Əsas prosesSiCKristal böyüməsi xammalın yüksək temperaturda sublimasiyası və parçalanması, temperatur qradiyentinin təsiri altında qaz fazalı maddələrin daşınması və toxum kristalında qaz fazalı maddələrin yenidən kristallaşması böyüməsinə bölünür. Buna əsasən, tiyənin daxili hissəsi üç hissəyə bölünür: xammal sahəsi, böyümə kamerası və toxum kristalı. Faktiki müqavimətə əsaslanaraq ədədi simulyasiya modeli çəkilmişdir.SiCtək kristal böyümə avadanlığı (Şəkil 1-ə baxın). Hesablamada: alt hissəsiçuxurYan qızdırıcının dibindən 90 mm məsafədə yerləşir, potanın yuxarı temperaturu 2100 ℃, xammal hissəciklərinin diametri 1000 μm, məsaməlilik 0,6, böyümə təzyiqi 300 Pa və böyümə müddəti 100 saatdır. PG qalınlığı 5 mm, diametri potanın daxili diametrinə bərabərdir və xammaldan 30 mm yuxarıda yerləşir. Xammal zonasının sublimasiya, karbonlaşma və yenidən kristallaşma prosesləri hesablamada nəzərə alınır və PG ilə qaz fazalı maddələr arasındakı reaksiya nəzərə alınmır. Hesablama ilə əlaqəli fiziki xüsusiyyət parametrləri Cədvəl 1-də göstərilmişdir.
Şəkil 1 Simulyasiya hesablama modeli. (a) Kristal böyümə simulyasiyası üçün istilik sahəsi modeli; (b) Ocağın daxili sahəsinin bölünməsi və əlaqəli fiziki problemlər
Cədvəl 1 Hesablamada istifadə edilən bəzi fiziki parametrlər
Şəkil 2(a) göstərir ki, PG tərkibli strukturun (struktur 1 kimi işarələnir) temperaturu PG-dən aşağıda PG-siz strukturun (struktur 0 kimi işarələnir) temperaturundan yüksək, PG-dən yuxarıda isə 0 strukturun temperaturundan aşağıdır. Ümumi temperatur qradiyenti artır və PG istilik izolyasiyaedici vasitə kimi çıxış edir. Şəkil 2(b) və 2(c)-yə görə, xammal zonasında 1 strukturun ox və radial temperatur qradiyentləri daha kiçikdir, temperatur paylanması daha vahiddir və materialın sublimasiyası daha tamdır. Xammal zonasından fərqli olaraq, Şəkil 2(c) göstərir ki, 1 strukturun toxum kristalında radial temperatur qradiyenti daha böyükdür və bu, müxtəlif istilik ötürmə rejimlərinin fərqli nisbətlərindən qaynaqlana bilər ki, bu da kristalın qabarıq interfeyslə böyüməsinə kömək edir. Şəkil 2(d)-də, potanın müxtəlif mövqelərindəki temperatur böyümə irəlilədikcə artan bir meyl göstərir, lakin 0 strukturu ilə 1 strukturu arasındakı temperatur fərqi xammal zonasında tədricən azalır və böyümə kamerasında tədricən artır.
Şəkil 2. Ocağın temperatur paylanması və dəyişiklikləri. (a) 0 (solda) strukturu və 1 (sağda) strukturunun ocağın içərisində 0 saatda temperatur paylanması, vahid: ℃; (b) 0 saatda 0 strukturu və 1 strukturunun ocağın mərkəzi xətti üzrə xammalın dibindən toxum kristalına qədər temperatur paylanması; (c) 0 saatda toxum kristal səthində (A) və xammal səthində (B), ortada (C) və dibdə (D) mərkəzdən ocağın kənarına qədər temperatur paylanması, üfüqi ox r A üçün toxum kristalının radiusu və B~D üçün xammal sahəsinin radiusudur; (d) 0, 30, 60 və 100 saatda 0 strukturu və 1 strukturunun böyümə kamerasının yuxarı hissəsinin (A), xammal səthinin (B) və ortasında (C) temperatur dəyişiklikləri.
