדרגה בתא הגידול.

איור 2 התפלגות טמפרטורה ושינויים בכור ההיתוך. (א) התפלגות טמפרטורה בתוך כור ההיתוך של מבנה 0 (משמאל) ומבנה 1 (ימין) בשעה 0, יחידה: ℃; (ב) חלוקת טמפרטורה על קו האמצע של כור ההיתוך של מבנה 0 ומבנה 1 מתחתית חומר הגלם ועד גביש הזרע בשעה 0; (ג) התפלגות טמפרטורה מהמרכז לקצה כור ההיתוך על פני הגביש הזרע (A) ומשטח חומר הגלם (B), האמצעי (C) והתחתון (D) בשעה 0 h, הציר האופקי r הוא רדיוס גביש זרע עבור A, ורדיוס שטח חומר הגלם עבור B~D; (ד) שינויי טמפרטורה במרכז החלק העליון (A), משטח חומר הגלם (B) ובאמצע (C) של תא הגידול של מבנה 0 ומבנה 1 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות.

איור 3 מציג את הובלת החומר בזמנים שונים בכור ההיתוך של מבנה 0 ומבנה 1. קצב זרימת החומר בשלב הגז באזור חומרי הגלם ובתא הגידול עולה עם עליית המיקום, והובלת החומר נחלשת ככל שהגידול מתקדם. . איור 3 גם מראה כי בתנאי הסימולציה, חומר הגלם עובר גרפיט תחילה על הדופן הצדדית של כור ההיתוך ולאחר מכן על תחתית הכור ההיתוך. בנוסף, ישנה התגבשות מחודשת על פני חומר הגלם והוא מתעבה בהדרגה עם התקדמות הגידול. איורים 4(א) ו-4(ב) מראים שקצב זרימת החומר בתוך חומר הגלם יורד ככל שהגידול מתקדם, וקצב זרימת החומר ב-100 שעות הוא כ-50% מהרגע ההתחלתי; עם זאת, קצב הזרימה גדול יחסית בקצה עקב הגרפיטיזציה של חומר הגלם, וקצב הזרימה בקצה הוא יותר מפי 10 מקצב הזרימה באזור האמצעי ב-100 שעות; בנוסף, השפעת PG במבנה 1 הופכת את קצב זרימת החומר באזור חומרי הגלם של מבנה 1 לנמוכה מזו של מבנה 0. באיור 4(ג), זרימת החומר הן באזור חומרי הגלם והן ב- תא הגידול נחלש בהדרגה עם התקדמות הגידול, וזרימת החומר באזור חומר הגלם ממשיכה לרדת, דבר שנגרם מפתיחת תעלת זרימת האוויר בשולי הכור ומחסימה של התגבשות מחדש בחלק העליון; בתא הגידול, קצב זרימת החומר של מבנה 0 יורד במהירות ב-30 השעות הראשונות ל-16%, ויורד רק ב-3% בזמן שלאחר מכן, בעוד שמבנה 1 נשאר יציב יחסית לאורך תהליך הגידול. לכן, PG עוזר לייצב את קצב זרימת החומר בתא הגידול. איור 4(ד) משווה את קצב זרימת החומר בחזית צמיחת הגביש. ברגע הראשוני וב-100 שעות, הובלת החומר באזור הגידול של מבנה 0 חזקה יותר מזו שבמבנה 1, אך תמיד יש אזור קצב זרימה גבוה בקצה מבנה 0, מה שמוביל לצמיחה מוגזמת בקצה. . הנוכחות של PG במבנה 1 למעשה מדכאת תופעה זו.

