सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टलच्या वाढीवर सच्छिद्र ग्रेफाइटच्या प्रभावावर संख्यात्मक अनुकरण अभ्यास

ची मूलभूत प्रक्रियाSiCक्रिस्टल वाढ उच्च तापमानात कच्च्या मालाचे उदात्तीकरण आणि विघटन, तापमान ग्रेडियंटच्या क्रियेखाली गॅस फेज पदार्थांची वाहतूक आणि सीड क्रिस्टलवर गॅस फेज पदार्थांची पुनर्क्रिस्टलायझेशन वाढ मध्ये विभागली जाते. या आधारावर, क्रूसिबलचे आतील भाग तीन भागांमध्ये विभागले गेले आहे: कच्चा माल क्षेत्र, ग्रोथ चेंबर आणि सीड क्रिस्टल. वास्तविक रेझिस्टिव्हच्या आधारे एक संख्यात्मक सिम्युलेशन मॉडेल तयार केले गेलेSiCसिंगल क्रिस्टल ग्रोथ उपकरणे (आकृती 1 पहा). गणनेत: तळाशीक्रूसिबलसाइड हीटरच्या तळापासून 90 मिमी दूर आहे, क्रूसिबलचे शीर्ष तापमान 2100 ℃ आहे, कच्च्या मालाच्या कणांचा व्यास 1000 μm आहे, सच्छिद्रता 0.6 आहे, वाढीचा दाब 300 Pa आहे आणि वाढीची वेळ 100 तास आहे . पीजी जाडी 5 मिमी आहे, व्यास क्रूसिबलच्या आतील व्यासाच्या समान आहे आणि ते कच्च्या मालापेक्षा 30 मिमी वर स्थित आहे. कच्च्या मालाच्या झोनचे उदात्तीकरण, कार्बनीकरण आणि पुनर्क्रिस्टलायझेशन प्रक्रिया गणनामध्ये विचारात घेतल्या जातात आणि पीजी आणि गॅस फेज पदार्थांमधील प्रतिक्रिया विचारात घेतल्या जात नाहीत. गणना-संबंधित भौतिक गुणधर्म मापदंड तक्ता 1 मध्ये दर्शविले आहेत.

आकृती 1 सिम्युलेशन गणना मॉडेल. (a) क्रिस्टल ग्रोथ सिम्युलेशनसाठी थर्मल फील्ड मॉडेल; (b) क्रूसिबल आणि संबंधित शारीरिक समस्यांच्या अंतर्गत क्षेत्राचे विभाजन

तक्ता 1 गणनेमध्ये वापरलेले काही भौतिक मापदंड

आकृती 2(a) दर्शविते की PG-युक्त संरचनेचे तापमान (संरचना 1 म्हणून दर्शविले जाते) PG-मुक्त संरचनेपेक्षा (संरचना 0 म्हणून दर्शविलेले) PG खाली जास्त आहे आणि PG वरील संरचने 0 पेक्षा कमी आहे. एकूण तापमान ग्रेडियंट वाढते आणि PG उष्णता-इन्सुलेट एजंट म्हणून कार्य करते. आकृती 2(b) आणि 2(c) नुसार, कच्च्या मालाच्या झोनमधील संरचने 1 चे अक्षीय आणि रेडियल तापमान ग्रेडियंट लहान आहेत, तापमान वितरण अधिक एकसमान आहे आणि सामग्रीचे उदात्तीकरण अधिक पूर्ण आहे. कच्च्या मालाच्या झोनच्या विपरीत, आकृती 2(c) दाखवते की रचना 1 च्या सीड क्रिस्टलवर रेडियल तापमान ग्रेडियंट मोठा आहे, जो भिन्न उष्णता हस्तांतरण मोडच्या भिन्न प्रमाणांमुळे होऊ शकतो, ज्यामुळे क्रिस्टलला उत्तल इंटरफेससह वाढण्यास मदत होते. . आकृती 2(d) मध्ये, क्रुसिबलमधील वेगवेगळ्या स्थानावरील तापमान वाढीचा कल दर्शवितो, परंतु रचना 0 आणि संरचना 1 मधील तापमानातील फरक कच्च्या मालाच्या झोनमध्ये हळूहळू कमी होतो आणि वाढीच्या कक्षेत हळूहळू वाढतो.

