ning asosiy jarayoniSiCkristall o'sishi yuqori haroratda xom ashyoning sublimatsiyasi va parchalanishi, harorat gradienti ta'sirida gaz fazasi moddalarini tashish va urug'lik kristalida gaz fazasi moddalarining qayta kristallanish o'sishiga bo'linadi. Shunga asoslanib, tigelning ichki qismi uch qismga bo'linadi: xom ashyo maydoni, o'sish kamerasi va urug'lik kristalli. Haqiqiy qarshilik asosida raqamli simulyatsiya modeli chizilganSiCyagona kristalli o'sish uskunalari (1-rasmga qarang). Hisoblashda: pastki qismitigelyon isitgichning pastki qismidan 90 mm uzoqlikda, tigelning yuqori harorati 2100 ℃, xom ashyo zarrachalarining diametri 1000 mkm, g'ovaklilik 0,6, o'sish bosimi 300 Pa, o'sish vaqti 100 soat. . PG qalinligi 5 mm, diametri tigelning ichki diametriga teng va u xomashyodan 30 mm balandlikda joylashgan. Hisoblashda xom ashyo zonasining sublimatsiya, karbonizatsiya va qayta kristallanish jarayonlari hisobga olinadi va PG va gaz fazasi moddalari o'rtasidagi reaktsiya hisobga olinmaydi. Hisoblash bilan bog'liq jismoniy xususiyat parametrlari 1-jadvalda ko'rsatilgan.
1-rasm Simulyatsiya hisoblash modeli. (a) Kristal o'sishini simulyatsiya qilish uchun termal maydon modeli; (b) tigelning ichki sohasini bo'linish va u bilan bog'liq jismoniy muammolar
1-jadval Hisoblashda foydalaniladigan ba'zi jismoniy parametrlar
Shakl 2(a) PG ni o'z ichiga olgan strukturaning harorati (1-struktura sifatida belgilanadi) PG dan past bo'lgan PGsiz tuzilishdan (0 tuzilma sifatida belgilanadi) yuqori va PG dan yuqoridagi 0 strukturasidan past ekanligini ko'rsatadi. Umumiy harorat gradienti oshadi va PG issiqlik izolyatori sifatida ishlaydi. 2 (b) va 2 (c) shakllarga ko'ra, xom ashyo zonasidagi 1-qurilishning eksenel va radial harorat gradyanlari kichikroq, harorat taqsimoti bir xil va materialning sublimatsiyasi to'liqroq. Xom ashyo zonasidan farqli o'laroq, 2-rasm (c) 1-chi strukturaning urug'lik kristalida radial harorat gradienti kattaroq ekanligini ko'rsatadi, bu turli xil issiqlik uzatish rejimlarining turli nisbatlari tufayli yuzaga kelishi mumkin, bu kristalning konveks interfeysi bilan o'sishiga yordam beradi. . Shakl 2(d) da tigelning turli pozitsiyalaridagi harorat o'sishning o'sishi bilan o'sish tendentsiyasini ko'rsatadi, lekin 0 struktura va 1 tuzilma o'rtasidagi harorat farqi xom ashyo zonasida asta-sekin kamayadi va o'sish kamerasida asta-sekin ortadi.
2-rasm Harorat taqsimoti va tigeldagi o'zgarishlar. (a) 0 (chapda) konstruksiya va 1-konstruksiyaning (o'ngda) tigel ichidagi haroratning 0 soatda taqsimlanishi, birlik: ℃; (b) 0 soatda xom ashyoning pastki qismidan urug 'kristaliga qadar strukturasi 0 va tuzilma 1 tigelning markaziy chizig'ida haroratning taqsimlanishi; (c) haroratning markazdan tigel chetiga urug'lik kristall yuzasi (A) va xom ashyo yuzasi (B), o'rta (C) va pastki (D) 0 soatda taqsimlanishi, gorizontal o'q r. A uchun urug 'kristal radiusi va B~D uchun xom ashyo maydoni radiusi; (d) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 0 strukturaning o'sish kamerasining yuqori qismi (A), xom ashyo yuzasi (B) va o'rta (C) markazida harorat o'zgarishi.
