სილიციუმის კარბიდის კრისტალების ზრდაზე ფოროვანი გრაფიტის გავლენის რიცხვითი სიმულაციური კვლევა

ძირითადი პროცესიSiCკრისტალური ზრდა იყოფა ნედლეულის სუბლიმაციასა და დაშლაზე მაღალ ტემპერატურაზე, გაზის ფაზის ნივთიერებების ტრანსპორტირებად ტემპერატურის გრადიენტის მოქმედებით და გაზის ფაზის ნივთიერებების რეკრისტალიზაციის ზრდად თესლის კრისტალზე. ამის საფუძველზე ჭურჭლის შიდა ნაწილი იყოფა სამ ნაწილად: ნედლეულის ფართობი, ზრდის კამერა და თესლის ბროლი. შედგენილია რიცხვითი სიმულაციური მოდელი რეალური რეზისტივის საფუძველზეSiCერთკრისტალური ზრდის მოწყობილობა (იხ. სურათი 1). გაანგარიშებაში: ბოლოშიჯვარედინიარის გვერდითი გამათბობლის ძირიდან 90 მმ დაშორებით, ჭურჭლის ზედა ტემპერატურაა 2100 ℃, ნედლეულის ნაწილაკების დიამეტრი 1000 მკმ, ფორიანობა 0,6, ზრდის წნევა 300 Pa და ზრდის დრო 100 სთ. . PG სისქე არის 5 მმ, დიამეტრი უდრის ჭურჭლის შიდა დიამეტრს და მდებარეობს ნედლეულის ზემოთ 30 მმ. გაანგარიშებისას გათვალისწინებულია ნედლეულის ზონის სუბლიმაციის, კარბონიზაციისა და რეკრისტალიზაციის პროცესები და არ არის გათვალისწინებული რეაქცია PG და გაზის ფაზის ნივთიერებებს შორის. გამოთვლებთან დაკავშირებული ფიზიკური თვისებების პარამეტრები ნაჩვენებია ცხრილში 1.

სურათი 1 სიმულაციის გაანგარიშების მოდელი. (ა) თერმული ველის მოდელი კრისტალების ზრდის სიმულაციისთვის; ბ) ჭურჭლის შიდა არეალის დაყოფა და მასთან დაკავშირებული ფიზიკური პრობლემები

ცხრილი 1 გამოთვლაში გამოყენებული ზოგიერთი ფიზიკური პარამეტრი

ნახაზი 2(a) გვიჩვენებს, რომ PG-ს შემცველი სტრუქტურის ტემპერატურა (აღნიშნულია როგორც სტრუქტურა 1) უფრო მაღალია ვიდრე PG თავისუფალი სტრუქტურისა (აღნიშნულია როგორც სტრუქტურა 0) PG-ს ქვემოთ და დაბალია ვიდრე სტრუქტურის 0-ზე PG ზემოთ. მთლიანი ტემპერატურის გრადიენტი იზრდება და PG მოქმედებს როგორც სითბოს საიზოლაციო აგენტი. 2(ბ) და 2(გ) ნახატების მიხედვით, ნედლეულის ზონაში 1-ის სტრუქტურის ღერძული და რადიალური ტემპერატურის გრადიენტები უფრო მცირეა, ტემპერატურის განაწილება უფრო ერთგვაროვანია და მასალის სუბლიმაცია უფრო სრულყოფილია. ნედლეულის ზონისგან განსხვავებით, სურათი 2(c) გვიჩვენებს, რომ რადიალური ტემპერატურის გრადიენტი 1 სტრუქტურის სათესლე კრისტალზე უფრო დიდია, რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს სითბოს გადაცემის სხვადასხვა რეჟიმის სხვადასხვა პროპორციით, რაც ეხმარება კრისტალს ამოზნექილი ინტერფეისით ზრდაში. . ნახაზზე 2(d), ტემპერატურა ჭურჭელში სხვადასხვა პოზიციებზე გვიჩვენებს ზრდის ტენდენციას ზრდის პროგრესირებასთან ერთად, მაგრამ ტემპერატურული სხვაობა სტრუქტურას 0 და სტრუქტურას შორის თანდათან მცირდება ნედლეულის ზონაში და თანდათან იზრდება ზრდის პალატაში.

