سلکان کاربائڈ کرسٹل کی ترقی پر غیر محفوظ گریفائٹ کے اثر پر عددی نقلی مطالعہ

کا بنیادی عملSiCکرسٹل کی نمو کو اعلی درجہ حرارت پر خام مال کی سربلندی اور گلنے، درجہ حرارت کے میلان کے عمل کے تحت گیس فیز مادوں کی نقل و حمل، اور بیج کرسٹل پر گیس فیز مادوں کی دوبارہ کرسٹلائزیشن نمو میں تقسیم کیا جاتا ہے۔ اس کی بنیاد پر، کروسیبل کے اندرونی حصے کو تین حصوں میں تقسیم کیا گیا ہے: خام مال کا علاقہ، گروتھ چیمبر اور سیڈ کرسٹل۔ اصل مزاحمتی کی بنیاد پر ایک عددی نقلی ماڈل تیار کیا گیا تھا۔SiCسنگل کرسٹل نمو کا سامان (شکل 1 دیکھیں)۔ حساب میں: کے نیچےمصلوبسائیڈ ہیٹر کے نیچے سے 90 ملی میٹر دور ہے، کروسیبل کا اوپری درجہ حرارت 2100 ℃ ہے، خام مال کے ذرہ کا قطر 1000 μm ہے، پورسٹی 0.6 ہے، گروتھ پریشر 300 Pa ہے، اور بڑھنے کا وقت 100 h ہے۔ . پی جی کی موٹائی 5 ملی میٹر ہے، قطر کروسیبل کے اندرونی قطر کے برابر ہے، اور یہ خام مال سے 30 ملی میٹر اوپر واقع ہے۔ خام مال کے زون کی سربلندی، کاربنائزیشن، اور دوبارہ تشکیل دینے کے عمل کو حساب میں سمجھا جاتا ہے، اور پی جی اور گیس فیز مادوں کے درمیان رد عمل پر غور نہیں کیا جاتا ہے۔ حساب سے متعلقہ فزیکل پراپرٹی کے پیرامیٹرز ٹیبل 1 میں دکھائے گئے ہیں۔

شکل 1 سمولیشن کیلکولیشن ماڈل۔ (a) کرسٹل گروتھ سمولیشن کے لیے تھرمل فیلڈ ماڈل؛ (b) کروسیبل اور متعلقہ جسمانی مسائل کے اندرونی علاقے کی تقسیم

جدول 1 حساب میں استعمال ہونے والے کچھ جسمانی پیرامیٹرز

شکل 2(a) سے پتہ چلتا ہے کہ PG پر مشتمل ڈھانچے کا درجہ حرارت (سٹرکچر 1 کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے) PG سے نیچے PG فری ڈھانچے (سٹرکچر 0 کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے) سے زیادہ ہے، اور PG کے اوپر ڈھانچہ 0 سے کم ہے۔ درجہ حرارت کا مجموعی میلان بڑھتا ہے، اور PG گرمی کو موصل کرنے والے ایجنٹ کے طور پر کام کرتا ہے۔ اعداد و شمار 2(b) اور 2(c) کے مطابق، خام مال کے زون میں ساخت 1 کے محوری اور شعاعی درجہ حرارت کے میلان چھوٹے ہیں، درجہ حرارت کی تقسیم زیادہ یکساں ہے، اور مواد کی سربلندی زیادہ مکمل ہے۔ خام مال کے زون کے برعکس، شکل 2(c) ظاہر کرتا ہے کہ ساخت 1 کے سیڈ کرسٹل پر ریڈیل درجہ حرارت کا میلان بڑا ہے، جو مختلف حرارت کی منتقلی کے طریقوں کے مختلف تناسب کی وجہ سے ہو سکتا ہے، جو کرسٹل کو محدب انٹرفیس کے ساتھ بڑھنے میں مدد کرتا ہے۔ . شکل 2(d) میں، کروسیبل میں مختلف پوزیشنوں پر درجہ حرارت بڑھتے ہوئے رجحان کو ظاہر کرتا ہے، لیکن ساخت 0 اور ساخت 1 کے درمیان درجہ حرارت کا فرق خام مال کے زون میں آہستہ آہستہ کم ہوتا جاتا ہے اور گروتھ چیمبر میں بتدریج بڑھتا جاتا ہے۔

