सिलिकन कार्बाइड क्रिस्टल वृद्धिमा छिद्रपूर्ण ग्रेफाइटको प्रभावमा संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन

को आधारभूत प्रक्रियाSiCक्रिस्टल बृद्धिलाई उच्च तापक्रममा कच्चा मालको उदात्तीकरण र विघटन, तापक्रम ढाँचाको कार्य अन्तर्गत ग्यास चरणका पदार्थहरूको ढुवानी, र बीज क्रिस्टलमा ग्यास चरण पदार्थहरूको पुन: स्थापना वृद्धिमा विभाजन गरिएको छ। यसको आधारमा, क्रूसिबलको भित्री भागलाई तीन भागमा विभाजन गरिएको छ: कच्चा माल क्षेत्र, वृद्धि कक्ष र बीज क्रिस्टल। एक संख्यात्मक सिमुलेशन मोडेल वास्तविक प्रतिरोधी को आधारमा कोरिएको थियोSiCएकल क्रिस्टल वृद्धि उपकरण (चित्र 1 हेर्नुहोस्)। गणना मा: को तलक्रूसिबलसाइड हीटरको तल्लो भागबाट ९० मिमी टाढा छ, क्रुसिबलको माथिल्लो तापक्रम २१०० ℃, कच्चा पदार्थको कण व्यास १००० μm छ, पोरोसिटी ०.६ छ, वृद्धिको चाप ३०० Pa छ, र वृद्धि समय १०० घन्टा छ। । PG मोटाई 5 मिमी छ, व्यास क्रूसिबल को भित्री व्यास बराबर छ, र यो कच्चा माल माथि 30 मिमी स्थित छ। कच्चा माल क्षेत्रको उदात्तीकरण, कार्बनीकरण, र पुन: स्थापना प्रक्रियाहरू गणनामा विचार गरिन्छ, र PG र ग्यास चरण पदार्थहरू बीचको प्रतिक्रियालाई विचार गरिँदैन। गणना-सम्बन्धित भौतिक सम्पत्ति प्यारामिटरहरू तालिका 1 मा देखाइएको छ।

चित्र १ सिमुलेशन गणना मोडेल। (a) क्रिस्टल वृद्धि सिमुलेशनको लागि थर्मल फिल्ड मोडेल; (ख) क्रुसिबल र सम्बन्धित शारीरिक समस्याहरूको आन्तरिक क्षेत्रको विभाजन

तालिका १ गणनामा प्रयोग गरिएका केही भौतिक मापदण्डहरू

चित्र 2(a) ले देखाउँछ कि PG- युक्त संरचनाको तापक्रम (संरचना 1 को रूपमा दर्शाइएको) PG-रहित संरचना (संरचना 0 को रूपमा दर्शाइएको) PG भन्दा कम छ, र PG माथिको संरचना 0 भन्दा कम छ। समग्र तापक्रम ढाँचा बढ्छ, र PG ले गर्मी इन्सुलेट गर्ने एजेन्टको रूपमा कार्य गर्दछ। आंकडा 2(b) र 2(c) अनुसार, कच्चा माल क्षेत्रको संरचना 1 को अक्षीय र रेडियल तापमान ढाँचाहरू साना छन्, तापक्रम वितरण अधिक समान छ, र सामग्रीको उदात्तीकरण अधिक पूर्ण छ। कच्चा माल क्षेत्रको विपरीत, चित्र 2(c) ले देखाउँछ कि संरचना 1 को बीज क्रिस्टलमा रेडियल तापमान ढाँचा ठूलो छ, जुन विभिन्न ताप स्थानान्तरण मोडहरूको विभिन्न अनुपातहरूको कारणले हुन सक्छ, जसले क्रिस्टललाई उत्तल इन्टरफेससँग बढ्न मद्दत गर्दछ। । चित्र 2(d) मा, क्रुसिबलमा विभिन्न स्थानहरूमा रहेको तापक्रमले वृद्धि बढ्दै जाँदा बढ्दो प्रवृत्ति देखाउँछ, तर संरचना 0 र संरचना 1 बीचको तापमान भिन्नता कच्चा पदार्थको क्षेत्रमा बिस्तारै घट्दै जान्छ र बिस्तारै वृद्धि कक्षमा बढ्दै जान्छ।

