การศึกษาการจำลองเชิงตัวเลขเกี่ยวกับผลกระทบของกราไฟท์ที่มีรูพรุนต่อการเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

กระบวนการพื้นฐานของซิซีการเจริญเติบโตของผลึกแบ่งออกเป็นการระเหิดและการสลายตัวของวัตถุดิบที่อุณหภูมิสูง การขนส่งสารที่เป็นก๊าซภายใต้การกระทำของการไล่ระดับอุณหภูมิ และการเจริญเติบโตของการตกผลึกใหม่ของสารที่เป็นก๊าซที่ผลึกเมล็ด ด้วยเหตุนี้ ภายในของเบ้าหลอมจึงแบ่งออกเป็นสามส่วน ได้แก่ พื้นที่วัตถุดิบ ห้องเจริญเติบโต และผลึกเมล็ด แบบจำลองเชิงตัวเลขถูกวาดขึ้นตามค่าความต้านทานจริงซิซีอุปกรณ์การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว (ดูรูปที่ 1) ในการคำนวณ: ด้านล่างของเบ้าหลอมอยู่ห่างจากด้านล่างของเครื่องทำความร้อนด้านข้าง 90 มม. อุณหภูมิด้านบนของเบ้าหลอมคือ 2100 ℃ เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาควัตถุดิบคือ 1,000 μm ความพรุนคือ 0.6 ความดันการเติบโตคือ 300 Pa และเวลาในการเติบโตคือ 100 ชั่วโมง . ความหนาของ PG คือ 5 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของเบ้าหลอม และตั้งอยู่เหนือวัตถุดิบ 30 มม. กระบวนการระเหิด คาร์บอไนเซชัน และการตกผลึกซ้ำของโซนวัตถุดิบได้รับการพิจารณาในการคำนวณ และไม่พิจารณาปฏิกิริยาระหว่าง PG และสารในเฟสก๊าซ พารามิเตอร์คุณสมบัติทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณแสดงไว้ในตารางที่ 1

รูปที่ 1 แบบจำลองการคำนวณการจำลอง (ก) แบบจำลองสนามความร้อนสำหรับการจำลองการเติบโตของคริสตัล (ข) การแบ่งพื้นที่ภายในของเบ้าหลอมและปัญหาทางกายภาพที่เกี่ยวข้อง

ตารางที่ 1 พารามิเตอร์ทางกายภาพบางตัวที่ใช้ในการคำนวณ

รูปที่ 2(a) แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของโครงสร้างที่ประกอบด้วย PG (แสดงเป็นโครงสร้าง 1) สูงกว่าอุณหภูมิของโครงสร้างปลอด PG (แสดงเป็นโครงสร้าง 0) ต่ำกว่า PG และต่ำกว่าอุณหภูมิของโครงสร้าง 0 เหนือ PG การไล่ระดับอุณหภูมิโดยรวมจะเพิ่มขึ้น และ PG ทำหน้าที่เป็นตัวฉนวนความร้อน ตามรูปที่ 2(b) และ 2(c) การไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกนและแนวรัศมีของโครงสร้าง 1 ในโซนวัตถุดิบมีขนาดเล็กลง การกระจายอุณหภูมิมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และการระเหิดของวัสดุมีความสมบูรณ์มากขึ้น ต่างจากโซนวัตถุดิบ รูปที่ 2(c) แสดงให้เห็นว่าการไล่ระดับอุณหภูมิแนวรัศมีที่ผลึกเมล็ดของโครงสร้าง 1 มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งอาจเกิดจากสัดส่วนที่แตกต่างกันของโหมดการถ่ายเทความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้คริสตัลเติบโตโดยมีส่วนต่อประสานแบบนูน . ในรูปที่ 2(d) อุณหภูมิที่ตำแหน่งต่างๆ ในถ้วยใส่ตัวอย่างแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นเมื่อมีการเจริญเติบโตดำเนินไป แต่ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 จะค่อยๆ ลดลงในโซนวัตถุดิบ และค่อยๆ เพิ่มขึ้นในห้องการเจริญเติบโต

รูปที่ 2 การกระจายและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในถ้วยใส่ตัวอย่าง (a) การกระจายอุณหภูมิภายในเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 (ซ้าย) และโครงสร้าง 1 (ขวา) ที่ 0 ชั่วโมง หน่วย: ℃; (b) การกระจายอุณหภูมิบนเส้นกึ่งกลางของถ้วยใส่ตัวอย่างของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 จากด้านล่างของวัตถุดิบถึงผลึกเมล็ดที่ 0 ชั่วโมง; (c) การกระจายอุณหภูมิจากศูนย์กลางไปยังขอบของถ้วยใส่ตัวอย่างบนพื้นผิวผลึกเมล็ดพืช (A) และพื้นผิววัตถุดิบ (B) ตรงกลาง (C) และด้านล่าง (D) ที่ 0 ชั่วโมง แกนนอน r คือ รัศมีผลึกเมล็ดสำหรับ A และรัศมีพื้นที่วัตถุดิบสำหรับ B~D; (d) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ศูนย์กลางของส่วนบน (A) พื้นผิววัตถุดิบ (B) และตรงกลาง (C) ของห้องเจริญเติบโตของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ที่ 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง

รูปที่ 3 แสดงการขนย้ายวัสดุในเวลาที่ต่างกันในเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 อัตราการไหลของวัสดุในเฟสก๊าซในพื้นที่วัตถุดิบและห้องการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นตามตำแหน่งที่เพิ่มขึ้น และการขนย้ายวัสดุจะอ่อนตัวลงเมื่อการเติบโตดำเนินไป . รูปที่ 3 ยังแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขการจำลอง วัตถุดิบจะเกิดกราไฟต์ที่ผนังด้านข้างของถ้วยใส่ตัวอย่างก่อน จากนั้นจึงไปที่ด้านล่างของถ้วยใส่ตัวอย่าง นอกจากนี้ ยังมีการตกผลึกซ้ำบนพื้นผิวของวัตถุดิบ และจะค่อยๆ หนาขึ้นเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป รูปที่ 4(a) และ 4(b) แสดงให้เห็นว่าอัตราการไหลของวัสดุภายในวัตถุดิบลดลงเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป และอัตราการไหลของวัสดุที่ 100 ชั่วโมงคือประมาณ 50% ของช่วงเวลาเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม อัตราการไหลค่อนข้างใหญ่ที่ขอบเนื่องจากการกราไฟต์ของวัตถุดิบ และอัตราการไหลที่ขอบมากกว่า 10 เท่าของอัตราการไหลในบริเวณตรงกลางที่ 100 ชั่วโมง นอกจากนี้ผลกระทบของ PG ในโครงสร้าง 1 ทำให้อัตราการไหลของวัสดุในพื้นที่วัตถุดิบของโครงสร้าง 1 ต่ำกว่าของโครงสร้าง 0 ในรูปที่ 4(c) การไหลของวัสดุทั้งในพื้นที่วัตถุดิบและ ห้องการเจริญเติบโตจะค่อยๆอ่อนลงเมื่อการเติบโตดำเนินไป และการไหลของวัสดุในพื้นที่วัตถุดิบยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเกิดจากการเปิดช่องการไหลของอากาศที่ขอบของเบ้าหลอมและการอุดตันของการตกผลึกซ้ำที่ด้านบน ในห้องการเจริญเติบโต อัตราการไหลของวัสดุของโครงสร้าง 0 จะลดลงอย่างรวดเร็วใน 30 ชั่วโมงแรกถึง 16% และลดลงเพียง 3% ในเวลาต่อมา ในขณะที่โครงสร้าง 1 ยังคงค่อนข้างคงที่ตลอดกระบวนการเติบโต ดังนั้น PG จึงช่วยรักษาอัตราการไหลของวัสดุในห้องการเจริญเติบโตให้คงที่ รูปที่ 4(d) เปรียบเทียบอัตราการไหลของวัสดุที่ด้านหน้าการเติบโตของผลึก ในช่วงเวลาเริ่มต้นและ 100 ชั่วโมง การขนย้ายวัสดุในเขตการเจริญเติบโตของโครงสร้าง 0 จะแข็งแกร่งกว่าในโครงสร้าง 1 แต่มักจะมีพื้นที่อัตราการไหลสูงที่ขอบของโครงสร้าง 0 ซึ่งนำไปสู่การเติบโตที่มากเกินไปที่ขอบ . การมีอยู่ของ PG ในโครงสร้าง 1 ยับยั้งปรากฏการณ์นี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 3 การไหลของวัสดุในเบ้าหลอม ความคล่องตัว (ซ้าย) และเวกเตอร์ความเร็ว (ขวา) ของการเคลื่อนย้ายวัสดุก๊าซในโครงสร้าง 0 และ 1 ในเวลาที่ต่างกัน หน่วยเวกเตอร์ความเร็ว: m/s