სურათი 2 ტემპერატურის განაწილება და ცვლილებები ჭურჭელში. (ა) ტემპერატურის განაწილება 0 (მარცხნივ) და სტრუქტურის 1 (მარჯვნივ) ჭურჭლის შიგნით 0 სთ-ზე, ერთეული: ℃; (ბ) ტემპერატურის განაწილება 0 სტრუქტურის ჭურჭლის ცენტრალურ ხაზზე და სტრუქტურის 1 ნედლეულის ძირიდან თესლის კრისტალამდე 0 სთ-ზე; გ) ტემპერატურის განაწილება ცენტრიდან ჭურჭლის კიდემდე თესლის ბროლის ზედაპირზე (A) და ნედლეულის ზედაპირზე (B), შუა (C) და ქვედა (D) 0 სთ-ზე, ჰორიზონტალური ღერძი r არის თესლის ბროლის რადიუსი A-სთვის და ნედლეულის ფართობის რადიუსი B~D-სთვის; (დ) ტემპერატურის ცვლილებები ზედა ნაწილის ცენტრში (A), ნედლეულის ზედაპირზე (B) და შუა (C) სტრუქტურის ზრდის პალატაში 0 და სტრუქტურა 1 0, 30, 60 და 100 სთ-ზე.

სურათი 3 გვიჩვენებს მასალის ტრანსპორტირებას სხვადასხვა დროს 0 და 1 სტრუქტურის ჭურჭელში. გაზის ფაზის მასალის ნაკადის სიჩქარე ნედლეულის ზონაში და ზრდის პალატაში იზრდება პოზიციის მატებასთან ერთად, ხოლო მასალის ტრანსპორტი სუსტდება ზრდის პროგრესირებასთან ერთად. . სურათი 3 ასევე გვიჩვენებს, რომ სიმულაციის პირობებში ნედლეული ჯერ გრაფიტირდება ჭურჭლის გვერდით კედელზე, შემდეგ კი ჭურჭლის ფსკერზე. გარდა ამისა, ხდება ნედლეულის ზედაპირზე რეკრისტალიზაცია და ზრდის პროგრესირებასთან ერთად თანდათან სქელდება. 4(a) და 4(b) ნახატები გვიჩვენებს, რომ მასალის ნაკადის სიჩქარე ნედლეულში ზრდის პროგრესირებასთან ერთად მცირდება და მასალის ნაკადის სიჩქარე 100 სთ-ზე არის საწყისი მომენტის დაახლოებით 50%. თუმცა, ნაკადის სიჩქარე შედარებით დიდია კიდეზე ნედლეულის გრაფიტიზაციის გამო, ხოლო ნაკადის სიჩქარე კიდეზე 10-ჯერ აღემატება დინების სიჩქარეს შუა არეში 100 სთ-ზე; გარდა ამისა, PG-ის ეფექტი 1 სტრუქტურაში ხდის მასალის ნაკადის სიჩქარეს 1-ლი სტრუქტურის ნედლეულის არეში, ვიდრე სტრუქტურის 0-ზე. ზრდის კამერა თანდათან სუსტდება, როგორც ზრდა პროგრესირებს, და ნედლეულის მიდამოში მატერიალური ნაკადი მცირდება, რაც გამოწვეულია ჭურჭლის კიდეზე ჰაერის ნაკადის არხის გახსნით და დაბრკოლებით. რეკრისტალიზაცია ზედა; ზრდის პალატაში, სტრუქტურის 0 მასალის ნაკადის სიჩქარე სწრაფად მცირდება საწყის 30 საათში 16%-მდე და მხოლოდ 3%-ით მცირდება შემდგომ დროში, ხოლო სტრუქტურა 1 შედარებით სტაბილური რჩება ზრდის პროცესში. ამიტომ, PG ხელს უწყობს მასალის ნაკადის სიჩქარის სტაბილიზაციას ზრდის პალატაში. სურათი 4(დ) ადარებს მასალის ნაკადის სიჩქარეს ბროლის ზრდის ფრონტზე. საწყის მომენტში და 100 სთ-ში, 0 სტრუქტურის ზრდის ზონაში მასალის ტრანსპორტირება უფრო ძლიერია, ვიდრე სტრუქტურა 1-ში, მაგრამ ყოველთვის არის მაღალი ნაკადის ფართობი 0 სტრუქტურის კიდეზე, რაც იწვევს კიდეზე გადაჭარბებულ ზრდას. . PG-ის არსებობა სტრუქტურა 1-ში ეფექტურად თრგუნავს ამ ფენომენს.

