Негізгі процессSiCкристалдық өсу шикізаттың жоғары температурада сублимациялануы және ыдырауы, температура градиентінің әсерінен газ фазалық заттардың тасымалдануы және тұқымдық кристалдағы газ фазасының заттардың қайта кристалдануы болып бөлінеді. Осының негізінде тигельдің іші үш бөлікке бөлінеді: шикізат алаңы, өсу камерасы және тұқымдық кристал. Нақты кедергіге негізделген сандық модельдеу моделі салындыSiCмонокристалды өсіретін жабдық (1-суретті қараңыз). Есепте: түбітигельбүйірлік қыздырғыштың түбінен 90 мм қашықтықта, тигельдің жоғарғы температурасы 2100 ℃, шикізат бөлшектерінің диаметрі 1000 мкм, кеуектілігі 0,6, өсу қысымы 300 Па, өсу уақыты 100 сағ. . ПГ қалыңдығы 5 мм, диаметрі тигельдің ішкі диаметріне тең және ол шикізаттан 30 мм жоғары орналасқан. Есептеуде шикізат аймағының сублимация, карбонизация және қайта кристалдану процестері қарастырылады, ал PG және газ фазасы заттарының арасындағы реакция қарастырылмайды. Есептеуге қатысты физикалық қасиет параметрлері 1-кестеде көрсетілген.
1-сурет Имитациялық есептеу моделі. (a) Кристаллдың өсуін модельдеу үшін жылу өрісінің үлгісі; (b) Тигельдің ішкі аймағын бөлу және онымен байланысты физикалық мәселелер
1-кесте Есептеуде қолданылатын кейбір физикалық параметрлер
2(а)-суретте құрамында PG бар құрылымның температурасы (құрылым 1 деп белгіленеді) PG-ден төмен PG-сіз құрылымның температурасынан (құрылым 0 деп белгіленеді) жоғары және PG-ден жоғары 0 құрылымның температурасынан төмен екендігі көрсетілген. Жалпы температура градиенті артады, ал PG жылу оқшаулағыш агент ретінде әрекет етеді. 2(b) және 2(c) суреттеріне сәйкес шикізат аймағындағы 1-құрылымның осьтік және радиалды температура градиенттері кішірек, температураның таралуы біркелкі, материалдың сублимациясы толық. Шикізат аймағынан айырмашылығы, 2(c) суретте 1-құрылымның тұқымдық кристалындағы радиалды температура градиентінің үлкенірек екендігі көрсетілген, бұл әртүрлі жылу беру режимдерінің әртүрлі пропорцияларынан туындауы мүмкін, бұл кристалдың дөңес интерфейспен өсуіне көмектеседі. . 2(г) суретте тигельдегі әртүрлі позициялардағы температура өсудің өсуіне қарай өсу тенденциясын көрсетеді, бірақ 0 құрылым мен 1 құрылым арасындағы температура айырмашылығы шикізат аймағында біртіндеп төмендейді және өсу камерасында бірте-бірте жоғарылайды.
2-сурет Температураның таралуы және тигельдегі өзгерістер. (а) 0 (сол жақта) және 1 (оң) құрылымның тигель ішіндегі температураның таралуы 0 сағ, бірлік: ℃; (b) 0 сағатта шикізаттың түбінен тұқымдық кристалға дейін 0 құрылымды және 1 құрылымды тигельдің орталық сызығы бойынша температураның таралуы; (c) Температураның тұқымдық кристал бетіндегі (A) және шикізат бетіндегі (В), ортадағы (C) және түбіндегі (D) ортасынан тигельдің шетіне дейін 0 сағатта таралуы, көлденең ось r А үшін тұқым кристалының радиусы, ал B~D үшін шикізат ауданы радиусы; (г) 0, 30, 60 және 100 сағатта 0 құрылымның өсу камерасының және 1 құрылымының үстіңгі бөлігінің (А), шикізат бетінің (В) және ортасының (С) ортасында температураның өзгеруі.
