சிலிக்கான் கார்பைடு படிக வளர்ச்சியில் நுண்துளை கிராஃபைட்டின் விளைவு பற்றிய எண் உருவகப்படுத்துதல் ஆய்வு

அடிப்படை செயல்முறைSiCபடிக வளர்ச்சியானது அதிக வெப்பநிலையில் மூலப்பொருட்களின் பதங்கமாதல் மற்றும் சிதைவு, வெப்பநிலை சாய்வு செயல்பாட்டின் கீழ் வாயு கட்ட பொருட்களின் போக்குவரத்து மற்றும் விதை படிகத்தில் வாயு கட்ட பொருட்களின் மறுபடிகமாக்கல் வளர்ச்சி என பிரிக்கப்பட்டுள்ளது. இதன் அடிப்படையில், பிறையின் உட்புறம் மூன்று பகுதிகளாக பிரிக்கப்பட்டுள்ளது: மூலப்பொருள் பகுதி, வளர்ச்சி அறை மற்றும் விதை படிகம். உண்மையான எதிர்ப்பின் அடிப்படையில் ஒரு எண் உருவகப்படுத்துதல் மாதிரி வரையப்பட்டதுSiCஒற்றை படிக வளர்ச்சி உபகரணங்கள் (படம் 1 பார்க்கவும்). கணக்கீட்டில்: கீழேசிலுவைபக்க ஹீட்டரின் அடிப்பகுதியில் இருந்து 90 மிமீ தொலைவில் உள்ளது, க்ரூசிபிளின் மேல் வெப்பநிலை 2100 ℃, மூலப்பொருள் துகள் விட்டம் 1000 μm, போரோசிட்டி 0.6, வளர்ச்சி அழுத்தம் 300 Pa, மற்றும் வளர்ச்சி நேரம் 100 மணி . PG தடிமன் 5 மிமீ, விட்டம் க்ரூசிபிளின் உள் விட்டம் சமமாக உள்ளது, மேலும் இது மூலப்பொருளுக்கு மேலே 30 மிமீ அமைந்துள்ளது. மூலப்பொருள் மண்டலத்தின் பதங்கமாதல், கார்பனேற்றம் மற்றும் மறுபடிகமயமாக்கல் செயல்முறைகள் கணக்கீட்டில் கருதப்படுகின்றன, மேலும் PG மற்றும் வாயு கட்டப் பொருட்களுக்கு இடையிலான எதிர்வினை கருதப்படுவதில்லை. கணக்கீடு தொடர்பான இயற்பியல் சொத்து அளவுருக்கள் அட்டவணை 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.

படம் 1 உருவகப்படுத்துதல் கணக்கீடு மாதிரி. (அ) ​​படிக வளர்ச்சி உருவகப்படுத்துதலுக்கான வெப்ப புல மாதிரி; (ஆ) பிறையின் உள் பகுதியின் பிரிவு மற்றும் தொடர்புடைய உடல் பிரச்சனைகள்

அட்டவணை 1 கணக்கீட்டில் பயன்படுத்தப்படும் சில உடல் அளவுருக்கள்

படம் 2(a) PG-க்கு கீழே உள்ள PG-இல்லாத கட்டமைப்பின் வெப்பநிலை (கட்டமைப்பு 1 என குறிப்பிடப்படுகிறது) அதிகமாகவும், PG க்கு மேலே உள்ள அமைப்பு 0 ஐ விட குறைவாகவும் இருப்பதைக் காட்டுகிறது. ஒட்டுமொத்த வெப்பநிலை சாய்வு அதிகரிக்கிறது, மேலும் PG ஒரு வெப்ப-இன்சுலேடிங் ஏஜெண்டாக செயல்படுகிறது. புள்ளிவிவரங்கள் 2(b) மற்றும் 2(c) படி, மூலப்பொருள் மண்டலத்தில் கட்டமைப்பு 1 இன் அச்சு மற்றும் ரேடியல் வெப்பநிலை சாய்வு சிறியது, வெப்பநிலை விநியோகம் மிகவும் சீரானது, மேலும் பொருளின் பதங்கமாதல் மிகவும் முழுமையானது. மூலப்பொருள் மண்டலத்தைப் போலல்லாமல், அமைப்பு 1 இன் விதைப் படிகத்தின் கதிர்வீச்சு வெப்பநிலை சாய்வு பெரியது என்பதை படம் 2(c) காட்டுகிறது, இது வெவ்வேறு வெப்ப பரிமாற்ற முறைகளின் வெவ்வேறு விகிதங்களால் ஏற்படலாம், இது படிகமானது குவிந்த இடைமுகத்துடன் வளர உதவுகிறது. . படம் 2(d) இல், க்ரூசிபிளில் வெவ்வேறு நிலைகளில் உள்ள வெப்பநிலையானது வளர்ச்சியின் போது அதிகரிக்கும் போக்கைக் காட்டுகிறது, ஆனால் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான வெப்பநிலை வேறுபாடு படிப்படியாக மூலப்பொருள் மண்டலத்தில் குறைந்து, வளர்ச்சி அறையில் படிப்படியாக அதிகரிக்கிறது.

