دراسة محاكاة عددية لتأثير الجرافيت المسامي على نمو بلورات كربيد السيليكون

العملية الأساسية لـكربيد السيليكونينقسم نمو البلورات إلى تسامي وتحلل المواد الخام عند درجات حرارة عالية، ونقل مواد الطور الغازي بتأثير التدرج الحراري، وإعادة تبلور مواد الطور الغازي عند بلورة البذرة. بناءً على ذلك، يُقسم الجزء الداخلي من البوتقة إلى ثلاثة أجزاء: منطقة المواد الخام، وغرفة النمو، وبلورة البذرة. رُسم نموذج محاكاة عددي بناءً على المقاومة الفعلية.كربيد السيليكونمعدات نمو البلورات المفردة (انظر الشكل 1). في الحساب: الجزء السفلي منبوتقةيقع على بُعد 90 مم من أسفل السخان الجانبي، ودرجة الحرارة العليا للبوتقة 2100 درجة مئوية، وقطر جسيمات المادة الخام 1000 ميكرومتر، ومساميتها 0.6، وضغط نموها 300 باسكال، وزمن نموها 100 ساعة. سُمك طبقة البولي جليكول 5 مم، وقطرها مساوي للقطر الداخلي للبوتقة، وتقع على بُعد 30 مم فوق المادة الخام. أُخذت في الاعتبار عمليات التسامي والكربنة وإعادة التبلور في منطقة المادة الخام عند الحساب، ولم يُؤخذ في الاعتبار تفاعل البولي جليكول مع مواد الطور الغازي. تُظهر الجدول 1 معاملات الخواص الفيزيائية المتعلقة بالحساب.

الشكل 1 نموذج حساب المحاكاة. (أ) نموذج المجال الحراري لمحاكاة نمو البلورات؛ (ب) تقسيم المساحة الداخلية للبوتقة والمشكلات الفيزيائية ذات الصلة

الجدول 1 بعض المعلمات الفيزيائية المستخدمة في الحساب

يوضح الشكل 2(أ) أن درجة حرارة الهيكل المحتوي على PG (المشار إليه بالهيكل 1) أعلى من درجة حرارة الهيكل الخالي من PG (المشار إليه بالهيكل 0) أسفل PG، وأقل من درجة حرارة الهيكل 0 أعلى PG. يزداد التدرج الحراري الكلي، ويعمل PG كعامل عازل للحرارة. ووفقًا للشكلين 2(ب) و2(ج)، فإن التدرجات الحرارية المحورية والشعاعية للهيكل 1 في منطقة المواد الخام تكون أصغر، ويكون توزيع درجة الحرارة أكثر اتساقًا، ويكون تسامي المادة أكثر اكتمالًا. وعلى عكس منطقة المواد الخام، يوضح الشكل 2(ج) أن التدرج الحراري الشعاعي عند بلورة بذرة الهيكل 1 أكبر، والذي قد يكون ناتجًا عن النسب المختلفة لأنماط نقل الحرارة المختلفة، مما يساعد البلورة على النمو بواجهة محدبة. في الشكل 2 (د)، تظهر درجة الحرارة في مواضع مختلفة في البوتقة اتجاهًا متزايدًا مع تقدم النمو، لكن الفرق في درجة الحرارة بين الهيكل 0 والهيكل 1 ينخفض ​​​​تدريجيًا في منطقة المواد الخام ويزداد تدريجيًا في غرفة النمو.