איור 3 זרימת חומר בכור ההיתוך. ייעול (שמאל) ווקטורי מהירות (ימין) של הובלת חומרי גז במבנים 0 ו-1 בזמנים שונים, יחידת וקטור מהירות: m/s

איור 4 שינויים בקצב זרימת החומר. (א) שינויים בחלוקת קצב זרימת החומר באמצע חומר הגלם של מבנה 0 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות, r הוא הרדיוס של שטח חומר הגלם; (ב) שינויים בחלוקת קצב זרימת החומר באמצע חומר הגלם של מבנה 1 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות, r הוא רדיוס שטח חומר הגלם; (ג) שינויים בקצב זרימת החומר בתוך תא הגידול (A, B) ובתוך חומר הגלם (C, D) של מבנים 0 ו-1 לאורך זמן; (ד) התפלגות קצב זרימת החומר ליד משטח גביש הזרע של מבנים 0 ו-1 ב-0 ו-100 שעות, r הוא הרדיוס של גביש הזרע

C/Si משפיע על היציבות הגבישית וצפיפות הפגם של צמיחת גבישי SiC. איור 5(א) משווה את התפלגות יחס C/Si של שני המבנים ברגע הראשוני. יחס C/Si יורד בהדרגה מלמטה לחלק העליון של כור ההיתוך, ויחס C/Si של מבנה 1 תמיד גבוה מזה של מבנה 0 במיקומים שונים. איורים 5(ב) ו-5(ג) מראים שיחס C/Si גדל בהדרגה עם הצמיחה, אשר קשור לעלייה בטמפרטורה הפנימית בשלב מאוחר יותר של הצמיחה, לשיפור הגרפיטיזציה של חומר הגלם ולתגובה של Si רכיבים בשלב הגז עם כור היתוך הגרפיט. באיור 5(ד), יחסי C/Si של מבנה 0 ומבנה 1 שונים למדי מתחת ל-PG (0, 25 מ"מ), אך מעט שונים מעל PG (50 מ"מ), וההבדל גדל בהדרגה ככל שהוא מתקרב אל הגביש . באופן כללי, יחס C/Si של מבנה 1 גבוה יותר, מה שעוזר לייצב את צורת הגביש ולהפחית את ההסתברות למעבר פאזה.

איור 5 התפלגות ושינויים של יחס C/Si. (א) התפלגות יחס C/Si בכור ההיתוך של מבנה 0 (שמאל) ומבנה 1 (ימין) בשעה 0; (ב) יחס C/Si במרחקים שונים מקו המרכז של כור ההיתוך של מבנה 0 בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות); (ג) יחס C/Si במרחקים שונים מקו המרכז של כור ההיתוך של מבנה 1 בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות); (ד) השוואה של יחס C/Si במרחקים שונים (0, 25, 50, 75, 100 מ"מ) מקו המרכז של כור ההיתוך של מבנה 0 (קו מלא) ומבנה 1 (קו מקווקו) בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות).

איור 6 מציג את השינויים בקוטר החלקיקים ובנקבוביות של אזורי חומר הגלם של שני המבנים. האיור מראה שקוטר חומר הגלם יורד והנקבוביות גדלה ליד דופן ההיתוך, ונקבוביות הקצה ממשיכה לעלות וקוטר החלקיקים ממשיך לרדת ככל שהגידול מתקדם. נקבוביות הקצה המקסימלית היא כ-0.99 ב-100 שעות, וקוטר החלקיקים המינימלי הוא כ-300 מיקרומטר. קוטר החלקיקים גדל והנקבוביות פוחתת על פני השטח העליון של חומר הגלם, בהתאם להתגבשות מחדש. עובי אזור ההתגבשות גדל ככל שהגידול מתקדם, וגודל החלקיקים והנקבוביות ממשיכים להשתנות. קוטר החלקיקים המרבי מגיע ליותר מ-1500 מיקרומטר, והנקבוביות המינימלית היא 0.13. בנוסף, מכיוון ש-PG מעלה את הטמפרטורה של אזור חומר הגלם ורווית העל של הגז קטנה, עובי ההתגבשות מחדש של החלק העליון של חומר הגלם של מבנה 1 קטן, מה שמשפר את קצב ניצול חומרי הגלם.