चित्र २ तापमान वितरण र क्रूसिबलमा परिवर्तनहरू। (क) संरचना ० (बायाँ) र संरचना १ (दायाँ) ० घन्टामा क्रुसिबल भित्र तापमान वितरण, एकाइ: ℃; (ख) कच्चा मालको तलबाट ० घन्टामा बीउ क्रिस्टलसम्म संरचना ० र संरचना १ को क्रुसिबलको केन्द्र रेखामा तापमान वितरण; (c) बीज क्रिस्टल सतह (A) र कच्चा मालको सतह (B), मध्य (C) र तल (D) 0 h मा क्रुसिबलको किनारमा केन्द्रबाट तापमान वितरण, तेर्सो अक्ष r हो। A को लागि बीज क्रिस्टल त्रिज्या, र B~D को लागि कच्चा माल क्षेत्र त्रिज्या; (d) माथिल्लो भाग (A), कच्चा पदार्थको सतह (B) र मध्य (C) संरचना ० र संरचना १ को ०, ३०, ६०, र १०० घन्टाको ग्रोथ चेम्बरको केन्द्रमा तापक्रम परिवर्तन हुन्छ।

चित्र 3 ले संरचना 0 र संरचना 1 को क्रुसिबलमा विभिन्न समयमा भौतिक ढुवानी देखाउँछ। कच्चा माल क्षेत्रमा ग्यास चरण सामग्री प्रवाह दर र वृद्धि कक्ष स्थिति बढ्दै जान्छ, र वृद्धि बढ्दै जाँदा भौतिक ढुवानी कमजोर हुन्छ। । चित्र ३ ले यो पनि देखाउँछ कि सिमुलेशन अवस्थाहरूमा, कच्चा माल पहिले क्रुसिबलको छेउको पर्खालमा र त्यसपछि क्रुसिबलको तलमा ग्रेफाइट हुन्छ। थप रूपमा, कच्चा मालको सतहमा पुन: स्थापना हुन्छ र यो बिस्तारै बढ्दै जाँदा बाक्लो हुँदै जान्छ। आंकडा ४(a) र ४(b) ले देखाउँछ कि कच्चा माल भित्रको सामग्री प्रवाह दर बढ्दै जाँदा घट्दै जान्छ, र 100 h मा सामग्री प्रवाह दर प्रारम्भिक क्षणको लगभग 50% हुन्छ; यद्यपि, कच्चा मालको ग्राफिटाइजेशनको कारणले किनारामा प्रवाह दर अपेक्षाकृत ठूलो छ, र किनारामा प्रवाह दर 100 घण्टामा मध्य क्षेत्रमा प्रवाह दरको 10 गुणा भन्दा बढी छ; थप रूपमा, संरचना 1 मा PG को प्रभावले संरचना 1 को कच्चा माल क्षेत्रमा सामग्री प्रवाह दर संरचना 0 को भन्दा कम बनाउँछ। चित्र 4(c) मा, कच्चा माल क्षेत्र र दुवै मा सामग्री प्रवाह। ग्रोथ चेम्बर बिस्तारै बिस्तारै कमजोर हुँदै जान्छ जब बृद्धि बढ्दै जान्छ, र कच्चा माल क्षेत्रमा सामग्रीको प्रवाह घट्दै जान्छ, जुन क्रुसिबलको किनारमा हावा प्रवाह च्यानल खोल्नु र शीर्षमा पुन: स्थापनाको अवरोधको कारणले हुन्छ; बृद्धि कक्षमा, संरचना ० को भौतिक प्रवाह दर प्रारम्भिक ३० घन्टा देखि १६% सम्म द्रुत गतिमा घट्छ, र त्यसपछिको समयमा केवल ३% ले घट्छ, जबकि संरचना १ वृद्धि प्रक्रियामा अपेक्षाकृत स्थिर रहन्छ। तसर्थ, PG ले वृद्धि कक्षमा सामग्री प्रवाह दर स्थिर गर्न मद्दत गर्दछ। चित्र 4(d) ले क्रिस्टल वृद्धि अगाडिको सामग्री प्रवाह दर तुलना गर्दछ। प्रारम्भिक क्षण र 100 घन्टामा, संरचना 0 को वृद्धि क्षेत्र मा सामग्री ढुवानी संरचना 1 मा भन्दा बलियो छ, तर संरचना 0 को छेउमा सधैं उच्च प्रवाह दर क्षेत्र छ, जसले किनारामा अत्यधिक वृद्धि निम्त्याउँछ। । संरचना 1 मा PG को उपस्थितिले यस घटनालाई प्रभावकारी रूपमा दबाउछ।

चित्र 3 क्रुसिबलमा सामग्री प्रवाह। स्ट्रिमलाइनहरू (बायाँ) र वेग भेक्टरहरू (दायाँ) ग्यास सामग्री ढुवानीका संरचनाहरू ० र १ फरक समयमा, वेग भेक्टर एकाई: m/s