شکل 2 درجہ حرارت کی تقسیم اور کروسیبل میں تبدیلیاں۔ (a) ساخت 0 (بائیں) اور ڈھانچہ 1 (دائیں) 0 h پر کروسیبل کے اندر درجہ حرارت کی تقسیم، یونٹ: ℃؛ (b) سٹرکچر 0 اور سٹرکچر 1 کے کروسیبل کی سنٹر لائن پر خام مال کے نیچے سے بیج کرسٹل تک 0 h پر درجہ حرارت کی تقسیم؛ (c) بیج کرسٹل کی سطح (A) اور خام مال کی سطح (B)، درمیانی (C) اور نیچے (D) 0 h پر مرکز سے کروسیبل کے کنارے تک درجہ حرارت کی تقسیم، افقی محور r ہے A کے لیے بیج کرسٹل کا رداس، اور B~D کے لیے خام مال کے علاقے کا رداس؛ (d) ڈھانچہ 0 اور ساخت 1 کے گروتھ چیمبر کے اوپری حصے (A)، خام مال کی سطح (B) اور درمیانی (C) کے مرکز میں درجہ حرارت میں تبدیلیاں 0، 30، 60، اور 100 h پر ہوتی ہیں۔

شکل 3 ساخت 0 اور ڈھانچہ 1 کے کروسیبل میں مختلف اوقات میں مادی نقل و حمل کو ظاہر کرتی ہے۔ خام مال کے علاقے اور گروتھ چیمبر میں گیس فیز میٹریل کے بہاؤ کی شرح پوزیشن میں اضافے کے ساتھ بڑھ جاتی ہے، اور ترقی کے بڑھنے کے ساتھ ہی مادی نقل و حمل کمزور پڑ جاتی ہے۔ . شکل 3 یہ بھی ظاہر کرتا ہے کہ نقلی حالات کے تحت، خام مال پہلے کروسیبل کی سائیڈ وال پر اور پھر کروسیبل کے نچلے حصے پر گرافٹائز ہوتا ہے۔ مزید برآں، خام مال کی سطح پر دوبارہ کرسٹلائزیشن ہوتی ہے اور ترقی کے ساتھ ساتھ یہ آہستہ آہستہ گاڑھا ہوتا جاتا ہے۔ اعداد و شمار 4(a) اور 4(b) ظاہر کرتے ہیں کہ خام مال کے اندر مواد کے بہاؤ کی شرح بڑھنے کے ساتھ ساتھ کم ہوتی جاتی ہے، اور 100 h پر مادی بہاؤ کی شرح ابتدائی لمحے کا تقریباً 50% ہے۔ تاہم، خام مال کے گرافٹائزیشن کی وجہ سے کنارے پر بہاؤ کی شرح نسبتاً بڑی ہے، اور کنارے پر بہاؤ کی شرح درمیانی علاقے میں بہاؤ کی شرح سے 100 گنا زیادہ ہے۔ اس کے علاوہ، ساخت 1 میں PG کا اثر ساخت 1 کے خام مال کے علاقے میں مواد کے بہاؤ کی شرح کو ساخت 0 کے مقابلے میں کم کرتا ہے۔ شکل 4(c) میں، خام مال کے علاقے اور گروتھ چیمبر بتدریج کمزور ہوتا جاتا ہے جیسے جیسے ترقی بڑھتی ہے، اور خام مال کے علاقے میں مواد کا بہاؤ کم ہوتا رہتا ہے، جو کروسیبل کے کنارے پر ہوا کے بہاؤ کے چینل کے کھلنے کی وجہ سے ہوتا ہے۔ سب سے اوپر recrystallization کی رکاوٹ؛ گروتھ چیمبر میں، ساخت 0 کی مادی بہاؤ کی شرح ابتدائی 30 گھنٹے سے 16% تک تیزی سے کم ہوتی ہے، اور بعد میں صرف 3% تک کم ہوتی ہے، جب کہ ڈھانچہ 1 ترقی کے پورے عمل میں نسبتاً مستحکم رہتا ہے۔ لہذا، PG گروتھ چیمبر میں مادی بہاؤ کی شرح کو مستحکم کرنے میں مدد کرتا ہے۔ شکل 4(d) کرسٹل گروتھ فرنٹ پر مادی بہاؤ کی شرح کا موازنہ کرتا ہے۔ ابتدائی لمحے اور 100 گھنٹے میں، ساخت 0 کے گروتھ زون میں مادی نقل و حمل ڈھانچہ 1 کے مقابلے میں زیادہ مضبوط ہے، لیکن ڈھانچے 0 کے کنارے پر ہمیشہ بہاؤ کی شرح زیادہ ہوتی ہے، جو کنارے پر ضرورت سے زیادہ ترقی کا باعث بنتی ہے۔ . ساخت 1 میں PG کی موجودگی اس رجحان کو مؤثر طریقے سے دبا دیتی ہے۔