სურათი 3 მასალის ნაკადი ჭურჭელში. გაზის მასალის ტრანსპორტირების ხაზები (მარცხნივ) და სიჩქარის ვექტორები (მარჯვნივ) 0 და 1 სტრუქტურებში სხვადასხვა დროს, სიჩქარის ვექტორული ერთეული: მ/წმ.

სურათი 4 ცვლილებები მასალის ნაკადის სიჩქარეში. (ა) ცვლილებები მასალის ნაკადის სიჩქარის განაწილებაში 0 სტრუქტურის ნედლეულის შუაში 0, 30, 60 და 100 სთ-ზე, r არის ნედლეულის არეალის რადიუსი; ბ) მასალის ნაკადის სიჩქარის განაწილების ცვლილებები 1 სტრუქტურის ნედლეულის შუაში 0, 30, 60 და 100 სთ-ზე, r არის ნედლეულის ფართობის რადიუსი; (გ) ცვლილებები მატერიალური ნაკადის სიჩქარეში ზრდის კამერის შიგნით (A, B) და 0 და 1 სტრუქტურების ნედლეულის შიგნით (C, D) დროთა განმავლობაში; (დ) მასალის ნაკადის სიჩქარის განაწილება 0 და 1 სტრუქტურების თესლის ბროლის ზედაპირთან 0 და 100 სთ-ზე, r არის თესლის ბროლის რადიუსი

C/Si გავლენას ახდენს SiC კრისტალების ზრდის კრისტალურ სტაბილურობაზე და დეფექტურ სიმკვრივეზე. სურათი 5(a) ადარებს ორი სტრუქტურის C/Si თანაფარდობის განაწილებას საწყის მომენტში. C/Si კოეფიციენტი თანდათან მცირდება ჭურჭლის ქვემოდან ზევით და 1 სტრუქტურის C/Si თანაფარდობა ყოველთვის უფრო მაღალია, ვიდრე 0 სტრუქტურის თანაფარდობა სხვადასხვა პოზიციებზე. ნახაზები 5(ბ) და 5(გ) გვიჩვენებს, რომ C/Si თანაფარდობა თანდათან იზრდება ზრდასთან ერთად, რაც დაკავშირებულია შიდა ტემპერატურის ზრდასთან ზრდის გვიან ეტაპზე, ნედლეულის გრაფიტიზაციის გაძლიერებასთან და Si-ს რეაქციასთან. კომპონენტები გაზის ფაზაში გრაფიტის ჭურჭელთან ერთად. სურათზე 5(d), სტრუქტურის 0 და სტრუქტურის C/Si თანაფარდობები საკმაოდ განსხვავებულია PG (0, 25 მმ) ქვემოთ, მაგრამ ოდნავ განსხვავებული PG (50 მმ) ზემოთ და განსხვავება თანდათან იზრდება, როდესაც ის უახლოვდება კრისტალს. . ზოგადად, 1 სტრუქტურის C/Si თანაფარდობა უფრო მაღალია, რაც ხელს უწყობს ბროლის ფორმის სტაბილიზაციას და ამცირებს ფაზური გადასვლის ალბათობას.