איור 6 שינויים בקוטר החלקיקים (משמאל) ובנקבוביות (מימין) של אזור חומר הגלם של מבנה 0 ומבנה 1 בזמנים שונים, יחידת קוטר החלקיקים: מיקרומטר

איור 7 מראה שמבנה 0 מתעוות בתחילת הצמיחה, מה שעשוי להיות קשור לקצב זרימת החומר המופרז שנגרם כתוצאה מהגרפיטיזציה של קצה חומר הגלם. מידת העיוות נחלשת במהלך תהליך הגידול העוקב, התואם לשינוי בקצב זרימת החומר בקדמת צמיחת הגביש של מבנה 0 באיור 4 (ד). במבנה 1, עקב ההשפעה של PG, ממשק הקריסטל אינו מראה עיוות. בנוסף, PG גם הופך את קצב הצמיחה של מבנה 1 לנמוך משמעותית מזה של מבנה 0. עובי המרכז של הגביש של מבנה 1 לאחר 100 שעות הוא רק 68% מזה של מבנה 0.

איור 7 שינויים בממשק של גבישי מבנה 0 ומבנה 1 ב-30, 60 ו-100 שעות

צמיחת קריסטל בוצעה בתנאי תהליך של סימולציה מספרית. הגבישים שגדלו על ידי מבנה 0 ומבנה 1 מוצגים באיור 8(א) ואיור 8(ב), בהתאמה. הגביש של מבנה 0 מציג ממשק קעור, עם גליות באזור המרכזי ומעבר פאזה בקצה. קמורות פני השטח מייצגת מידה מסוימת של חוסר הומוגניות בהובלת חומרי פאזת גז, והתרחשות מעבר פאזה תואמת את יחס C/Si הנמוך. הממשק של הגביש שגדל על ידי מבנה 1 קמור מעט, לא נמצא מעבר פאזה, והעובי הוא 65% מהגביש ללא PG. באופן כללי, תוצאות צמיחת הגבישים מתאימות לתוצאות הסימולציה, עם הפרש טמפרטורה רדיאלי גדול יותר בממשק הגביש של מבנה 1, הצמיחה המהירה בקצה מדוכאת וקצב זרימת החומר הכולל איטי יותר. המגמה הכוללת תואמת את תוצאות הסימולציה המספרית.

איור 8 גבישי SiC שגדלו תחת מבנה 0 ומבנה 1

מַסְקָנָה

PG תורם לשיפור הטמפרטורה הכוללת של אזור חומר הגלם ולשיפור אחידות הטמפרטורה הצירית והרדיאלית, מקדם סובלימציה וניצול מלא של חומר הגלם; הפרש הטמפרטורה העליון והתחתון גדל, והשיפוע הרדיאלי של פני הגביש הזרע גדל, מה שעוזר לשמור על צמיחת הממשק הקמור. מבחינת העברת מסה, הכנסת PG מפחיתה את קצב העברת המסה הכוללת, קצב זרימת החומר בתא הגידול המכיל PG משתנה פחות עם הזמן, ותהליך הגידול כולו יציב יותר. במקביל, PG גם מעכב ביעילות את התרחשות של העברת מסת קצה מוגזמת. בנוסף, PG גם מגדיל את יחס ה-C/Si של סביבת הגידול, במיוחד בקצה הקדמי של ממשק הגביש הזרע, מה שעוזר להפחית את התרחשות של שינוי פאזה במהלך תהליך הגדילה. יחד עם זאת, אפקט הבידוד התרמי של PG מפחית במידה מסוימת את התרחשות התגבשות מחדש בחלק העליון של חומר הגלם. עבור צמיחת גבישים, PG מאט את קצב צמיחת הגבישים, אך ממשק הצמיחה קמור יותר. לכן, PG הוא אמצעי יעיל לשיפור סביבת הצמיחה של גבישי SiC ולייעל את איכות הגביש.