Şəkil 3, 0 və 1 saylı strukturların çuxurunda müxtəlif vaxtlarda material daşınmasını göstərir. Xammal sahəsində və böyümə kamerasında qaz fazalı material axını sürəti mövqenin artması ilə artır və böyümə irəlilədikcə material daşınması zəifləyir. Şəkil 3 həmçinin göstərir ki, simulyasiya şəraitində xammal əvvəlcə çuxurun yan divarında, sonra isə çuxurun alt hissəsində qrafitləşir. Bundan əlavə, xammalın səthində yenidən kristallaşma baş verir və böyümə irəlilədikcə tədricən qalınlaşır. Şəkil 4(a) və 4(b) göstərir ki, xammalın içərisindəki material axını sürəti böyümə irəlilədikcə azalır və 100 saatda material axını sürəti ilkin anın təxminən 50%-ni təşkil edir; lakin, xammalın qrafitləşməsi səbəbindən kənarda axın sürəti nisbətən böyükdür və kənardakı axın sürəti 100 saatda orta sahədəki axın sürətindən 10 dəfədən çoxdur; Bundan əlavə, PG-nin 1-ci strukturda təsiri 1-ci strukturun xammal sahəsindəki material axını sürətini 0-cu strukturundakından aşağı edir. Şəkil 4(c)-də həm xammal sahəsindəki, həm də böyümə kamerasındakı material axını böyümə irəlilədikcə tədricən zəifləyir və xammal sahəsindəki material axını azalmağa davam edir ki, bu da potanın kənarında hava axını kanalının açılması və yuxarı hissədə yenidən kristallaşmanın qarşısının alınması ilə əlaqədardır; böyümə kamerasında 0-cu strukturun material axını sürəti ilk 30 saatda sürətlə 16%-ə qədər azalır və sonrakı müddətdə yalnız 3% azalır, 1-ci struktur isə böyümə prosesi boyunca nisbətən sabit qalır. Buna görə də, PG böyümə kamerasındakı material axını sürətini sabitləşdirməyə kömək edir. Şəkil 4(d) kristal böyümə cəbhəsindəki material axını sürətini müqayisə edir. İlkin anda və 100 saatda 0 strukturunun böyümə zonasında material daşınması 1 strukturundakından daha güclüdür, lakin 0 strukturunun kənarında həmişə yüksək axın sürəti sahəsi olur ki, bu da kənarda həddindən artıq böyüməyə səbəb olur. 1 strukturunda PG-nin olması bu fenomeni effektiv şəkildə yatırır.
Şəkil 3. Ocaqda material axını. 0 və 1 strukturlarında müxtəlif vaxtlarda qaz materialının daşınmasının axıcı xətləri (solda) və sürət vektorları (sağda), sürət vektoru vahidi: m/s
Şəkil 4 Material axını sürətindəki dəyişikliklər. (a) 0, 30, 60 və 100 saatda 0 strukturunun xammalının ortasında material axını sürətinin paylanmasındakı dəyişikliklər, r xammal sahəsinin radiusudur; (b) 0, 30, 60 və 100 saatda 1 strukturunun xammalının ortasında material axını sürətinin paylanmasındakı dəyişikliklər, r xammal sahəsinin radiusudur; (c) 0 və 1 strukturlarının böyümə kamerasının (A, B) daxilində və xammal (C, D) daxilində material axını sürətinin zamanla dəyişiklikləri; (d) 0 və 1 strukturlarının toxum kristal səthinə yaxın material axını sürətinin 0 və 100 saatda paylanması, r toxum kristalının radiusudur