आकृती 2 तापमान वितरण आणि क्रूसिबलमधील बदल. (a) स्ट्रक्चर 0 (डावीकडे) आणि स्ट्रक्चर 1 (उजवीकडे) च्या क्रूसिबलच्या आत तापमान वितरण 0 ता, युनिट: ℃; (b) स्ट्रक्चर 0 आणि स्ट्रक्चर 1 च्या क्रुसिबलच्या मध्य रेषेवर कच्च्या मालाच्या तळापासून सीड क्रिस्टल पर्यंत 0 h वर तापमानाचे वितरण; (c) सीड क्रिस्टल पृष्ठभाग (A) आणि कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागावर (B), मध्य (C) आणि तळाशी (D) 0 h वर क्रुसिबलच्या काठावर केंद्रापासून तापमानाचे वितरण, क्षैतिज अक्ष r आहे A साठी बीज क्रिस्टल त्रिज्या आणि B~D साठी कच्च्या मालाचे क्षेत्र त्रिज्या; (d) 0, 30, 60, आणि 100 h वर स्ट्रक्चर 0 आणि स्ट्रक्चर 1 च्या ग्रोथ चेंबरच्या वरच्या भागाच्या (A), कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागाच्या (B) आणि मध्यभागी (C) तापमानात बदल होतो.

आकृती 3 रचना 0 आणि संरचना 1 च्या क्रूसिबलमध्ये वेगवेगळ्या वेळी सामग्रीची वाहतूक दर्शविते. कच्च्या मालाच्या क्षेत्रामध्ये गॅस फेज मटेरियल प्रवाह दर आणि ग्रोथ चेंबरची स्थिती वाढल्याने वाढते आणि वाढीनुसार सामग्रीची वाहतूक कमकुवत होते. . आकृती 3 हे देखील दर्शविते की सिम्युलेशन परिस्थितीत, कच्चा माल प्रथम क्रूसिबलच्या बाजूच्या भिंतीवर आणि नंतर क्रूसिबलच्या तळाशी ग्रेफाइट होतो. शिवाय, कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागावर पुन्हा स्फटिकीकरण होते आणि जसजसे वाढ होते तसतसे ते हळूहळू घट्ट होते. आकडे 4(a) आणि 4(b) दर्शविते की कच्च्या मालाच्या आतील सामग्रीचा प्रवाह दर जसजसा वाढतो तसतसा कमी होतो आणि 100 तासांचा सामग्री प्रवाह दर सुरुवातीच्या क्षणाच्या सुमारे 50% असतो; तथापि, कच्च्या मालाच्या ग्राफिटायझेशनमुळे प्रवाह दर काठावर तुलनेने मोठा आहे आणि काठावरील प्रवाह दर 100 तासांच्या मध्यभागी प्रवाह दरापेक्षा 10 पट जास्त आहे; शिवाय, रचना 1 मधील PG चा परिणाम स्ट्रक्चर 1 च्या कच्च्या मालाच्या क्षेत्रामध्ये स्ट्रक्चर 0 पेक्षा कमी करतो. आकृती 4(c) मध्ये, कच्च्या मालाच्या क्षेत्रामध्ये सामग्री प्रवाह आणि ग्रोथ चेंबर हळूहळू कमकुवत होते जसजसे वाढ होते, आणि कच्च्या मालाच्या क्षेत्रातील सामग्रीचा प्रवाह कमी होत राहतो, जो क्रूसिबलच्या काठावर हवा प्रवाह वाहिनी उघडल्यामुळे आणि शीर्षस्थानी पुनर्क्रिस्टलायझेशनच्या अडथळ्यामुळे होतो; ग्रोथ चेंबरमध्ये, रचना 0 चा भौतिक प्रवाह दर सुरुवातीच्या 30 तासांपासून 16% पर्यंत वेगाने कमी होतो आणि त्यानंतरच्या काळात फक्त 3% कमी होतो, तर रचना 1 संपूर्ण वाढ प्रक्रियेदरम्यान तुलनेने स्थिर राहते. म्हणून, पीजी ग्रोथ चेंबरमध्ये सामग्री प्रवाह दर स्थिर करण्यास मदत करते. आकृती 4(d) क्रिस्टल ग्रोथ फ्रंटवर मटेरियल फ्लो रेटची तुलना करते. सुरुवातीच्या क्षणी आणि 100 तासांदरम्यान, स्ट्रक्चर 0 च्या ग्रोथ झोनमधील मटेरियल ट्रान्सपोर्ट स्ट्रक्चर 1 पेक्षा अधिक मजबूत आहे, परंतु स्ट्रक्चर 0 च्या काठावर नेहमीच उच्च प्रवाह दर क्षेत्र असते, ज्यामुळे काठावर जास्त वाढ होते. . रचना 1 मध्ये पीजीची उपस्थिती प्रभावीपणे या घटनेला दडपून टाकते.