படம் 2 வெப்பநிலை விநியோகம் மற்றும் க்ரூசிபில் மாற்றங்கள். (அ) ​​0 h இல் கட்டமைப்பு 0 (இடது) மற்றும் அமைப்பு 1 (வலது) இன் க்ரூசிபிள் உள்ளே வெப்பநிலை விநியோகம், அலகு: ℃; (ஆ) மூலப்பொருளின் அடிப்பகுதியில் இருந்து விதை படிகத்திற்கு 0 மணிநேரத்தில் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 ஆகியவற்றின் மையக் கோட்டில் வெப்பநிலை விநியோகம்; (c) விதைப் படிகப் பரப்பில் (A) மற்றும் மூலப்பொருள் மேற்பரப்பு (B), நடுத்தர (C) மற்றும் கீழ் (D) 0 h இல் மையத்தில் இருந்து க்ரூசிபிள் விளிம்பு வரை வெப்பநிலை விநியோகம், கிடைமட்ட அச்சு r A க்கு விதை படிக ஆரம், மற்றும் B~D க்கு மூலப்பொருள் பகுதி ஆரம்; (ஈ) 0, 30, 60 மற்றும் 100 மணிநேரத்தில் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 இன் வளர்ச்சி அறையின் மேல் பகுதி (A), மூலப்பொருள் மேற்பரப்பு (B) மற்றும் நடுத்தர (C) ஆகியவற்றின் மையத்தில் வெப்பநிலை மாற்றங்கள்.

கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 இன் பிறையில் வெவ்வேறு நேரங்களில் பொருள் போக்குவரத்தை படம் 3 காட்டுகிறது. மூலப்பொருள் பகுதி மற்றும் வளர்ச்சி அறை ஆகியவற்றில் வாயு கட்டப் பொருள் ஓட்ட விகிதம் நிலை அதிகரிப்புடன் அதிகரிக்கிறது, மேலும் வளர்ச்சி முன்னேறும்போது பொருள் போக்குவரத்து பலவீனமடைகிறது. . உருவகப்படுத்துதல் நிலைமைகளின் கீழ், மூலப்பொருள் முதலில் சிலுவையின் பக்கச் சுவரிலும் பின்னர் சிலுவையின் அடிப்பகுதியிலும் கிராஃபிடைஸ் செய்யப்படுகிறது என்பதையும் படம் 3 காட்டுகிறது. கூடுதலாக, மூலப்பொருளின் மேற்பரப்பில் மறுபடிகமயமாக்கல் உள்ளது மற்றும் வளர்ச்சி முன்னேறும்போது அது படிப்படியாக தடிமனாகிறது. புள்ளிவிவரங்கள் 4(a) மற்றும் 4(b) வளர்ச்சி முன்னேறும் போது மூலப்பொருளின் உள்ளே உள்ள பொருள் ஓட்ட விகிதம் குறைகிறது, மேலும் 100 h இல் உள்ள பொருள் ஓட்ட விகிதம் ஆரம்ப தருணத்தின் 50% ஆகும்; இருப்பினும், மூலப்பொருளின் கிராஃபிடைசேஷன் காரணமாக விளிம்பில் ஓட்ட விகிதம் ஒப்பீட்டளவில் பெரியதாக உள்ளது, மேலும் விளிம்பில் உள்ள ஓட்ட விகிதம் 100 மணிநேரத்தில் நடுத்தர பகுதியில் உள்ள ஓட்ட விகிதத்தை விட 10 மடங்கு அதிகமாக உள்ளது; கூடுதலாக, கட்டமைப்பு 1 இல் உள்ள PG இன் விளைவு, கட்டமைப்பு 1 இன் மூலப்பொருளின் பரப்பளவில் பொருள் ஓட்ட விகிதத்தை கட்டமைப்பு 0 ஐ விட குறைவாக ஆக்குகிறது. படம் 4(c), மூலப்பொருள் பகுதி மற்றும் மூலப்பொருள் ஆகிய இரண்டிலும் உள்ள பொருள் ஓட்டம் வளர்ச்சி முன்னேறும்போது வளர்ச்சி அறை படிப்படியாக பலவீனமடைகிறது, மேலும் மூலப்பொருள் பகுதியில் உள்ள பொருள் ஓட்டம் தொடர்ந்து குறைகிறது, இது சிலுவையின் விளிம்பில் காற்று ஓட்டம் சேனல் திறப்பதாலும் தடைகளாலும் ஏற்படுகிறது மேல் மறுபடிகமாக்கல்; வளர்ச்சி அறையில், கட்டமைப்பு 0 இன் பொருள் ஓட்ட விகிதம் ஆரம்ப 30 மணி முதல் 16% வரை விரைவாகக் குறைகிறது, மேலும் அடுத்த நேரத்தில் 3% மட்டுமே குறைகிறது, அதே நேரத்தில் கட்டமைப்பு 1 வளர்ச்சி செயல்முறை முழுவதும் ஒப்பீட்டளவில் நிலையானதாக இருக்கும். எனவே, வளர்ச்சி அறையில் பொருள் ஓட்ட விகிதத்தை உறுதிப்படுத்த PG உதவுகிறது. படம் 4(d) படிக வளர்ச்சி முன் உள்ள பொருள் ஓட்ட விகிதத்தை ஒப்பிடுகிறது. ஆரம்ப கணம் மற்றும் 100 மணி நேரத்தில், கட்டமைப்பு 0 இன் வளர்ச்சி மண்டலத்தில் உள்ள பொருள் போக்குவரத்து கட்டமைப்பு 1 ஐ விட வலிமையானது, ஆனால் கட்டமைப்பு 0 இன் விளிம்பில் எப்போதும் அதிக ஓட்ட விகித பகுதி உள்ளது, இது விளிம்பில் அதிகப்படியான வளர்ச்சிக்கு வழிவகுக்கிறது. . கட்டமைப்பு 1 இல் PG இருப்பது இந்த நிகழ்வை திறம்பட அடக்குகிறது.

படம் 3 க்ரூசிபில் உள்ள பொருள் ஓட்டம். வெவ்வேறு நேரங்களில் கட்டமைப்புகள் 0 மற்றும் 1 இல் வாயுப் பொருள் போக்குவரத்தின் ஸ்ட்ரீம்லைன்கள் (இடது) மற்றும் திசைவேக திசையன்கள் (வலது), திசைவேக திசையன் அலகு: m/s

படம் 4 பொருள் ஓட்ட விகிதத்தில் மாற்றங்கள். (a) 0, 30, 60, மற்றும் 100 h இல் கட்டமைப்பு 0 இன் மூலப்பொருளின் நடுவில் உள்ள பொருள் ஓட்ட விகித விநியோகத்தில் மாற்றங்கள், r என்பது மூலப்பொருள் பகுதியின் ஆரம்; (b) 0, 30, 60, மற்றும் 100 h இல் கட்டமைப்பு 1 இன் மூலப்பொருளின் நடுவில் உள்ள பொருள் ஓட்ட விகிதம் விநியோகத்தில் மாற்றங்கள், r என்பது மூலப்பொருள் பகுதியின் ஆரம் ஆகும்; (c) வளர்ச்சி அறைக்குள் (A, B) மற்றும் 0 மற்றும் 1 கட்டமைப்புகளின் மூலப்பொருளின் உள்ளே (C, D) காலப்போக்கில் பொருள் ஓட்ட விகிதத்தில் ஏற்படும் மாற்றங்கள்; (ஈ) 0 மற்றும் 100 மணிநேரத்தில் 0 மற்றும் 1 கட்டமைப்புகளின் விதை படிக மேற்பரப்புக்கு அருகில் பொருள் ஓட்ட விகிதம் விநியோகம், r என்பது விதை படிகத்தின் ஆரம் ஆகும்