C/Si, SiC kristal böyüməsinin kristal sabitliyinə və qüsur sıxlığına təsir göstərir. Şəkil 5(a) ilkin anda iki strukturun C/Si nisbəti paylanmasını müqayisə edir. C/Si nisbəti tədricən çuxurun aşağısından yuxarısına doğru azalır və 1-ci strukturun C/Si nisbəti həmişə fərqli mövqelərdə 0-cu strukturun nisbətindən yüksəkdir. Şəkil 5(b) və 5(c) göstərir ki, C/Si nisbəti böyümə ilə tədricən artır ki, bu da böyümənin sonrakı mərhələsində daxili temperaturun artması, xammalın qrafitləşməsinin artması və qaz fazasında Si komponentlərinin qrafit çuxuru ilə reaksiyası ilə əlaqədardır. Şəkil 5(d)-də 0-cu strukturun və 1-ci strukturun C/Si nisbətləri PG-dən (0, 25 mm) aşağıda olduqca fərqlidir, lakin PG-dən (50 mm) yuxarıda bir qədər fərqlidir və fərq kristala yaxınlaşdıqca tədricən artır. Ümumiyyətlə, 1-ci strukturun C/Si nisbəti daha yüksəkdir ki, bu da kristal formasını sabitləşdirməyə və faza keçidi ehtimalını azaltmağa kömək edir.
Şəkil 5 C/Si nisbətinin paylanması və dəyişiklikləri. (a) 0-cu strukturun (solda) və 1-ci strukturun (sağda) çuxurlarında 0 saatda C/Si nisbətinin paylanması; (b) 0-cu strukturun çuxurunun mərkəz xəttindən müxtəlif vaxtlarda (0, 30, 60, 100 saat) fərqli məsafələrdə C/Si nisbəti; (c) 1-ci strukturun çuxurunun mərkəz xəttindən müxtəlif vaxtlarda (0, 30, 60, 100 saat) fərqli məsafələrdə C/Si nisbəti; (d) 0-cu strukturun (tam xətt) və 1-ci strukturun (kəsikli xətt) çuxurunun mərkəz xəttindən müxtəlif vaxtlarda (0, 30, 60, 100 saat) fərqli məsafələrdə (0, 25, 50, 75, 100 mm) C/Si nisbətinin müqayisəsi.
Şəkil 6 iki strukturun xammal bölgələrinin hissəcik diametri və məsaməliliyindəki dəyişiklikləri göstərir. Şəkil göstərir ki, xammalın diametri azalır və məsaməlilik çuxur divarının yaxınlığında artır, kənar məsaməlilik isə böyümə irəlilədikcə azalmağa davam edir. Maksimum kənar məsaməliliyi 100 saatda təxminən 0,99, minimum hissəcik diametri isə təxminən 300 μm-dir. Xammalın yuxarı səthində hissəcik diametri artır və məsaməlilik azalır ki, bu da yenidən kristallaşmaya uyğun gəlir. Böyümə irəlilədikcə yenidən kristallaşma sahəsinin qalınlığı artır və hissəcik ölçüsü və məsaməliliyi dəyişməyə davam edir. Maksimum hissəcik diametri 1500 μm-dən çox, minimum məsaməlilik isə 0,13-dür. Bundan əlavə, PG xammal sahəsinin temperaturunu artırdığı və qazın həddindən artıq doyması az olduğundan, 1-ci strukturun xammalının yuxarı hissəsinin yenidən kristallaşma qalınlığı azdır ki, bu da xammalın istifadə nisbətini yaxşılaşdırır.