รูปที่ 4 การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของวัสดุ (ก) การเปลี่ยนแปลงการกระจายอัตราการไหลของวัสดุตรงกลางวัตถุดิบของโครงสร้าง 0 ที่ 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง r คือ รัศมีของพื้นที่วัตถุดิบ (b) การเปลี่ยนแปลงการกระจายอัตราการไหลของวัสดุตรงกลางวัตถุดิบของโครงสร้าง 1 ที่ 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง r คือ รัศมีของพื้นที่วัตถุดิบ (c) การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของวัสดุภายในห้องการเจริญเติบโต (A, B) และภายในวัตถุดิบ (C, D) ของโครงสร้าง 0 และ 1 เมื่อเวลาผ่านไป (d) การกระจายอัตราการไหลของวัสดุใกล้กับพื้นผิวผลึกเมล็ดของโครงสร้าง 0 และ 1 ที่ 0 และ 100 ชั่วโมง r คือรัศมีของผลึกเมล็ด

C/Si ส่งผลต่อความเสถียรของผลึกและความหนาแน่นของข้อบกพร่องของการเติบโตของผลึก SiC รูปที่ 5(a) เปรียบเทียบการกระจายอัตราส่วน C/Si ของโครงสร้างทั้งสอง ณ เวลาเริ่มต้น อัตราส่วน C/Si ค่อยๆ ลดลงจากด้านล่างไปด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่าง และอัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 1 จะสูงกว่าอัตราส่วนของโครงสร้าง 0 ที่ตำแหน่งที่แตกต่างกันเสมอ รูปที่ 5(b) และ 5(c) แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วน C/Si ค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามการเติบโต ซึ่งสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายในในระยะหลังของการเติบโต การเพิ่มประสิทธิภาพของการทำให้เป็นกราฟิติเซชันของวัตถุดิบ และปฏิกิริยาของ Si ส่วนประกอบในเฟสก๊าซด้วยเบ้าหลอมกราไฟท์ ในรูปที่ 5(d) อัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ค่อนข้างแตกต่างกันต่ำกว่า PG (0, 25 มม.) แต่แตกต่างกันเล็กน้อยเหนือ PG (50 มม.) และความแตกต่างจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อเข้าใกล้คริสตัล . โดยทั่วไป อัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 1 จะสูงกว่า ซึ่งช่วยให้รูปแบบผลึกคงตัวและลดความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนเฟส

รูปที่ 5 การกระจายและการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วน C/Si (a) การกระจายอัตราส่วน C/Si ในถ้วยใส่ตัวอย่างของโครงสร้าง 0 (ซ้าย) และโครงสร้าง 1 (ขวา) ที่ 0 ชั่วโมง; (b) อัตราส่วน C/Si ที่ระยะทางต่างกันจากเส้นกึ่งกลางของถ้วยใส่ตัวอย่างของโครงสร้าง 0 ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชั่วโมง) (c) อัตราส่วน C/Si ที่ระยะห่างต่างกันจากเส้นกึ่งกลางของถ้วยใส่ตัวอย่างของโครงสร้าง 1 ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชั่วโมง) (d) การเปรียบเทียบอัตราส่วน C/Si ที่ระยะต่างกัน (0, 25, 50, 75, 100 มม.) จากเส้นกึ่งกลางของถ้วยใส่ตัวอย่างของโครงสร้าง 0 (เส้นทึบ) และโครงสร้าง 1 (เส้นประ) ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชม.)

รูปที่ 6 แสดงการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคและความพรุนของบริเวณวัตถุดิบของโครงสร้างทั้งสอง รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของวัตถุดิบลดลง และความพรุนเพิ่มขึ้นใกล้กับผนังเบ้าหลอม และความพรุนของขอบยังคงเพิ่มขึ้น และเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคยังคงลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อมีการเติบโตดำเนินไป ความพรุนของขอบสูงสุดคือประมาณ 0.99 ที่ 100 ชั่วโมง และเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคขั้นต่ำคือประมาณ 300 μm เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเพิ่มขึ้นและความพรุนลดลงบนพื้นผิวด้านบนของวัตถุดิบ ซึ่งสอดคล้องกับการตกผลึกใหม่ ความหนาของพื้นที่การตกผลึกใหม่จะเพิ่มขึ้นตามการเติบโต และขนาดอนุภาคและความพรุนยังคงเปลี่ยนแปลงต่อไป เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคสูงสุดถึงมากกว่า 1,500 μm และความพรุนขั้นต่ำคือ 0.13 นอกจากนี้ เนื่องจาก PG เพิ่มอุณหภูมิของพื้นที่วัตถุดิบและความอิ่มตัวของก๊าซมีน้อย ความหนาของการตกผลึกซ้ำของส่วนบนของวัตถุดิบในโครงสร้าง 1 จึงมีขนาดเล็ก ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการใช้วัตถุดิบ

รูปที่ 6 การเปลี่ยนแปลงเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค (ซ้าย) และความพรุน (ขวา) ของพื้นที่วัตถุดิบของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ในเวลาที่ต่างกัน หน่วยของเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค: μm

รูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง 0 บิดเบี้ยวที่จุดเริ่มต้นของการเติบโต ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับอัตราการไหลของวัสดุที่มากเกินไปซึ่งเกิดจากการสร้างกราฟของขอบวัตถุดิบ ระดับของการบิดงอจะลดลงในระหว่างกระบวนการเติบโตที่ตามมา ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของอัตราการไหลของวัสดุที่ด้านหน้าของการเติบโตของผลึกของโครงสร้าง 0 ในรูปที่ 4 (d) ในโครงสร้าง 1 เนื่องจากผลของ PG ส่วนต่อประสานคริสตัลจึงไม่แสดงการบิดเบี้ยว นอกจากนี้ PG ยังทำให้อัตราการเติบโตของโครงสร้าง 1 ต่ำกว่าโครงสร้าง 0 อย่างมีนัยสำคัญ ความหนาศูนย์กลางของผลึกของโครงสร้าง 1 หลังจาก 100 ชั่วโมงคือเพียง 68% ของความหนาศูนย์กลางของโครงสร้าง 0

รูปที่ 7 การเปลี่ยนแปลงส่วนต่อประสานของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ผลึกที่ 30, 60 และ 100 ชั่วโมง

การเจริญเติบโตของผลึกดำเนินการภายใต้เงื่อนไขกระบวนการของการจำลองเชิงตัวเลข ผลึกที่เติบโตโดยโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 แสดงในรูปที่ 8 (a) และรูปที่ 8 (b) ตามลำดับ ผลึกของโครงสร้าง 0 แสดงส่วนต่อประสานแบบเว้า โดยมีลักษณะเป็นลอนในบริเวณส่วนกลางและมีการเปลี่ยนเฟสที่ขอบ ความนูนของพื้นผิวแสดงถึงความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในระดับหนึ่งในการเคลื่อนย้ายวัสดุที่เป็นก๊าซ และการเกิดการเปลี่ยนเฟสจะสอดคล้องกับอัตราส่วน C/Si ที่ต่ำ ส่วนต่อประสานของคริสตัลที่เติบโตโดยโครงสร้าง 1 จะนูนออกมาเล็กน้อย ไม่พบการเปลี่ยนเฟส และความหนาคือ 65% ของคริสตัลที่ไม่มี PG โดยทั่วไป ผลลัพธ์การเติบโตของคริสตัลจะสอดคล้องกับผลการจำลอง โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิรัศมีที่มากขึ้นที่ส่วนต่อประสานคริสตัลของโครงสร้าง 1 การเติบโตอย่างรวดเร็วที่ขอบจะถูกระงับ และอัตราการไหลของวัสดุโดยรวมจะช้าลง แนวโน้มโดยรวมสอดคล้องกับผลการจำลองเชิงตัวเลข

รูปที่ 8 ผลึก SiC ที่เติบโตภายใต้โครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1

บทสรุป

PG เอื้อต่อการปรับปรุงอุณหภูมิโดยรวมของพื้นที่วัตถุดิบและการปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิตามแนวแกนและแนวรัศมี ส่งเสริมการระเหิดเต็มรูปแบบและการใช้วัตถุดิบ ความแตกต่างของอุณหภูมิด้านบนและด้านล่างเพิ่มขึ้น และการไล่ระดับรัศมีของพื้นผิวผลึกเมล็ดเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยรักษาการเติบโตของส่วนต่อประสานแบบนูน ในแง่ของการถ่ายโอนมวล การใช้ PG จะช่วยลดอัตราการถ่ายโอนมวลโดยรวม อัตราการไหลของวัสดุในห้องเจริญเติบโตที่มี PG จะเปลี่ยนแปลงน้อยลงตามเวลา และกระบวนการเติบโตทั้งหมดมีเสถียรภาพมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน PG ยังยับยั้งการเกิดการถ่ายโอนมวลขอบที่มากเกินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ PG ยังเพิ่มอัตราส่วน C/Si ของสภาพแวดล้อมการเติบโต โดยเฉพาะที่ขอบด้านหน้าของส่วนต่อประสานผลึกเมล็ด ซึ่งช่วยลดการเกิดการเปลี่ยนแปลงระยะในระหว่างกระบวนการเติบโต ในเวลาเดียวกันผลของฉนวนความร้อนของ PG จะช่วยลดการเกิดการตกผลึกซ้ำในส่วนบนของวัตถุดิบได้ในระดับหนึ่ง สำหรับการเติบโตของคริสตัล PG จะชะลออัตราการเติบโตของคริสตัล แต่ส่วนต่อประสานการเติบโตจะนูนออกมามากกว่า ดังนั้น PG จึงเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงสภาพแวดล้อมการเติบโตของผลึก SiC และปรับคุณภาพคริสตัลให้เหมาะสม