تصویر 3 کروسیبل میں مواد کا بہاؤ۔ مختلف اوقات میں ڈھانچے 0 اور 1 میں گیس کے مواد کی نقل و حمل کے سٹریم لائنز (بائیں) اور رفتار ویکٹر (دائیں)، رفتار ویکٹر یونٹ: m/s

شکل 4 مواد کے بہاؤ کی شرح میں تبدیلیاں۔ (a) ساخت 0 کے خام مال کے درمیان میں 0، 30، 60، اور 100 h پر مادی بہاؤ کی شرح کی تقسیم میں تبدیلی، r خام مال کے علاقے کا رداس ہے۔ (b) ساخت 1 کے خام مال کے درمیان میں 0، 30، 60، اور 100 h پر مواد کے بہاؤ کی شرح کی تقسیم میں تبدیلیاں، r خام مال کے علاقے کا رداس ہے۔ (c) وقت کے ساتھ ساتھ گروتھ چیمبر (A, B) کے اندر اور ڈھانچے 0 اور 1 کے خام مال (C, D) کے اندر مواد کے بہاؤ کی شرح میں تبدیلیاں؛ (d) ڈھانچے 0 اور 1 کی بیج کرسٹل سطح کے قریب 0 اور 100 h پر مواد کے بہاؤ کی شرح کی تقسیم، r بیج کرسٹل کا رداس ہے۔

C/Si کرسٹل کے استحکام اور SiC کرسٹل نمو کے عیب کثافت کو متاثر کرتا ہے۔ شکل 5(a) ابتدائی لمحے میں دو ڈھانچے کے C/Si تناسب کی تقسیم کا موازنہ کرتا ہے۔ C/Si تناسب بتدریج نیچے سے نیچے سے اوپر تک کم ہوتا جاتا ہے، اور ساخت 1 کا C/Si تناسب ہمیشہ مختلف پوزیشنوں پر ساخت 0 سے زیادہ ہوتا ہے۔ اعداد و شمار 5(b) اور 5(c) ظاہر کرتے ہیں کہ C/Si کا تناسب ترقی کے ساتھ بتدریج بڑھتا ہے، جس کا تعلق نمو کے بعد کے مرحلے میں اندرونی درجہ حرارت میں اضافے، خام مال کی گرافٹائزیشن میں اضافہ، اور Si کے رد عمل سے ہے۔ گریفائٹ کروسیبل کے ساتھ گیس کے مرحلے میں اجزاء۔ شکل 5(d) میں، ساخت 0 اور ساخت 1 کا C/Si تناسب PG (0, 25 mm) سے نیچے کافی مختلف ہے، لیکن PG (50 mm) سے تھوڑا مختلف ہے، اور کرسٹل کے قریب آتے ہی فرق بتدریج بڑھتا جاتا ہے۔ . عام طور پر، ساخت 1 کا C/Si تناسب زیادہ ہوتا ہے، جو کرسٹل کی شکل کو مستحکم کرنے اور مرحلے کی منتقلی کے امکان کو کم کرنے میں مدد کرتا ہے۔