3-суретте 0-құрылым және 1-құрылымның тигельдегі әртүрлі уақыттағы материалды тасымалдау көрсетілген. Шикізат аймағындағы және өсу камерасындағы газ фазасының материал ағынының жылдамдығы позицияның жоғарылауымен артады, ал материалдың тасымалдануы өсу барысында әлсірейді. . 3-суретте сондай-ақ модельдеу жағдайында шикізаттың алдымен тигельдің бүйір қабырғасында, содан кейін тигельдің түбінде графиттенетіні көрсетілген. Сонымен қатар, шикізаттың бетінде қайта кристалдану бар және ол өсу барысында бірте-бірте қалыңдайды. 4(а) және 4(б)-суреттер шикізаттың ішіндегі материал ағынының жылдамдығы өсу барысында төмендейтінін көрсетеді, ал 100 сағ. материал шығыны бастапқы моменттің шамамен 50% құрайды; бірақ шикізаттың графиттенуіне байланысты ағынның жылдамдығы шетінде салыстырмалы түрде үлкен, ал шетіндегі ағын жылдамдығы 100 сағ орташа аймақтағы ағынның жылдамдығынан 10 еседен астам; сонымен қатар 1-құрылымдағы PG әсері 1-ші құрылымның шикізат аймағындағы материал ағынының жылдамдығын 0-құрылымнан төмен етеді. өсу камерасы өсіп келе жатқанда бірте-бірте әлсірейді, ал шикізат аймағындағы материал ағыны төмендей береді, бұл тигельдің шетіндегі ауа ағыны арнасының ашылуынан және жоғарғы жағында қайта кристалдануға кедергі жасаудан туындайды; өсу камерасында 0-құрылымның материал ағынының жылдамдығы бастапқы 30 сағатта 16%-ға дейін тез төмендейді, ал келесі уақытта тек 3%-ға ғана төмендейді, ал 1-құрылым өсу процесінде салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Сондықтан PG өсу камерасындағы материал ағынының жылдамдығын тұрақтандыруға көмектеседі. 4(d) суретте кристалдың өсу фронтындағы материал ағынының жылдамдығы салыстырылады. Бастапқы сәтте және 100 сағ. 0 құрылымның өсу аймағындағы материалды тасымалдау 1 құрылымға қарағанда күштірек, бірақ 0 құрылымның шетінде әрқашан жоғары ағын жылдамдығы аймағы болады, бұл шетінде шамадан тыс өсуге әкеледі. . 1-құрылымда PG болуы бұл құбылысты тиімді түрде басады.
3-сурет Тигельдегі материал ағыны. 0 және 1 құрылымдарда әртүрлі уақыттағы газ материалдарын тасымалдаудың ағын сызықтары (сол жақта) және жылдамдық векторлары (оң жақта), жылдамдық векторының бірлігі: м/с
4-сурет Материал ағынының жылдамдығының өзгеруі. (а) 0, 30, 60 және 100 сағ кезінде 0 құрылымды шикізаттың ортасында материал шығынының таралуының өзгеруі, r - шикізат алаңының радиусы; (b) 0, 30, 60 және 100 сағ 1-құрылымдағы шикізаттың ортасындағы материал шығынының таралуының өзгеруі, r - шикізат алаңының радиусы; (c) 0 және 1 құрылымдардың өсу камерасының (А, В) ішіндегі және шикізаттың (С, D) ішіндегі материал ағынының жылдамдығының уақыт бойынша өзгеруі; (d) 0 және 100 сағатта 0 және 1 құрылымдардың тұқымдық кристалды бетінің жанында материал ағынының таралуы, r - тұқым кристалының радиусы
C/Si SiC кристалының өсуінің кристалдық тұрақтылығы мен ақаулық тығыздығына әсер етеді. 5(а) суретте екі құрылымның бастапқы сәттегі C/Si қатынасының таралуы салыстырылады. C/Si қатынасы тигельдің төменнен жоғарғы жағына қарай бірте-бірте төмендейді, ал 1-құрылымның С/Si қатынасы әртүрлі позициялардағы 0-құрылымнан әрқашан жоғары болады. 5(b) және 5(c) суреттерінде C/Si қатынасы өсу кезінде бірте-бірте өсетінін көрсетеді, бұл өсудің кейінгі сатысында ішкі температураның жоғарылауымен, шикізаттың графиттелуінің күшеюімен және Si реакциясымен байланысты. графит тигельмен газ фазасындағы компоненттер. 5(d) суретте 0 құрылым мен 1 құрылымның C/Si қатынасы PG (0, 25 мм) төмен, бірақ PG (50 мм) үстінде сәл өзгеше, ал кристалға жақындаған сайын айырмашылық бірте-бірте артады. . Жалпы, 1-құрылымның C/Si қатынасы жоғарырақ, бұл кристалдық пішінді тұрақтандыруға және фазалық ауысу ықтималдығын азайтуға көмектеседі.
5-сурет C/Si қатынасының таралуы және өзгеруі. (а) 0 сағатта 0 (сол жақта) және құрылым 1 (оң жақта) тигельдерде C/Si қатынасының таралуы; (b) әртүрлі уақытта (0, 30, 60, 100 сағ) 0 құрылымды тигельдің орталық сызығынан әртүрлі қашықтықтағы C/Si қатынасы; (c) әр түрлі уақытта (0, 30, 60, 100 с) 1-құрылымның тигельдің орталық сызығынан әртүрлі қашықтықтағы C/Si қатынасы; (г) С/Si қатынасын әртүрлі уақытта (0, 25, 50, 75, 100 мм) 0 құрылымды тигельдің орталық сызығынан (тұтас сызық) және 1 құрылымды (үзік сызық) әртүрлі уақытта салыстыру (0, 30, 60, 100 сағ).