Şəkil 6 Müxtəlif vaxtlarda 0 strukturunun və 1 strukturunun xammal sahəsinin hissəcik diametrinin (solda) və məsaməliliyinin (sağda) dəyişiklikləri, hissəcik diametri vahidi: μm
Şəkil 7 göstərir ki, 0 strukturu böyümənin əvvəlində əyilir ki, bu da xammal kənarının qrafitləşməsi nəticəsində yaranan həddindən artıq material axını sürəti ilə əlaqəli ola bilər. Əyilmə dərəcəsi sonrakı böyümə prosesi zamanı zəifləyir ki, bu da Şəkil 4-də (d) göstərilən 0 strukturunun kristal böyüməsinin ön hissəsindəki material axını sürətindəki dəyişikliyə uyğundur. 1 strukturunda, PG-nin təsiri səbəbindən kristal interfeysi əyilmə göstərmir. Bundan əlavə, PG həmçinin 1 strukturunun böyümə sürətini 0 strukturunun artım sürətindən xeyli aşağı edir. 100 saatdan sonra 1 strukturunun kristalının mərkəz qalınlığı 0 strukturunun qalınlığının yalnız 68%-ni təşkil edir.
Şəkil 7. 0 strukturu və 1 strukturu kristallarının 30, 60 və 100 saatda interfeys dəyişiklikləri
Kristalların böyüməsi ədədi simulyasiya prosesinin şərtləri altında həyata keçirilmişdir. 0 və 1-ci struktur tərəfindən yetişdirilən kristallar müvafiq olaraq Şəkil 8(a) və Şəkil 8(b)-də göstərilmişdir. 0-cı strukturun kristalı mərkəzi sahədə dalğalanmalar və kənarında faza keçidi olan içbükey bir interfeys göstərir. Səth qabarıqlığı qaz fazalı materialların daşınmasında müəyyən dərəcədə qeyri-bərabərliyi təmsil edir və faza keçidinin baş verməsi aşağı C/Si nisbətinə uyğundur. 1-ci struktur tərəfindən yetişdirilən kristalın interfeysi bir qədər qabarıqdır, heç bir faza keçidi tapılmır və qalınlığı PG olmadan kristalın 65%-ni təşkil edir. Ümumiyyətlə, kristalların böyümə nəticələri simulyasiya nəticələrinə uyğundur, 1-ci strukturun kristal interfeysində daha böyük radial temperatur fərqi ilə kənarda sürətli böyümə basılır və ümumi material axını sürəti daha yavaş olur. Ümumi trend ədədi simulyasiya nəticələri ilə uyğundur.
Şəkil 8 0 və 1-ci struktur altında yetişdirilən SiC kristalları
Nəticə
PG, xammalın ümumi temperaturunun yaxşılaşdırılmasına və ox və radial temperatur vahidliyinin yaxşılaşdırılmasına kömək edir, xammalın tam sublimasiyasını və istifadəsini təşviq edir; yuxarı və aşağı temperatur fərqi artır və toxum kristal səthinin radial qradiyenti artır ki, bu da qabarıq interfeys böyüməsinin qorunmasına kömək edir. Kütlə ötürülməsi baxımından, PG-nin tətbiqi ümumi kütlə ötürülmə sürətini azaldır, PG ehtiva edən böyümə kamerasında material axını sürəti zamanla daha az dəyişir və bütün böyümə prosesi daha sabitdir. Eyni zamanda, PG həmçinin həddindən artıq kənar kütlə ötürülməsinin baş verməsinin qarşısını effektiv şəkildə alır. Bundan əlavə, PG həmçinin böyümə mühitinin, xüsusən də toxum kristal interfeysinin ön kənarında C/Si nisbətini artırır ki, bu da böyümə prosesi zamanı faza dəyişikliyinin baş verməsini azaltmağa kömək edir. Eyni zamanda, PG-nin istilik izolyasiya təsiri xammalın yuxarı hissəsində yenidən kristallaşmanın baş verməsini müəyyən dərəcədə azaldır. Kristal böyüməsi üçün PG kristal böyümə sürətini yavaşlatır, lakin böyümə interfeysi daha qabarıqdır. Buna görə də, PG, SiC kristallarının böyümə mühitini yaxşılaşdırmaq və kristal keyfiyyətini optimallaşdırmaq üçün təsirli bir vasitədir.
Yazı vaxtı: 18 iyun 2024