شکل 5 C/Si تناسب کی تقسیم اور تبدیلیاں۔ (a) ساخت 0 (بائیں) اور ڈھانچہ 1 (دائیں) 0 h پر کروسیبلز میں C/Si تناسب کی تقسیم؛ (b) مختلف اوقات میں ساخت 0 کی کروسیبل کی مرکزی لائن سے مختلف فاصلے پر C/Si تناسب (0, 30, 60, 100 h)؛ (c) مختلف اوقات میں سٹرکچر 1 کی کروسیبل کی سنٹر لائن سے مختلف فاصلوں پر C/Si تناسب (0, 30, 60, 100 h)؛ (d) مختلف فاصلوں پر C/Si تناسب کا موازنہ (0, 25, 50, 75, 100 mm) مختلف اوقات میں ساخت 0 (ٹھوس لائن) اور ساخت 1 (ڈیشڈ لائن) کے کروسیبل کی مرکزی لائن سے (0، 30، 60، 100 ح)۔

شکل 6 دو ڈھانچے کے خام مال کے علاقوں کے ذرہ قطر اور پوروسیٹی میں تبدیلیوں کو ظاہر کرتا ہے۔ اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ خام مال کا قطر کم ہوتا ہے اور کروسیبل دیوار کے قریب پوروسیٹی بڑھ جاتی ہے، اور کنارے کی پورسٹی میں اضافہ ہوتا رہتا ہے اور جیسے جیسے نمو بڑھتی ہے ذرہ کا قطر کم ہوتا رہتا ہے۔ زیادہ سے زیادہ کنارے کی پورسٹی 100 گھنٹے پر تقریباً 0.99 ہے، اور کم از کم ذرہ قطر تقریباً 300 μm ہے۔ ذرہ کا قطر بڑھتا ہے اور خام مال کی اوپری سطح پر پوروسیٹی کم ہوتی ہے، جو کہ دوبارہ تشکیل دینے کے مطابق ہے۔ دوبارہ تشکیل دینے والے علاقے کی موٹائی بڑھنے کے ساتھ ساتھ بڑھ جاتی ہے، اور ذرہ کا سائز اور پورسٹی بدلتی رہتی ہے۔ زیادہ سے زیادہ ذرہ قطر 1500 μm سے زیادہ تک پہنچ جاتا ہے، اور کم از کم porosity 0.13 ہے. اس کے علاوہ، چونکہ PG خام مال کے علاقے کے درجہ حرارت کو بڑھاتا ہے اور گیس سپر سیچوریشن چھوٹا ہے، اس لیے ڈھانچے 1 کے خام مال کے اوپری حصے کی ری کرسٹلائزیشن موٹائی چھوٹی ہے، جو خام مال کے استعمال کی شرح کو بہتر بناتی ہے۔

شکل 6 مختلف اوقات میں ساخت 0 اور ساخت 1 کے خام مال کے علاقے کے ذرہ قطر (بائیں) اور پورسٹی (دائیں) میں تبدیلیاں، ذرہ قطر کی اکائی: μm

شکل 7 ظاہر کرتا ہے کہ ڈھانچہ نمو کے آغاز میں 0 وارپس ہوتا ہے، جس کا تعلق خام مال کے کنارے کے گرافٹائزیشن کی وجہ سے مادی بہاؤ کی زیادتی سے ہو سکتا ہے۔ بعد کے نمو کے عمل کے دوران وارپنگ کی ڈگری کمزور ہو جاتی ہے، جو کہ شکل 4 (d) میں ساخت 0 کی کرسٹل نمو کے سامنے مواد کے بہاؤ کی شرح میں تبدیلی کے مساوی ہے۔ ساخت 1 میں، PG کے اثر کی وجہ سے، کرسٹل انٹرفیس وارپنگ نہیں دکھاتا ہے۔ اس کے علاوہ، PG ساخت 1 کی شرح نمو کو ساخت 0 کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔ 100 h کے بعد ساخت 1 کے کرسٹل کی مرکزی موٹائی ساخت 0 کی صرف 68% ہے۔