आकृती 3 क्रूसिबलमध्ये सामग्रीचा प्रवाह. स्ट्रीमलाइन्स (डावीकडे) आणि वेग वेक्टर (उजवीकडे) स्ट्रक्चर्स 0 आणि 1 मध्ये वेगवेगळ्या वेळी गॅस सामग्री वाहतूक, वेग वेक्टर युनिट: m/s

आकृती 4 साहित्य प्रवाह दरातील बदल. (a) 0, 30, 60, आणि 100 h येथे रचना 0 च्या कच्च्या मालाच्या मध्यभागी सामग्री प्रवाह दर वितरणातील बदल, r ही कच्च्या मालाच्या क्षेत्राची त्रिज्या आहे; (b) रचना 1 च्या कच्च्या मालाच्या मध्यभागी 0, 30, 60, आणि 100 h वर सामग्री प्रवाह दर वितरणातील बदल, r ही कच्च्या मालाच्या क्षेत्राची त्रिज्या आहे; (c) कालांतराने ग्रोथ चेंबर (A, B) आणि स्ट्रक्चर्स 0 आणि 1 च्या कच्च्या मालाच्या (C, D) आत सामग्री प्रवाह दरात बदल; (d) 0 आणि 1 0 आणि 100 h वर रचनांच्या बीज क्रिस्टल पृष्ठभागाजवळ सामग्री प्रवाह दर वितरण, r ही बीज क्रिस्टलची त्रिज्या आहे

C/Si क्रिस्टलीय स्थिरता आणि SiC क्रिस्टल वाढीच्या दोष घनतेवर परिणाम करते. आकृती 5(a) सुरुवातीच्या क्षणी दोन संरचनांच्या C/Si गुणोत्तर वितरणाची तुलना करते. C/Si गुणोत्तर क्रुसिबलच्या तळापासून वरपर्यंत हळूहळू कमी होत जाते आणि रचना 1 चे C/Si गुणोत्तर नेहमी भिन्न स्थानांवर 0 च्या संरचनेपेक्षा जास्त असते. आकडे 5(b) आणि 5(c) दर्शवतात की वाढीसह C/Si गुणोत्तर हळूहळू वाढते, जे वाढीच्या नंतरच्या टप्प्यात अंतर्गत तापमानात वाढ, कच्च्या मालाचे ग्राफिटायझेशन वाढवणे आणि Si ची प्रतिक्रिया यांच्याशी संबंधित आहे. ग्रेफाइट क्रूसिबलसह गॅस टप्प्यातील घटक. आकृती 5(d) मध्ये, रचना 0 आणि संरचना 1 चे C/Si गुणोत्तर PG (0, 25 mm) च्या खाली बरेच वेगळे आहेत, परंतु PG (50 mm) च्या वर थोडे वेगळे आहेत, आणि क्रिस्टलच्या जवळ येताच हा फरक हळूहळू वाढत जातो. . सर्वसाधारणपणे, रचना 1 चे C/Si प्रमाण जास्त असते, जे क्रिस्टल फॉर्म स्थिर करण्यास आणि फेज संक्रमणाची संभाव्यता कमी करण्यास मदत करते.