3-rasmda 0 konstruksiya va 1 strukturaning tigelida turli vaqtlarda material tashish ko'rsatilgan. Xom ashyo maydoni va o'sish kamerasidagi gaz fazali material oqim tezligi pozitsiyaning oshishi bilan ortadi va o'sish o'sishi bilan material tashish zaiflashadi. . 3-rasmda shuningdek, simulyatsiya sharoitida xom ashyo avval tigelning yon devorida, keyin esa tigelning pastki qismida grafitlanishini ko'rsatadi. Bundan tashqari, xom ashyo yuzasida qayta kristallanish mavjud va o'sish o'sishi bilan asta-sekin qalinlashadi. 4(a) va 4(b)-rasmlar shuni ko'rsatadiki, xom ashyo ichidagi material oqimi tezligi o'sishning rivojlanishi bilan kamayadi va 100 soatda material oqimining tezligi dastlabki momentning taxminan 50% ni tashkil qiladi; shu bilan birga, xomashyoning grafitlanishi tufayli oqim tezligi chekka qismida nisbatan katta bo'ladi va chekkadagi oqim tezligi 100 soatda o'rta hududdagi oqim tezligidan 10 baravar ko'proq; Bundan tashqari, PG ning 1-strukturadagi ta'siri 1-instruktsiyaning xom ashyo maydonidagi material oqimi tezligini 0-qurilishdagidan pastroq qiladi. o'sish kamerasi o'sish o'sib borishi bilan asta-sekin zaiflashadi va xom ashyo sohasidagi material oqimi pasayishda davom etadi, bu esa tigel chetida havo oqimi kanalining ochilishi va tepada qayta kristallanishning to'sqinlik qilishidan kelib chiqadi; o'sish kamerasida 0 strukturasining material oqimining tezligi dastlabki 30 soat ichida 16% gacha tez kamayadi va keyingi vaqtda faqat 3% ga kamayadi, 1-struktura esa butun o'sish jarayonida nisbatan barqaror bo'lib qoladi. Shuning uchun PG o'sish kamerasida material oqimi tezligini barqarorlashtirishga yordam beradi. Shakl 4(d) kristall o'sish jabhasida material oqimi tezligini taqqoslaydi. Dastlabki daqiqada va 100 soat ichida 0 strukturaning o'sish zonasida material tashish 1-qurilishdagiga qaraganda kuchliroqdir, lekin 0 strukturasining chetida har doim yuqori oqim tezligi maydoni mavjud bo'lib, bu chekkada haddan tashqari o'sishga olib keladi. . 1-strukturada PG mavjudligi bu hodisani samarali ravishda bostiradi.