الشكل 2 توزيع درجة الحرارة والتغيرات في البوتقة. (أ) توزيع درجة الحرارة داخل بوتقة الهيكل 0 (يسار) والهيكل 1 (يمين) عند 0 ساعة، الوحدة: ℃؛ (ب) توزيع درجة الحرارة على الخط المركزي لبوتقة الهيكل 0 والهيكل 1 من أسفل المادة الخام إلى بلورة البذرة عند 0 ساعة؛ (ج) توزيع درجة الحرارة من المركز إلى حافة البوتقة على سطح بلورة البذرة (أ) وسطح المادة الخام (ب)، والوسط (ج) والقاع (د) عند 0 ساعة، المحور الأفقي r هو نصف قطر بلورة البذرة لـ A، ونصف قطر مساحة المادة الخام لـ B~D؛ (د) التغيرات في درجة الحرارة في مركز الجزء العلوي (أ)، وسطح المادة الخام (ب) والوسط (ج) من غرفة النمو للهيكل 0 والهيكل 1 عند 0 و30 و60 و100 ساعة.

يوضح الشكل 3 نقل المواد في أوقات مختلفة في بوتقة الهيكل 0 والهيكل 1. يزداد معدل تدفق مادة الطور الغازي في منطقة المواد الخام وغرفة النمو مع زيادة الموضع، ويضعف نقل المواد مع تقدم النمو. يوضح الشكل 3 أيضًا أنه في ظل ظروف المحاكاة، تتحول المادة الخام أولاً إلى جرافيت على الجدار الجانبي للبوتقة ثم إلى قاع البوتقة. بالإضافة إلى ذلك، يحدث إعادة تبلور على سطح المادة الخام وتزداد سماكة تدريجيًا مع تقدم النمو. يوضح الشكلان 4 (أ) و4 (ب) أن معدل تدفق المواد داخل المادة الخام ينخفض ​​مع تقدم النمو، وأن معدل تدفق المواد عند 100 ساعة يبلغ حوالي 50٪ من اللحظة الأولية؛ ومع ذلك، فإن معدل التدفق كبير نسبيًا عند الحافة بسبب تحول المادة الخام إلى جرافيت، وأن معدل التدفق عند الحافة يزيد عن 10 أضعاف معدل التدفق في المنطقة الوسطى عند 100 ساعة؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير PG في الهيكل 1 يجعل معدل تدفق المواد في منطقة المواد الخام للهيكل 1 أقل من معدل تدفق المواد في الهيكل 0. في الشكل 4 (ج)، يضعف تدفق المواد في كل من منطقة المواد الخام وغرفة النمو تدريجيًا مع تقدم النمو، ويستمر تدفق المواد في منطقة المواد الخام في الانخفاض، والذي يحدث بسبب فتح قناة تدفق الهواء على حافة البوتقة وإعاقة إعادة التبلور في الأعلى؛ في غرفة النمو، ينخفض ​​معدل تدفق المواد للهيكل 0 بسرعة في أول 30 ساعة إلى 16٪، وينخفض ​​​​فقط بنسبة 3٪ في الوقت اللاحق، بينما يظل الهيكل 1 مستقرًا نسبيًا طوال عملية النمو. لذلك، يساعد PG على استقرار معدل تدفق المواد في غرفة النمو. يقارن الشكل 4 (د) معدل تدفق المواد عند جبهة نمو البلورة. في اللحظة الأولى وبعد مرور ١٠٠ ساعة، يكون نقل المواد في منطقة نمو الهيكل ٠ أقوى منه في الهيكل ١، ولكن توجد دائمًا منطقة ذات معدل تدفق مرتفع عند حافة الهيكل ٠، مما يؤدي إلى نمو مفرط عند الحافة. ​​يُخفف وجود PG في الهيكل ١ هذه الظاهرة بفعالية.