आकृती 5 C/Si गुणोत्तराचे वितरण आणि बदल. (a) रचना 0 (डावीकडे) आणि रचना 1 (उजवीकडे) 0 ता.च्या क्रुसिबलमध्ये C/Si गुणोत्तर वितरण; (b) वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 h); (c) वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 h); (d) वेगवेगळ्या वेळी (0, 25, 50, 75, 100 मिमी) संरचनेच्या क्रुसिबलच्या मध्य रेषेपासून (0, 25, 50, 75, 100 मिमी) आणि रचना 1 (डॅश रेषा) वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 ता).

आकृती 6 दोन रचनांच्या कच्च्या मालाच्या प्रदेशातील कण व्यास आणि सच्छिद्रतेतील बदल दर्शविते. आकृती दर्शविते की कच्च्या मालाचा व्यास कमी होतो आणि क्रूसिबल भिंतीजवळ सच्छिद्रता वाढते आणि किनारी सच्छिद्रता वाढत राहते आणि वाढ जसजशी वाढत जाते तसतसे कण व्यास कमी होत जातो. 100 h वर जास्तीत जास्त किनारी सच्छिद्रता सुमारे 0.99 आहे, आणि किमान कण व्यास सुमारे 300 μm आहे. कच्च्या मालाच्या वरच्या पृष्ठभागावर कणांचा व्यास वाढतो आणि सच्छिद्रता कमी होते, पुनर्क्रिस्टलायझेशनशी संबंधित. जसजसे वाढ होत जाते तसतसे पुनर्क्रिस्टलायझेशन क्षेत्राची जाडी वाढते आणि कणांचा आकार आणि सच्छिद्रता बदलत राहते. जास्तीत जास्त कण व्यास 1500 μm पेक्षा जास्त पोहोचतो आणि किमान सच्छिद्रता 0.13 आहे. याव्यतिरिक्त, PG कच्च्या मालाच्या क्षेत्राचे तापमान वाढवते आणि गॅस सुपरसॅच्युरेशन लहान असल्याने, स्ट्रक्चर 1 च्या कच्च्या मालाच्या वरच्या भागाची रीक्रिस्टलायझेशन जाडी लहान आहे, ज्यामुळे कच्च्या मालाचा वापर दर सुधारतो.

आकृती 6 वेगवेगळ्या वेळी स्ट्रक्चर 0 आणि स्ट्रक्चर 1 च्या कच्च्या मालाच्या क्षेत्रामध्ये कण व्यास (डावीकडे) आणि सच्छिद्रता (उजवीकडे) मध्ये बदल, कण व्यास युनिट: μm

आकृती 7 दर्शविते की वाढीच्या सुरूवातीस रचना 0 वार्प्स होते, जी कच्च्या मालाच्या काठाच्या ग्राफिटायझेशनमुळे होणा-या अत्यधिक सामग्री प्रवाह दराशी संबंधित असू शकते. त्यानंतरच्या वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान वार्पिंगची डिग्री कमकुवत होते, जी आकृती 4 (डी) मधील स्ट्रक्चर 0 च्या क्रिस्टल वाढीच्या समोरील सामग्रीच्या प्रवाह दरातील बदलाशी संबंधित आहे. रचना 1 मध्ये, PG च्या प्रभावामुळे, क्रिस्टल इंटरफेस वार्पिंग दर्शवत नाही. या व्यतिरिक्त, PG संरचना 1 चा वाढीचा दर 0 पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी करतो. 100 h नंतर स्ट्रक्चर 1 च्या क्रिस्टलची मध्यभागी जाडी 0 च्या संरचनेच्या फक्त 68% आहे.