شکل 7 ساخت 0 اور ساخت 1 کرسٹل کی انٹرفیس تبدیلیاں 30، 60 اور 100 h پر

کرسٹل کی نمو عددی تخروپن کے عمل کی شرائط کے تحت کی گئی تھی۔ ساخت 0 اور ساخت 1 کے ذریعہ اگائے جانے والے کرسٹل بالترتیب شکل 8 (a) اور شکل 8 (b) میں دکھائے گئے ہیں۔ ڈھانچہ 0 کا کرسٹل ایک مقعر انٹرفیس کو ظاہر کرتا ہے، جس میں مرکزی علاقے میں انڈولیشنز اور کنارے پر ایک مرحلے کی منتقلی ہوتی ہے۔ سطح کا محدب گیس فیز مواد کی نقل و حمل میں غیر ہم آہنگی کی ایک خاص ڈگری کی نمائندگی کرتا ہے، اور مرحلے کی منتقلی کی موجودگی کم C/Si تناسب کے مساوی ہے۔ ساخت 1 کے ذریعے اگائے جانے والے کرسٹل کا انٹرفیس قدرے محدب ہے، کوئی مرحلہ منتقلی نہیں پائی جاتی ہے، اور موٹائی PG کے بغیر کرسٹل کا 65% ہے۔ عام طور پر، کرسٹل کی نمو کے نتائج نقلی نتائج سے مطابقت رکھتے ہیں، ساخت 1 کے کرسٹل انٹرفیس میں بڑے شعاعی درجہ حرارت کے فرق کے ساتھ، کنارے پر تیز رفتار نمو کو دبا دیا جاتا ہے، اور مجموعی طور پر مواد کے بہاؤ کی رفتار سست ہوتی ہے۔ مجموعی رجحان عددی نقلی نتائج کے ساتھ مطابقت رکھتا ہے۔

شکل 8 ساخت 0 اور ساخت 1 کے تحت اگنے والے SiC کرسٹل

نتیجہ

PG خام مال کے علاقے کے مجموعی درجہ حرارت کی بہتری اور محوری اور شعاعی درجہ حرارت کی یکسانیت میں بہتری کے لیے سازگار ہے، خام مال کی مکمل سربلندی اور استعمال کو فروغ دیتا ہے۔ اوپر اور نیچے کے درجہ حرارت کا فرق بڑھتا ہے، اور بیج کرسٹل کی سطح کا ریڈیل گریڈینٹ بڑھ جاتا ہے، جو محدب انٹرفیس کی نمو کو برقرار رکھنے میں مدد کرتا ہے۔ بڑے پیمانے پر منتقلی کے لحاظ سے، PG کا تعارف مجموعی طور پر بڑے پیمانے پر منتقلی کی شرح کو کم کرتا ہے، PG پر مشتمل گروتھ چیمبر میں مواد کے بہاؤ کی شرح وقت کے ساتھ کم ہوتی ہے، اور ترقی کا پورا عمل زیادہ مستحکم ہوتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، PG بھی مؤثر طریقے سے ضرورت سے زیادہ کنارے بڑے پیمانے پر منتقلی کی موجودگی کو روکتا ہے۔ اس کے علاوہ، PG ترقی کے ماحول کے C/Si تناسب کو بھی بڑھاتا ہے، خاص طور پر بیج کرسٹل انٹرفیس کے سامنے والے کنارے پر، جو ترقی کے عمل کے دوران مرحلے کی تبدیلی کو کم کرنے میں مدد کرتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، پی جی کا تھرمل موصلیت کا اثر خام مال کے اوپری حصے میں دوبارہ کرسٹلائزیشن کی موجودگی کو ایک خاص حد تک کم کر دیتا ہے۔ کرسٹل کی نمو کے لیے، PG کرسٹل کی ترقی کی شرح کو کم کرتا ہے، لیکن ترقی کا انٹرفیس زیادہ محدب ہے۔ لہذا، PG SiC کرسٹل کی ترقی کے ماحول کو بہتر بنانے اور کرسٹل کے معیار کو بہتر بنانے کا ایک مؤثر ذریعہ ہے۔