الشكل 3: تدفق المواد في البوتقة. خطوط الانسيابية (يسار) ومتجهات السرعة (يمين) لنقل المواد الغازية في البنيتين 0 و1 في أوقات مختلفة، وحدة متجه السرعة: م/ث

الشكل 4 التغيرات في معدل تدفق المواد. (أ) التغيرات في توزيع معدل تدفق المواد في منتصف المادة الخام للهيكل 0 عند 0 و30 و60 و100 ساعة، r هو نصف قطر منطقة المادة الخام؛ (ب) التغيرات في توزيع معدل تدفق المواد في منتصف المادة الخام للهيكل 1 عند 0 و30 و60 و100 ساعة، r هو نصف قطر منطقة المادة الخام؛ (ج) التغيرات في معدل تدفق المواد داخل حجرة النمو (أ، ب) وداخل المادة الخام (ج، د) للهياكل 0 و1 بمرور الوقت؛ (د) توزيع معدل تدفق المواد بالقرب من سطح بلورة البذرة للهياكل 0 و1 عند 0 و100 ساعة، r هو نصف قطر بلورة البذرة

يؤثر C/Si على الاستقرار البلوري وكثافة العيوب في نمو بلورة SiC. يقارن الشكل 5 (أ) توزيع نسبة C/Si للهيكلين في اللحظة الأولية. تنخفض نسبة C/Si تدريجيًا من أسفل إلى أعلى البوتقة، وتكون نسبة C/Si للهيكل 1 دائمًا أعلى من نسبة الهيكل 0 في مواضع مختلفة. يوضح الشكلان 5 (ب) و5 (ج) أن نسبة C/Si تزداد تدريجيًا مع النمو، وهو ما يرتبط بزيادة درجة الحرارة الداخلية في المرحلة اللاحقة من النمو، وتعزيز الجرافيت للمواد الخام، وتفاعل مكونات Si في الطور الغازي مع بوتقة الجرافيت. في الشكل 5 (د)، تختلف نسب C/Si للهيكل 0 والهيكل 1 تمامًا أسفل PG (0، 25 مم)، ولكنها تختلف قليلاً فوق PG (50 مم)، ويزداد الفرق تدريجيًا كلما اقترب من البلورة. بشكل عام، تكون نسبة C/Si في البنية 1 أعلى، مما يساعد على استقرار شكل البلورة وتقليل احتمالية انتقال الطور.

الشكل 5 توزيع وتغيرات نسبة C/Si. (أ) توزيع نسبة C/Si في بوتقات الهيكل 0 (يسار) والهيكل 1 (يمين) عند 0 ساعة؛ (ب) نسبة C/Si على مسافات مختلفة من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 0 في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة)؛ (ج) نسبة C/Si على مسافات مختلفة من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 1 في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة)؛ (د) مقارنة نسبة C/Si على مسافات مختلفة (0، 25، 50، 75، 100 مم) من الخط المركزي لبوتقة الهيكل 0 (خط متصل) والهيكل 1 (خط متقطع) في أوقات مختلفة (0، 30، 60، 100 ساعة).

يوضح الشكل 6 التغيرات في قطر الجسيمات ومسامية مناطق المواد الخام في الهيكلين. يوضح الشكل أن قطر المادة الخام يتناقص وتزداد المسامية بالقرب من جدار البوتقة، وأن مسامية الحافة تستمر في التزايد ويستمر قطر الجسيمات في التناقص مع تقدم النمو. تبلغ مسامية الحافة القصوى حوالي 0.99 عند 100 ساعة، ويبلغ قطر الجسيمات الأدنى حوالي 300 ميكرومتر. يزداد قطر الجسيمات وتنخفض المسامية على السطح العلوي للمادة الخام، مما يتوافق مع إعادة التبلور. يزداد سمك منطقة إعادة التبلور مع تقدم النمو، ويستمر تغير حجم الجسيمات ومساميتها. يصل قطر الجسيمات الأقصى إلى أكثر من 1500 ميكرومتر، ويبلغ الحد الأدنى للمسامية 0.13. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن PG يزيد من درجة حرارة منطقة المواد الخام ويكون تشبع الغاز صغيرًا، فإن سمك إعادة التبلور للجزء العلوي من المادة الخام للهيكل 1 صغير، مما يحسن معدل استخدام المواد الخام.