चित्र 4 सामग्री प्रवाह दर मा परिवर्तन। (a) ०, ३०, ६०, र १०० घन्टामा संरचना ० को कच्चा मालको बीचमा सामग्री प्रवाह दर वितरणमा परिवर्तन, r कच्चा माल क्षेत्रको त्रिज्या हो; (b) संरचना 1 को कच्चा मालको बीचमा 0, 30, 60, र 100 h मा सामग्री प्रवाह दर वितरणमा परिवर्तन, r कच्चा माल क्षेत्रको त्रिज्या हो; (c) समयसँगै ग्रोथ चेम्बर (A, B) भित्र र 0 र 1 को कच्चा पदार्थ (C, D) भित्रको सामग्री प्रवाह दरमा परिवर्तनहरू; (d) 0 र 100 h मा 0 र 1 संरचनाहरूको बीज क्रिस्टल सतह नजिक सामग्री प्रवाह दर वितरण, r बीज क्रिस्टलको त्रिज्या हो

C/Si ले क्रिस्टलीय स्थिरता र SiC क्रिस्टल वृद्धिको दोष घनत्वलाई असर गर्छ। चित्र 5(a) प्रारम्भिक क्षणमा दुई संरचनाहरूको C/Si अनुपात वितरण तुलना गर्दछ। C/Si अनुपात क्रुसिबलको तलदेखि माथिसम्म बिस्तारै घट्दै जान्छ, र संरचना 1 को C/Si अनुपात सधैं विभिन्न स्थानहरूमा संरचना 0 भन्दा बढी हुन्छ। अंक ५(b) र ५(c) ले बृद्धिसँगै C/Si अनुपात बिस्तारै बढ्दै गएको देखाउँछ, जुन वृद्धिको पछिल्लो चरणमा आन्तरिक तापक्रममा भएको बृद्धि, कच्चा पदार्थको ग्राफिटाइजेशनको वृद्धि र Si को प्रतिक्रियासँग सम्बन्धित छ। ग्रेफाइट क्रुसिबलको साथ ग्यास चरणमा कम्पोनेन्टहरू। चित्र 5(d) मा, संरचना 0 र संरचना 1 को C/Si अनुपात PG (0, 25 mm) तल एकदम फरक छ, तर PG (50 mm) भन्दा अलि फरक छ, र यो क्रिस्टलको नजिक पुग्दा फरक बिस्तारै बढ्छ। । सामान्यतया, संरचना 1 को C/Si अनुपात उच्च छ, जसले क्रिस्टल फारमलाई स्थिर गर्न र चरण संक्रमणको सम्भावना कम गर्न मद्दत गर्दछ।

चित्र 5 वितरण र C/Si अनुपात को परिवर्तन। (क) संरचना ० (बायाँ) र संरचना १ (दायाँ) को क्रुसिबलमा ० घन्टामा C/Si अनुपात वितरण; (b) C/Si अनुपात विभिन्न समयमा (0, 30, 60, 100 h); (c) विभिन्न समयमा (०, ३०, ६०, १०० घन्टा); (d) विभिन्न समयमा (0, 25, 50, 75, 100 मिमी) संरचना 0 (ठोस रेखा) र संरचना 1 (ड्यास गरिएको रेखा) को क्रुसिबलको केन्द्र रेखाबाट विभिन्न दूरीहरूमा C/Si अनुपातको तुलना (0, 30, 60, 100 घन्टा)।

चित्र 6 ले कण व्यास र दुई संरचना को कच्चा माल क्षेत्र को porosity मा परिवर्तन देखाउँछ। आकृतिले देखाउँछ कि कच्चा मालको व्यास घट्दै जान्छ र क्रुसिबल पर्खालको छेउमा सच्छिद्रता बढ्छ, र किनारा पोरोसिटी बढ्दै जान्छ र कणको व्यास बढ्दै जाँदा घट्दै जान्छ। अधिकतम किनारा पोरोसिटी 100 घन्टा मा लगभग 0.99 छ, र न्यूनतम कण व्यास लगभग 300 μm छ। कण व्यास बढ्छ र कच्चा माल को माथिल्लो सतह मा porosity घट्छ, recrystallization संगत। पुन: स्थापना क्षेत्रको मोटाई वृद्धिको रूपमा बढ्दै जान्छ, र कण आकार र porosity परिवर्तन जारी छ। अधिकतम कण व्यास 1500 μm भन्दा बढी पुग्छ, र न्यूनतम porosity 0.13 छ। थप रूपमा, PG ले कच्चा माल क्षेत्रको तापक्रम बढाउँछ र ग्यास सुपरस्याचुरेसन सानो छ, संरचना 1 को कच्चा मालको माथिल्लो भागको पुन: स्थापना मोटाई सानो छ, जसले कच्चा मालको उपयोग दर सुधार गर्दछ।

चित्र 6 संरचना 0 र संरचना 1 को कच्चा माल क्षेत्र को कण व्यास (बायाँ) र porosity (दायाँ) मा परिवर्तन फरक समयमा, कण व्यास एकाई: μm