SiC படிக வளர்ச்சியின் படிக நிலைத்தன்மை மற்றும் குறைபாடு அடர்த்தியை C/Si பாதிக்கிறது. படம் 5(a) ஆரம்ப தருணத்தில் இரண்டு கட்டமைப்புகளின் C/Si விகித விநியோகத்தை ஒப்பிடுகிறது. C/Si விகிதம் கீழிருந்து மேல் பகுதிக்கு படிப்படியாக குறைகிறது, மேலும் அமைப்பு 1 இன் C/Si விகிதம் வெவ்வேறு நிலைகளில் உள்ள அமைப்பு 0 ஐ விட எப்போதும் அதிகமாக இருக்கும். புள்ளிவிவரங்கள் 5(b) மற்றும் 5(c) C/Si விகிதம் படிப்படியாக வளர்ச்சியுடன் அதிகரிக்கிறது என்பதைக் காட்டுகிறது, இது வளர்ச்சியின் பிற்பகுதியில் உள்ள உள் வெப்பநிலை அதிகரிப்பு, மூலப்பொருள் கிராஃபிடைசேஷனை மேம்படுத்துதல் மற்றும் Si இன் எதிர்வினை ஆகியவற்றுடன் தொடர்புடையது. கிராஃபைட் க்ரூசிபிள் உடன் வாயு கட்டத்தில் உள்ள கூறுகள். படம் 5(d) இல், அமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 இன் C/Si விகிதங்கள் PG (0, 25 மிமீ) க்குக் கீழே முற்றிலும் வேறுபட்டவை, ஆனால் PG (50 மிமீ) க்கு மேல் சற்று வித்தியாசமாக உள்ளன, மேலும் படிகத்தை நெருங்கும் போது வேறுபாடு படிப்படியாக அதிகரிக்கிறது. . பொதுவாக, கட்டமைப்பு 1 இன் C/Si விகிதம் அதிகமாக உள்ளது, இது படிக வடிவத்தை உறுதிப்படுத்த உதவுகிறது மற்றும் கட்ட மாற்றத்தின் நிகழ்தகவைக் குறைக்கிறது.

படம் 5 C/Si விகிதத்தின் விநியோகம் மற்றும் மாற்றங்கள். (அ) ​​0 மணிநேரத்தில் கட்டமைப்பு 0 (இடது) மற்றும் அமைப்பு 1 (வலது) ஆகியவற்றின் க்ரூசிபிள்களில் C/Si விகிதம் விநியோகம்; (b) வெவ்வேறு நேரங்களில் (0, 30, 60, 100 h) கட்டமைப்பு 0 இன் மையக் கோட்டிலிருந்து வெவ்வேறு தூரங்களில் C/Si விகிதம்; (c) வெவ்வேறு நேரங்களில் (0, 30, 60, 100 h) கட்டமைப்பு 1 இன் மையக் கோட்டிலிருந்து வெவ்வேறு தூரங்களில் C/Si விகிதம்; (ஈ) வெவ்வேறு நேரங்களில் (0, 0, 30, 60, 100 மணி).