الشكل 6 التغيرات في قطر الجسيمات (يسار) والمسامية (يمين) لمنطقة المواد الخام للهيكل 0 والهيكل 1 في أوقات مختلفة، وحدة قطر الجسيمات: ميكرومتر

يوضح الشكل 7 أن البنية 0 تتشوه في بداية نموها، وقد يكون ذلك مرتبطًا بمعدل تدفق المواد المفرط الناتج عن غرافيت حافة المادة الخام. تضعف درجة التشويه خلال عملية النمو اللاحقة، وهو ما يتوافق مع التغير في معدل تدفق المواد في مقدمة نمو بلورة البنية 0 في الشكل 4 (د). في البنية 1، وبسبب تأثير PG، لا تظهر أي تشوهات على واجهة البلورة. بالإضافة إلى ذلك، يجعل PG معدل نمو البنية 1 أقل بكثير من معدل نمو البنية 0. يبلغ سمك مركز بلورة البنية 1 بعد 100 ساعة 68% فقط من سمك البنية 0.

الشكل 7 تغيرات واجهة بلورات البنية 0 والبنية 1 عند 30 و60 و100 ساعة

أُجري نمو البلورات في ظل ظروف عملية المحاكاة العددية. تظهر البلورات التي نمت بواسطة التركيب 0 والتركيب 1 في الشكلين 8(أ) و8(ب) على التوالي. تُظهر بلورة التركيب 0 واجهة مقعرة، مع تموجات في المنطقة المركزية وانتقال طور عند الحافة. ​​يُمثل تحدب السطح درجة معينة من عدم التجانس في نقل المواد في الطور الغازي، ويتوافق حدوث انتقال الطور مع انخفاض نسبة الكربون إلى السيليكون. واجهة البلورة التي نمت بواسطة التركيب 1 محدبة قليلاً، ولم يُعثر على انتقال طور، ويبلغ سمكها 65% من البلورة بدون PG. بشكل عام، تتوافق نتائج نمو البلورات مع نتائج المحاكاة، مع وجود فرق درجة حرارة شعاعي أكبر عند واجهة البلورة للتركيب 1، ويتم قمع النمو السريع عند الحافة، ويكون معدل تدفق المادة الإجمالي أبطأ. يتوافق الاتجاه العام مع نتائج المحاكاة العددية.

الشكل 8 بلورات SiC المزروعة تحت البنية 0 والبنية 1

خاتمة

يُحسّن PG درجة الحرارة الكلية لمساحة المادة الخام، ويحسن تجانس درجة الحرارة المحورية والشعاعية، مما يُعزز التسامي الكامل والاستفادة من المادة الخام؛ إذ يزداد الفرق في درجة الحرارة بين الأعلى والأسفل، ويزداد التدرج الشعاعي لسطح بلورة البذرة، مما يُساعد على الحفاظ على نمو الواجهة المحدبة. أما من حيث انتقال الكتلة، فإن إدخال PG يُقلل من معدل انتقال الكتلة الكلي، ويتغير معدل تدفق المادة في حجرة النمو التي تحتوي على PG بشكل أقل بمرور الوقت، وتكون عملية النمو بأكملها أكثر استقرارًا. وفي الوقت نفسه، يُثبط PG أيضًا بشكل فعال حدوث انتقال كتلة الحافة المفرط. بالإضافة إلى ذلك، يزيد PG أيضًا من نسبة C/Si لبيئة النمو، وخاصةً عند الحافة الأمامية لواجهة بلورة البذرة، مما يُساعد على تقليل حدوث تغير الطور أثناء عملية النمو. وفي الوقت نفسه، يُقلل تأثير العزل الحراري لـ PG من حدوث إعادة التبلور في الجزء العلوي من المادة الخام إلى حد ما. لنمو البلورات، يُبطئ PG معدل نموها، لكن واجهة النمو تكون أكثر تحدبًا. لذلك، يُعد PG وسيلة فعّالة لتحسين بيئة نمو بلورات SiC وتحسين جودتها.