6-суретте екі құрылымның шикізат аймақтарының бөлшектерінің диаметрі мен кеуектілігінің өзгеруі көрсетілген. Суретте шикі заттың диаметрі азайып, тигель қабырғасының жанында кеуектіліктің жоғарылайтыны көрсетілген, ал өсу өскен сайын жиек кеуектілігі ұлғайып, бөлшектердің диаметрі төмендей береді. Шетінің максималды кеуектілігі 100 сағатта шамамен 0,99, ал бөлшектердің минималды диаметрі шамамен 300 мкм. Шикізаттың жоғарғы бетінде бөлшектердің диаметрі үлкейіп, кеуектілігі азаяды, бұл қайта кристалдануға сәйкес келеді. Қайта кристалдану аймағының қалыңдығы өсу өскен сайын артады, ал бөлшектердің өлшемі мен кеуектілігі өзгере береді. Бөлшектердің максималды диаметрі 1500 мкм-ден асады, ал ең төменгі кеуектілігі 0,13 құрайды. Сонымен қатар, PG шикізат алаңының температурасын жоғарылататындықтан және газдың аса қанығуы аз болғандықтан, 1-ші құрылымның шикізатының жоғарғы бөлігінің қайта кристалдану қалыңдығы аз, бұл шикізатты пайдалану коэффициентін жақсартады.
6-сурет 0-құрылымның шикізат аймағының және 1-құрылымның әртүрлі уақыттағы бөлшектер диаметрінің (сол жақта) және кеуектілігінің (оң жақта) өзгеруі, бөлшектердің диаметрінің бірлігі: мкм
7-суретте өсудің басында 0 құрылымының иілулері көрсетілген, бұл шикізат жиегінің графиттенуінен туындаған материалдың шамадан тыс ағынымен байланысты болуы мүмкін. Кесу дәрежесі кейінгі өсу процесінде әлсірейді, бұл 4 (г) суреттегі 0 құрылымның кристалдық өсіндісінің алдыңғы жағындағы материал ағынының жылдамдығының өзгеруіне сәйкес келеді. 1-құрылымда PG әсерінен кристалдық интерфейс иілуді көрсетпейді. Сонымен қатар, PG сонымен қатар 1-құрылымның өсу қарқынын 0-құрылымнан айтарлықтай төмен етеді. 100 сағаттан кейін 1-құрылым кристалының орталық қалыңдығы 0-құрылымның 68% ғана құрайды.
7-сурет 30, 60 және 100 сағ 0 және 1 құрылым кристалдарының интерфейстік өзгерістері
Кристаллдың өсуі сандық модельдеудің технологиялық жағдайында жүзеге асырылды. Құрылым 0 және құрылым 1 арқылы өсірілген кристалдар сәйкесінше 8(а) және 8(b) суретте көрсетілген. 0 құрылымының кристалы орталық аймақта толқындар және шетінде фазалық ауысу бар ойыс интерфейсті көрсетеді. Беттік дөңес газ фазалық материалдарды тасымалдауда белгілі бір дәрежедегі біртекті еместігін көрсетеді, ал фазалық ауысудың пайда болуы төмен C/Si қатынасына сәйкес келеді. 1-құрылыммен өсірілген кристалдың интерфейсі сәл дөңес, фазалық ауысу табылмайды, ал қалыңдығы PG жоқ кристалдың 65% құрайды. Тұтастай алғанда, кристалдық өсу нәтижелері модельдеу нәтижелеріне сәйкес келеді, 1-құрылымның кристалдық интерфейсінде үлкен радиалды температура айырмашылығы бар, шетіндегі жылдам өсу басылады және жалпы материал ағынының жылдамдығы баяу. Жалпы тренд сандық модельдеу нәтижелеріне сәйкес келеді.
8-сурет 0 құрылымында және 1 құрылымында өсірілген SiC кристалдары
Қорытынды
PG шикізат аймағының жалпы температурасын жақсартуға және осьтік және радиалды температураның біркелкілігін жақсартуға ықпал етеді, шикізатты толық сублимациялауға және кәдеге жаратуға ықпал етеді; үстіңгі және астыңғы температура айырмашылығы артады, ал тұқымның кристалды бетінің радиалды градиенті артады, бұл дөңес интерфейстің өсуін сақтауға көмектеседі. Масса алмасу тұрғысынан PG енгізу жалпы масса алмасу жылдамдығын төмендетеді, құрамында PG бар өсу камерасындағы материал ағынының жылдамдығы уақыт өте аз өзгереді және бүкіл өсу процесі тұрақты болады. Сонымен қатар, PG сонымен қатар шеткі массаның шамадан тыс берілуін тиімді тежейді. Сонымен қатар, PG сонымен қатар өсу ортасының C/Si қатынасын арттырады, әсіресе тұқымдық кристалдық интерфейстің алдыңғы жиегінде өсу процесі кезінде фазалық өзгерістердің пайда болуын азайтуға көмектеседі. Сонымен бірге ПГ-ның жылу оқшаулау әсері шикізаттың жоғарғы бөлігінде қайта кристалданудың пайда болуын белгілі бір дәрежеде азайтады. Кристаллдың өсуі үшін PG кристалдың өсу жылдамдығын баяулатады, бірақ өсу интерфейсі дөңес. Сондықтан, PG SiC кристалдарының өсу ортасын жақсартудың және кристалдардың сапасын оңтайландырудың тиімді құралы болып табылады.
Жіберу уақыты: 18 маусым-2024 ж