3-rasm Tigeldagi material oqimi. Turli vaqtlarda 0 va 1 konstruksiyalarda gaz materiallarini tashishning oqim chiziqlari (chapda) va tezlik vektorlari (o'ngda), tezlik vektor birligi: m/s
4-rasm Materiallar oqimi tezligining o'zgarishi. (a) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 0 strukturali xom ashyoning o'rtasida material oqimining taqsimlanishining o'zgarishi, r - xom ashyo maydonining radiusi; b) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 1-tarkibiy xom ashyoning o'rtasida material oqimining taqsimlanishining o'zgarishi, r - xom ashyo maydonining radiusi; v) 0 va 1 konstruksiyalarning o'sish kamerasi (A, B) ichidagi va xom ashyo (C, D) ichidagi material oqimi tezligining vaqt o'tishi bilan o'zgarishi; (d) 0 va 100 soatlarda 0 va 1 tuzilmalarning urug 'kristal yuzasi yaqinida material oqimining taqsimlanishi, r - urug'lik kristalining radiusi
C / Si SiC kristalining o'sishining kristalli barqarorligi va nuqson zichligiga ta'sir qiladi. Shakl 5(a) dastlabki momentda ikkita strukturaning C/Si nisbati taqsimotini solishtiradi. C/Si nisbati tigelning pastdan tepasiga qarab asta-sekin pasayadi va 1-strukturaning C/Si nisbati har xil pozitsiyalarda har doim 0-strukturadan yuqori bo'ladi. 5(b) va 5(c)-rasmlar C/Si nisbati o'sish bilan asta-sekin o'sib borishini ko'rsatadi, bu o'sishning keyingi bosqichida ichki haroratning oshishi, xom ashyoning grafitlanishining kuchayishi va Si ning reaktsiyasi bilan bog'liq. grafit tigel bilan gaz fazasidagi komponentlar. 5(d)-rasmda 0 strukturasi va 1 strukturaning C/Si nisbatlari PG (0, 25 mm) ostida birmuncha farq qiladi, lekin PG (50 mm) dan biroz farq qiladi va kristallga yaqinlashganda farq asta-sekin ortadi. . Umuman olganda, 1-strukturaning C / Si nisbati yuqoriroq, bu kristall shaklni barqarorlashtirishga yordam beradi va fazaga o'tish ehtimolini kamaytiradi.
5-rasm C/Si nisbatining tarqalishi va o'zgarishi. (a) 0 (chapda) struktura va 1 (o'ngda) strukturaning tigellarida 0 soatda C/Si nisbati taqsimoti; (b) turli vaqtlarda (0, 30, 60, 100 h) 0 strukturali tigelning markaziy chizig'idan turli masofalarda C/Si nisbati; (c) turli vaqtlarda (0, 30, 60, 100 h) 1-konstruksiyaning tigelning markaziy chizig'idan turli masofalarda C/Si nisbati; (d) C/Si nisbatini turli vaqtlarda (0, 25, 50, 75, 100 mm) konstruksiya 0 (qattiq chiziq) va 1-konstruksiyadagi (kesikli chiziq) tigelning markaziy chizig'idan (0, 25, 50, 75, 100 mm) solishtirish. 30, 60, 100 soat).
6-rasmda zarrachalar diametri va ikkita strukturaning xom ashyo hududlarining g'ovakligidagi o'zgarishlar ko'rsatilgan. Rasmda ko'rinib turibdiki, xom ashyo diametri pasayadi va g'ovaklik tigel devori yaqinida ortadi va o'sishning rivojlanishi bilan chekka g'ovakligi o'sishda va zarracha diametri pasayishda davom etadi. Maksimal chekka porozligi 100 soatda taxminan 0,99 ni tashkil qiladi va zarrachalarning minimal diametri taxminan 300 mkm. Qayta kristallanishga mos keladigan xom ashyoning yuqori yuzasida zarracha diametri ortadi va g'ovaklik kamayadi. Qayta kristallanish maydonining qalinligi o'sishning rivojlanishi bilan ortadi va zarracha hajmi va g'ovakligi o'zgarishda davom etadi. Zarrachaning maksimal diametri 1500 mkm dan oshadi, minimal porozlik esa 0,13 ga teng. Bundan tashqari, PG xom ashyo maydonining haroratini oshiradi va gazning supersaturasiyasi kichik bo'lganligi sababli, 1-strukturaning xom ashyosining yuqori qismining qayta kristallanish qalinligi kichik bo'lib, xom ashyodan foydalanish darajasini yaxshilaydi.