चित्र 7 ले बृद्धिको सुरुमा संरचना 0 वार्पहरू देखाउँछ, जुन कच्चा मालको किनाराको ग्राफिटाइजेशनको कारणले अत्यधिक सामग्री प्रवाह दरसँग सम्बन्धित हुन सक्छ। पछिको वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा वार्पिङको डिग्री कमजोर हुन्छ, जुन चित्र 4 (d) मा संरचना 0 को क्रिस्टल वृद्धिको अगाडि सामग्री प्रवाह दरमा भएको परिवर्तनसँग मेल खान्छ। संरचना १ मा, PG को प्रभावले गर्दा, क्रिस्टल इन्टरफेसले वार्पिङ देखाउँदैन। थप रूपमा, PG ले संरचना 0 को भन्दा संरचना 1 को वृद्धि दर पनि उल्लेखनीय रूपमा कम बनाउँछ। 100 h पछि संरचना 1 को क्रिस्टलको केन्द्र मोटाई संरचना 0 को 68% मात्र हुन्छ।

चित्र 7 30, 60, र 100 h मा संरचना 0 र संरचना 1 क्रिस्टलको इन्टरफेस परिवर्तनहरू

क्रिस्टल वृद्धि संख्यात्मक सिमुलेशन को प्रक्रिया सर्त अन्तर्गत गरिएको थियो। संरचना 0 र संरचना 1 द्वारा बढेको क्रिस्टलहरू क्रमशः चित्र 8 (a) र चित्र 8 (b) मा देखाइएको छ। संरचना ० को क्रिस्टलले केन्द्रीय क्षेत्रमा अनडुलेसनहरू र किनारामा चरण संक्रमणको साथ एक अवतल इन्टरफेस देखाउँदछ। सतहको उत्तलताले ग्यास-फेज सामग्रीको ढुवानीमा एक निश्चित डिग्री असमानतालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, र चरण संक्रमणको घटना कम C/Si अनुपातसँग मेल खान्छ। संरचना १ द्वारा बढेको क्रिस्टलको इन्टरफेस थोरै उत्तल छ, कुनै चरण संक्रमण फेला परेन, र मोटाई PG बिना क्रिस्टलको 65% हो। सामान्यतया, क्रिस्टल वृद्धि परिणामहरू सिमुलेशन परिणामहरूसँग मेल खान्छ, संरचना 1 को क्रिस्टल इन्टरफेसमा ठूलो रेडियल तापमान भिन्नताको साथ, किनारामा द्रुत वृद्धिलाई दबाइन्छ, र समग्र सामग्री प्रवाह दर ढिलो हुन्छ। समग्र प्रवृति संख्यात्मक सिमुलेशन परिणामहरूसँग अनुरूप छ।

चित्र ८ संरचना ० र संरचना १ अन्तर्गत बढेका SiC क्रिस्टलहरू

निष्कर्ष

PG कच्चा माल क्षेत्र को समग्र तापमान को सुधार र अक्षीय र रेडियल तापमान एकरूपता को सुधार को लागी अनुकूल छ, कच्चा माल को पूर्ण उदात्तीकरण र उपयोग को प्रवर्द्धन; माथि र तल्लो तापक्रमको भिन्नता बढ्छ, र बीज क्रिस्टल सतहको रेडियल ढाँचा बढ्छ, जसले उत्तल इन्टरफेस वृद्धिलाई कायम राख्न मद्दत गर्दछ। जन स्थानान्तरणको सन्दर्भमा, PG को परिचयले समग्र जन स्थानान्तरण दर घटाउँछ, PG समावेश भएको वृद्धि कक्षमा सामग्री प्रवाह दर समयको साथमा कम परिवर्तन हुन्छ, र सम्पूर्ण वृद्धि प्रक्रिया अधिक स्थिर हुन्छ। एकै समयमा, PG ले अत्यधिक किनारा मास स्थानान्तरणको घटनालाई प्रभावकारी रूपमा रोक्छ। थप रूपमा, PG ले वृद्धि वातावरणको C/Si अनुपात पनि बढाउँछ, विशेष गरी बीज क्रिस्टल इन्टरफेसको अगाडिको किनारमा, जसले वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा चरण परिवर्तनको घटना घटाउन मद्दत गर्दछ। एकै समयमा, PG को थर्मल इन्सुलेशन प्रभावले कच्चा मालको माथिल्लो भागमा पुन: स्थापनाको घटनालाई निश्चित हदसम्म कम गर्दछ। क्रिस्टल वृद्धिको लागि, PG ले क्रिस्टल वृद्धि दरलाई सुस्त बनाउँछ, तर वृद्धि इन्टरफेस अधिक उत्तल छ। तसर्थ, PG SiC क्रिस्टलको विकास वातावरण सुधार गर्न र क्रिस्टल गुणस्तर अनुकूलन गर्न एक प्रभावकारी माध्यम हो।