სურათი 5 C/Si თანაფარდობის განაწილება და ცვლილებები. (ა) C/Si თანაფარდობის განაწილება 0 (მარცხნივ) და სტრუქტურის 1 (მარჯვნივ) ჭურჭელში 0 სთ-ზე; (ბ) C/Si თანაფარდობა 0 კონსტრუქციის ჭურჭლის ცენტრალური ხაზიდან სხვადასხვა მანძილზე სხვადასხვა დროს (0, 30, 60, 100 სთ); (c) C/Si თანაფარდობა 1 კონსტრუქციის ჭურჭლის ცენტრალური ხაზიდან სხვადასხვა მანძილზე სხვადასხვა დროს (0, 30, 60, 100 სთ); (დ) C/Si თანაფარდობის შედარება სხვადასხვა მანძილებზე (0, 25, 50, 75, 100 მმ) სტრუქტურის 0 (მყარი ხაზი) ​​და სტრუქტურის 1 (წყვეტილი ხაზი) ​​ცენტრალური ხაზიდან სხვადასხვა დროს (0, 30, 60, 100 სთ).

სურათი 6 გვიჩვენებს ცვლილებები ნაწილაკების დიამეტრში და ფორიანობაში ნედლეულის რეგიონებში ორი სტრუქტურის. სურათი გვიჩვენებს, რომ ნედლეულის დიამეტრი მცირდება და ფორიანობა იზრდება ჭურჭლის კედელთან ახლოს, ხოლო კიდეების ფორიანობა აგრძელებს ზრდას და ნაწილაკების დიამეტრი მცირდება ზრდის პროგრესირებასთან ერთად. კიდეების მაქსიმალური ფორიანობა არის დაახლოებით 0,99 100 სთ-ზე, ხოლო ნაწილაკების მინიმალური დიამეტრი დაახლოებით 300 μm. ნაწილაკების დიამეტრი იზრდება და ფორიანობა მცირდება ნედლეულის ზედა ზედაპირზე, რაც შეესაბამება რეკრისტალიზაციას. რეკრისტალიზაციის არეალის სისქე ზრდის პროგრესირებასთან ერთად იზრდება და ნაწილაკების ზომა და ფორიანობა კვლავ იცვლება. ნაწილაკების მაქსიმალური დიამეტრი აღწევს 1500 მკმ-ზე მეტს, ხოლო მინიმალური ფორიანობა 0,13. გარდა ამისა, ვინაიდან PG ზრდის ნედლეულის ფართობის ტემპერატურას და გაზის ზეგაჯერება მცირეა, 1 სტრუქტურის ნედლეულის ზედა ნაწილის რეკრისტალიზაციის სისქე მცირეა, რაც აუმჯობესებს ნედლეულის გამოყენების სიჩქარეს.

სურათი 6 ნაწილაკების დიამეტრის (მარცხნივ) და ფორიანობის (მარჯვნივ) სტრუქტურის 0 და სტრუქტურის 1-ის ნედლეულის არეალის ცვლილებები სხვადასხვა დროს, ნაწილაკების დიამეტრის ერთეული: μm

ნახაზი 7 გვიჩვენებს, რომ სტრუქტურა 0 იხრება ზრდის დასაწყისში, რაც შეიძლება დაკავშირებული იყოს მასალის გადაჭარბებულ ნაკადთან, რომელიც გამოწვეულია ნედლეულის კიდეების გრაფიტიზაციით. დეფორმაციის ხარისხი სუსტდება შემდგომი ზრდის პროცესის დროს, რაც შეესაბამება მატერიალური ნაკადის სიჩქარის ცვლილებას 0 სტრუქტურის კრისტალური ზრდის წინა მხარეს, სურათზე 4 (დ). სტრუქტურა 1-ში, PG-ის ეფექტის გამო, ბროლის ინტერფეისი არ აჩვენებს დეფორმაციას. გარდა ამისა, PG ასევე ხდის სტრუქტურის 1-ის ზრდის ტემპს მნიშვნელოვნად დაბლა, ვიდრე სტრუქტურის 0. 1-ლი სტრუქტურის კრისტალის ცენტრის სისქე 100 საათის შემდეგ არის მხოლოდ 0-ის სტრუქტურის 68%.