இரண்டு கட்டமைப்புகளின் மூலப்பொருள் பகுதிகளின் துகள் விட்டம் மற்றும் போரோசிட்டியில் ஏற்படும் மாற்றங்களை படம் 6 காட்டுகிறது. மூலப்பொருளின் விட்டம் குறைவதையும், க்ரூசிபிள் சுவரின் அருகே போரோசிட்டி அதிகரிப்பதையும், விளிம்பு போரோசிட்டி தொடர்ந்து அதிகரித்து வருவதையும், வளர்ச்சியின் போது துகள் விட்டம் குறைவதையும் படம் காட்டுகிறது. அதிகபட்ச விளிம்பு போரோசிட்டி 100 மணிநேரத்தில் 0.99 ஆகவும், குறைந்தபட்ச துகள் விட்டம் சுமார் 300 μm ஆகவும் இருக்கும். துகள் விட்டம் அதிகரிக்கிறது மற்றும் மூலப்பொருளின் மேல் மேற்பரப்பில் போரோசிட்டி குறைகிறது, மறுபடிகமயமாக்கலுக்கு ஒத்திருக்கிறது. வளர்ச்சி முன்னேறும்போது மறுபடிகமயமாக்கல் பகுதியின் தடிமன் அதிகரிக்கிறது, மேலும் துகள் அளவு மற்றும் போரோசிட்டி தொடர்ந்து மாறுகிறது. அதிகபட்ச துகள் விட்டம் 1500 μm க்கும் அதிகமாக அடையும், மற்றும் குறைந்தபட்ச போரோசிட்டி 0.13 ஆகும். கூடுதலாக, PG மூலப்பொருள் பகுதியின் வெப்பநிலையை அதிகரிப்பதாலும், வாயு சூப்பர்சாச்சுரேஷன் சிறியதாக இருப்பதாலும், கட்டமைப்பு 1 இன் மூலப்பொருளின் மேல் பகுதியின் மறுபடிகமாக்கல் தடிமன் சிறியது, இது மூலப்பொருள் பயன்பாட்டு விகிதத்தை மேம்படுத்துகிறது.

படம் 6 வெவ்வேறு நேரங்களில் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 இன் மூலப்பொருளின் துகள் விட்டம் (இடது) மற்றும் போரோசிட்டி (வலது) மாற்றங்கள், துகள் விட்டம் அலகு: μm

படம் 7, வளர்ச்சியின் தொடக்கத்தில் கட்டமைப்பு 0 வார்ப்களைக் காட்டுகிறது, இது மூலப்பொருள் விளிம்பின் கிராஃபிடைசேஷன் மூலம் ஏற்படும் அதிகப்படியான பொருள் ஓட்ட விகிதத்துடன் தொடர்புடையதாக இருக்கலாம். அடுத்தடுத்த வளர்ச்சி செயல்பாட்டின் போது வார்ப்பிங் அளவு பலவீனமடைகிறது, இது படம் 4 (டி) இல் கட்டமைப்பு 0 இன் படிக வளர்ச்சியின் முன்பகுதியில் உள்ள பொருள் ஓட்ட விகிதத்தில் ஏற்படும் மாற்றத்திற்கு ஒத்திருக்கிறது. கட்டமைப்பு 1 இல், PG இன் விளைவு காரணமாக, படிக இடைமுகம் சிதைவதைக் காட்டாது. கூடுதலாக, PG கட்டமைப்பு 1 இன் வளர்ச்சி விகிதத்தை கட்டமைப்பு 0 ஐ விட கணிசமாகக் குறைக்கிறது. 100 மணிநேரத்திற்குப் பிறகு கட்டமைப்பு 1 இன் படிகத்தின் மைய தடிமன் அமைப்பு 0 இன் 68% மட்டுமே.

படம் 7 30, 60 மற்றும் 100 மணிநேரத்தில் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் கட்டமைப்பு 1 படிகங்களின் இடைமுக மாற்றங்கள்