6-rasm 0 strukturaning xom ashyo maydonining zarracha diametrining (chapda) va g'ovakligining (o'ngda) turli vaqtlarda o'zgarishi, zarracha diametri birligi: mkm
7-rasmda ko'rsatilgandek, 0 strukturasi o'sishning boshida burishadi, bu xom ashyo chetining grafitizatsiyasi natijasida yuzaga keladigan haddan tashqari material oqimi tezligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Buzilish darajasi keyingi o'sish jarayonida zaiflashadi, bu 4-rasmda (d) strukturaning 0 kristalli o'sishining old qismidagi material oqimi tezligining o'zgarishiga mos keladi. 1-strukturada PG ta'siri tufayli kristall interfeysi egrilikni ko'rsatmaydi. Bundan tashqari, PG, shuningdek, 1 strukturaning o'sish sur'atini 0 strukturasiga qaraganda sezilarli darajada pastroq qiladi. 100 soatdan keyin 1-struktura kristalining markaziy qalinligi 0 strukturasining atigi 68% ni tashkil qiladi.
7-rasm 30, 60 va 100 soatda 0 strukturasi va 1 struktura kristallarining interfeys o'zgarishlari
Kristal o'sishi raqamli simulyatsiya jarayoni sharoitida amalga oshirildi. 0 strukturasi va 1 strukturasi bo'yicha o'stirilgan kristallar mos ravishda 8(a) va 8(b) shaklda ko'rsatilgan. 0 strukturasining kristalli konkav interfeysni ko'rsatadi, markaziy maydonda to'lqinlar va chekkada fazaviy o'tish mavjud. Sirt konveksligi gaz fazali materiallarni tashishda ma'lum darajada bir hil bo'lmaganlikni ifodalaydi va fazaga o'tishning paydo bo'lishi past C / Si nisbatiga to'g'ri keladi. Struktura 1 tomonidan o'stirilgan kristallning interfeysi biroz qavariq, fazali o'tish topilmaydi va qalinligi PGsiz kristalning 65% ni tashkil qiladi. Umuman olganda, kristall o'sishi natijalari simulyatsiya natijalariga mos keladi, strukturaning 1 kristall interfeysida kattaroq radial harorat farqi bilan, chekkadagi tez o'sish bostiriladi va umumiy material oqim tezligi sekinroq. Umumiy tendentsiya raqamli simulyatsiya natijalariga mos keladi.
8-rasm 0 strukturasi va 1 strukturasi ostida o'stirilgan SiC kristallari
Xulosa
PG xom ashyo maydonining umumiy haroratini yaxshilashga va eksenel va radial haroratning bir xilligini yaxshilashga yordam beradi, xom ashyoni to'liq sublimatsiya va undan foydalanishga yordam beradi; yuqori va pastki harorat farqi ortadi va urug 'kristal yuzasining radial gradienti ortadi, bu konveks interfeysi o'sishini saqlashga yordam beradi. Ommaviy uzatish nuqtai nazaridan, PG ning kiritilishi umumiy massa uzatish tezligini pasaytiradi, PG o'z ichiga olgan o'sish kamerasidagi material oqim tezligi vaqt o'tishi bilan kamroq o'zgaradi va butun o'sish jarayoni barqarorroq bo'ladi. Shu bilan birga, PG ham haddan tashqari chekka massa o'tkazuvchanligini samarali ravishda inhibe qiladi. Bundan tashqari, PG, shuningdek, o'sish muhitining C / Si nisbatini oshiradi, ayniqsa urug 'kristal interfeysining old chetida, bu o'sish jarayonida faza o'zgarishining paydo bo'lishini kamaytirishga yordam beradi. Shu bilan birga, PG ning issiqlik izolyatsion ta'siri ma'lum darajada xom ashyoning yuqori qismida qayta kristallanishning paydo bo'lishini kamaytiradi. Kristal o'sishi uchun PG kristall o'sish tezligini sekinlashtiradi, lekin o'sish interfeysi ko'proq konveksdir. Shuning uchun PG SiC kristallarining o'sish muhitini yaxshilash va kristal sifatini optimallashtirish uchun samarali vositadir.
Xabar vaqti: 2024 yil 18-iyun