სურათი 7 სტრუქტურის 0 და სტრუქტურის 1 კრისტალების ინტერფეისის ცვლილებები 30, 60 და 100 სთ-ზე

კრისტალების ზრდა განხორციელდა რიცხვითი სიმულაციის პროცესის პირობებში. 0 და სტრუქტურით 1 სტრუქტურით გაზრდილი კრისტალები ნაჩვენებია სურათზე 8(a) და სურათზე 8(b), შესაბამისად. სტრუქტურის კრისტალი 0 გვიჩვენებს ჩაზნექილ ინტერფეისს, ტალღებით ცენტრალურ ზონაში და ფაზური გადასვლით კიდეზე. ზედაპირის ამოზნექილი წარმოადგენს არაჰომოგენურობის გარკვეულ ხარისხს გაზის ფაზის მასალების ტრანსპორტირებაში, ხოლო ფაზური გადასვლის შემთხვევა შეესაბამება C/Si დაბალ თანაფარდობას. 1 სტრუქტურით გაზრდილი ბროლის ინტერფეისი ოდნავ ამოზნექილია, არ არის ნაპოვნი ფაზური გადასვლა და სისქე არის ბროლის 65% PG-ის გარეშე. ზოგადად, კრისტალების ზრდის შედეგები შეესაბამება სიმულაციის შედეგებს, უფრო დიდი რადიალური ტემპერატურული სხვაობით 1 სტრუქტურის ბროლის ინტერფეისზე, კიდეზე სწრაფი ზრდა ჩახშობილია და მასალის საერთო ნაკადის სიჩქარე უფრო ნელია. საერთო ტენდენცია შეესაბამება რიცხვითი სიმულაციის შედეგებს.

სურათი 8 SiC კრისტალები გაიზარდა სტრუქტურის 0 და სტრუქტურა 1

დასკვნა

PG ხელს უწყობს ნედლეულის ფართობის საერთო ტემპერატურის გაუმჯობესებას და ღერძული და რადიალური ტემპერატურის ერთგვაროვნების გაუმჯობესებას, რაც ხელს უწყობს ნედლეულის სრულ სუბლიმაციას და გამოყენებას; ზედა და ქვედა ტემპერატურული სხვაობა იზრდება და თესლის ბროლის ზედაპირის რადიალური გრადიენტი იზრდება, რაც ხელს უწყობს ამოზნექილი ინტერფეისის ზრდის შენარჩუნებას. მასის გადაცემის თვალსაზრისით, PG-ს დანერგვა ამცირებს მასის გადაცემის მთლიან სიჩქარეს, PG-ს შემცველი ზრდის პალატაში მასალის ნაკადის სიჩქარე დროთა განმავლობაში ნაკლებად იცვლება და ზრდის მთელი პროცესი უფრო სტაბილურია. ამავდროულად, PG ასევე ეფექტურად აფერხებს ზღვარზე გადაჭარბებული მასის გადატანას. გარდა ამისა, PG ასევე ზრდის ზრდის გარემოს C/Si თანაფარდობას, განსაკუთრებით თესლის კრისტალური ინტერფეისის წინა კიდეზე, რაც ხელს უწყობს ზრდის პროცესის დროს ფაზის ცვლილების წარმოშობის შემცირებას. ამავდროულად, PG-ს თბოიზოლაციის ეფექტი გარკვეულწილად ამცირებს ნედლეულის ზედა ნაწილში რეკრისტალიზაციის წარმოქმნას. ბროლის ზრდისთვის, PG ანელებს კრისტალების ზრდის ტემპს, მაგრამ ზრდის ინტერფეისი უფრო ამოზნექილია. ამიტომ, PG არის ეფექტური საშუალება SiC კრისტალების ზრდის გარემოს გასაუმჯობესებლად და კრისტალების ხარისხის ოპტიმიზაციისთვის.