எண் உருவகப்படுத்துதலின் செயல்முறை நிலைமைகளின் கீழ் படிக வளர்ச்சி மேற்கொள்ளப்பட்டது. அமைப்பு 0 மற்றும் அமைப்பு 1 ஆகியவற்றால் வளர்க்கப்படும் படிகங்கள் முறையே படம் 8(a) மற்றும் படம் 8(b) இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. கட்டமைப்பு 0 இன் படிகமானது ஒரு குழிவான இடைமுகத்தைக் காட்டுகிறது, மையப் பகுதியில் அலைகள் மற்றும் விளிம்பில் ஒரு கட்ட மாற்றம் உள்ளது. மேற்பரப்பு குவிவு வாயு-கட்டப் பொருட்களின் போக்குவரத்தில் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவிலான ஒத்திசைவின்மையைக் குறிக்கிறது, மேலும் கட்ட மாற்றத்தின் நிகழ்வு குறைந்த C/Si விகிதத்திற்கு ஒத்திருக்கிறது. கட்டமைப்பு 1 மூலம் வளர்க்கப்படும் படிகத்தின் இடைமுகம் சற்று குவிந்துள்ளது, எந்த கட்ட மாற்றமும் காணப்படவில்லை, மேலும் PG இல்லாமல் படிகத்தின் தடிமன் 65% ஆகும். பொதுவாக, படிக வளர்ச்சி முடிவுகள் உருவகப்படுத்துதல் முடிவுகளுடன் ஒத்துப்போகின்றன, கட்டமைப்பு 1 இன் படிக இடைமுகத்தில் ஒரு பெரிய ரேடியல் வெப்பநிலை வேறுபாட்டுடன், விளிம்பில் விரைவான வளர்ச்சி ஒடுக்கப்படுகிறது, மேலும் ஒட்டுமொத்த பொருள் ஓட்ட விகிதம் மெதுவாக இருக்கும். ஒட்டுமொத்த போக்கு எண் உருவகப்படுத்துதல் முடிவுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது.

படம் 8 SiC படிகங்கள் கட்டமைப்பு 0 மற்றும் அமைப்பு 1 இன் கீழ் வளர்க்கப்படுகின்றன

முடிவுரை

மூலப்பொருள் பகுதியின் ஒட்டுமொத்த வெப்பநிலையை மேம்படுத்துவதற்கும், அச்சு மற்றும் ரேடியல் வெப்பநிலை சீரான தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கும், மூலப்பொருளின் முழு பதங்கமாதல் மற்றும் பயன்பாட்டை ஊக்குவிக்கும் வகையில் PG உதவுகிறது; மேல் மற்றும் கீழ் வெப்பநிலை வேறுபாடு அதிகரிக்கிறது, மேலும் விதை படிக மேற்பரப்பின் ரேடியல் சாய்வு அதிகரிக்கிறது, இது குவிந்த இடைமுக வளர்ச்சியை பராமரிக்க உதவுகிறது. வெகுஜன பரிமாற்றத்தின் அடிப்படையில், PG இன் அறிமுகம் ஒட்டுமொத்த வெகுஜன பரிமாற்ற வீதத்தைக் குறைக்கிறது, PG கொண்டிருக்கும் வளர்ச்சி அறையில் பொருள் ஓட்ட விகிதம் காலப்போக்கில் குறைவாக மாறுகிறது, மேலும் முழு வளர்ச்சி செயல்முறையும் மிகவும் நிலையானது. அதே நேரத்தில், PG அதிகப்படியான விளிம்பு வெகுஜன பரிமாற்ற நிகழ்வை திறம்பட தடுக்கிறது. கூடுதலாக, PG ஆனது வளர்ச்சி சூழலின் C/Si விகிதத்தை அதிகரிக்கிறது, குறிப்பாக விதை படிக இடைமுகத்தின் முன் விளிம்பில், இது வளர்ச்சி செயல்பாட்டின் போது கட்ட மாற்றம் ஏற்படுவதைக் குறைக்க உதவுகிறது. அதே நேரத்தில், PG இன் வெப்ப காப்பு விளைவு ஒரு குறிப்பிட்ட அளவிற்கு மூலப்பொருளின் மேல் பகுதியில் மறுபடிகமயமாக்கல் நிகழ்வைக் குறைக்கிறது. படிக வளர்ச்சிக்கு, PG படிக வளர்ச்சி விகிதத்தை குறைக்கிறது, ஆனால் வளர்ச்சி இடைமுகம் மிகவும் குவிந்துள்ளது. எனவே, பிஜி என்பது SiC படிகங்களின் வளர்ச்சி சூழலை மேம்படுத்தவும், படிக தரத்தை மேம்படுத்தவும் ஒரு சிறந்த வழிமுறையாகும்.