आकृती 7 30, 60 आणि 100 h वर स्ट्रक्चर 0 आणि स्ट्रक्चर 1 क्रिस्टल्सचे इंटरफेस बदल

क्रिस्टल वाढ संख्यात्मक सिम्युलेशनच्या प्रक्रियेच्या परिस्थितीत केली गेली. रचना 0 आणि रचना 1 द्वारे उगवलेले स्फटिक अनुक्रमे आकृती 8(a) आणि आकृती 8(b) मध्ये दर्शविले आहेत. रचना 0 चे क्रिस्टल मध्यवर्ती भागात अंड्युलेशन आणि काठावर फेज संक्रमणासह अवतल इंटरफेस दर्शविते. पृष्ठभागावरील उत्तलता गॅस-फेज सामग्रीच्या वाहतुकीमध्ये विशिष्ट प्रमाणात असमानता दर्शवते आणि फेज संक्रमणाची घटना कमी C/Si गुणोत्तराशी संबंधित असते. रचना 1 द्वारे वाढलेल्या क्रिस्टलचा इंटरफेस किंचित बहिर्वक्र आहे, कोणतेही फेज संक्रमण आढळले नाही आणि PG शिवाय क्रिस्टलच्या 65% जाडी आहे. सर्वसाधारणपणे, क्रिस्टल वाढीचे परिणाम सिम्युलेशन परिणामांशी जुळतात, स्ट्रक्चर 1 च्या क्रिस्टल इंटरफेसमध्ये मोठ्या रेडियल तापमानातील फरकासह, काठावरील वेगवान वाढ दडपली जाते आणि एकूण सामग्री प्रवाह दर कमी होतो. एकूण कल संख्यात्मक सिम्युलेशन परिणामांशी सुसंगत आहे.

आकृती 8 रचना 0 आणि रचना 1 अंतर्गत वाढलेले SiC क्रिस्टल्स

निष्कर्ष

PG कच्च्या मालाच्या क्षेत्राच्या एकूण तापमानात सुधारणा करण्यासाठी आणि अक्षीय आणि रेडियल तापमान एकसमानता सुधारण्यासाठी अनुकूल आहे, कच्च्या मालाच्या पूर्ण उदात्तीकरण आणि वापरास प्रोत्साहन देते; वरच्या आणि खालच्या तापमानाचा फरक वाढतो आणि बियाणे क्रिस्टल पृष्ठभागाचा रेडियल ग्रेडियंट वाढतो, ज्यामुळे बहिर्वक्र इंटरफेसची वाढ राखण्यास मदत होते. वस्तुमान हस्तांतरणाच्या दृष्टीने, PG च्या परिचयामुळे एकूण वस्तुमान हस्तांतरण दर कमी होतो, PG असलेल्या ग्रोथ चेंबरमधील सामग्री प्रवाह दर वेळेनुसार कमी होतो आणि संपूर्ण वाढ प्रक्रिया अधिक स्थिर होते. त्याच वेळी, PG देखील प्रभावीपणे अत्यधिक धार वस्तुमान हस्तांतरण घटना प्रतिबंधित करते. याव्यतिरिक्त, PG वाढीच्या वातावरणाचे C/Si गुणोत्तर देखील वाढवते, विशेषत: सीड क्रिस्टल इंटरफेसच्या पुढच्या काठावर, जे वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान फेज बदलाची घटना कमी करण्यास मदत करते. त्याच वेळी, पीजीचा थर्मल इन्सुलेशन प्रभाव कच्च्या मालाच्या वरच्या भागामध्ये पुनर्क्रिस्टलायझेशनची घटना काही प्रमाणात कमी करतो. क्रिस्टल वाढीसाठी, PG क्रिस्टल वाढीचा दर कमी करते, परंतु वाढीचा इंटरफेस अधिक उत्तल आहे. म्हणून, SiC क्रिस्टल्सच्या वाढीचे वातावरण सुधारण्यासाठी आणि क्रिस्टल गुणवत्ता अनुकूल करण्यासाठी PG हे एक प्रभावी माध्यम आहे.