Асноўны працэсКарбід крэмніюРост крышталяў падзяляецца на сублімацыю і раскладанне сыравіны пры высокай тэмпературы, транспарціроўку рэчываў у газавай фазе пад дзеяннем градыенту тэмператур і рост рэкрышталізацыі рэчываў у газавай фазе на затраўцы. Зыходзячы з гэтага, унутраная прастора тыгля падзелена на тры часткі: зона сыравіны, камера росту і затраўка. Лікавая мадэль была пабудавана на аснове фактычнага рэзістыўнагаКарбід крэмніюабсталяванне для вырошчвання монакрышталяў (гл. малюнак 1). Пры разліку: ніжняя часткатыгельзнаходзіцца на адлегласці 90 мм ад дна бакавога награвальніка, верхняя тэмпература тыгля складае 2100 ℃, дыяметр часціц сыравіны складае 1000 мкм, парыстасць — 0,6, ціск росту — 300 Па, а час росту — 100 гадзін. Таўшчыня PG складае 5 мм, дыяметр роўны ўнутранаму дыяметру тыгля, і ён размешчаны на 30 мм вышэй за сыравіну. Працэсы сублімацыі, карбанізацыі і перакрышталізацыі зоны сыравіны ўлічваюцца ў разліку, а рэакцыя паміж PG і рэчывамі ў газавай фазе не ўлічваецца. Звязаныя з разлікам параметры фізічных уласцівасцей паказаны ў табліцы 1.
Малюнак 1. Мадэль разліковага мадэлявання. (а) Мадэль цеплавога поля для мадэлявання росту крышталяў; (б) Падзел унутранай плошчы тыгля і звязаныя з ім фізічныя праблемы
Табліца 1 Некаторыя фізічныя параметры, якія выкарыстоўваліся ў разліку
На малюнку 2(a) відаць, што тэмпература структуры, якая змяшчае PG (пазначанай як структура 1), вышэйшая, чым тэмпература структуры без PG (пазначанай як структура 0) ніжэй за PG, і ніжэйшая, чым тэмпература структуры 0 вышэй за PG. Агульны градыент тэмпературы павялічваецца, і PG дзейнічае як цеплаізаляцыйны агент. Згодна з малюнкамі 2(b) і 2(c), восевыя і радыяльныя градыенты тэмпературы структуры 1 у зоне сыравіны меншыя, размеркаванне тэмпературы больш раўнамернае, а сублімацыя матэрыялу больш поўная. У адрозненне ад зоны сыравіны, на малюнку 2(c) відаць, што радыяльны градыент тэмпературы ў затраўцы структуры 1 большы, што можа быць выклікана рознымі прапорцыямі розных рэжымаў цеплаперадачы, што спрыяе росту крышталя з выпуклай паверхняй падзелу. На малюнку 2(d) тэмпература ў розных месцах тыгля паказвае тэндэнцыю да павелічэння па меры росту, але розніца тэмператур паміж структурай 0 і структурай 1 паступова памяншаецца ў зоне сыравіны і паступова павялічваецца ў камеры росту.
Малюнак 2. Размеркаванне тэмпературы і змены ў тыглі. (a) Размеркаванне тэмпературы ўнутры тыгля структуры 0 (злева) і структуры 1 (справа) у 0 гадзін, адзінка вымярэння: ℃; (b) Размеркаванне тэмпературы па цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 і структуры 1 ад дна сыравіны да затраўкі ў 0 гадзін; (c) Размеркаванне тэмпературы ад цэнтра да краю тыгля на паверхні затраўкі (A) і паверхні сыравіны (B), сярэдзіне (C) і дне (D) у 0 гадзін, гарызантальная вось r - гэта радыус затраўкі для A і радыус плошчы сыравіны для B~D; (d) Змены тэмпературы ў цэнтры верхняй часткі (A), паверхні сыравіны (B) і сярэдзіне (C) камеры росту структуры 0 і структуры 1 у 0, 30, 60 і 100 гадзін.
На малюнку 3 паказана транспарціроўка матэрыялу ў розны час у тыглі структуры 0 і структуры 1. Хуткасць патоку матэрыялу ў газавай фазе ў зоне сыравіны і камеры росту павялічваецца з павелічэннем становішча, а транспарціроўка матэрыялу слабее па меры росту. На малюнку 3 таксама паказана, што ва ўмовах мадэлявання сыравіна спачатку графітызуецца на бакавой сценцы тыгля, а затым на дне тыгля. Акрамя таго, адбываецца перакрышталізацыя на паверхні сыравіны, і яна паступова патаўшчаецца па меры росту. На малюнках 4(a) і 4(b) паказана, што хуткасць патоку матэрыялу ўнутры сыравіны памяншаецца па меры росту, і хуткасць патоку матэрыялу праз 100 гадзін складае каля 50% ад пачатковага моманту; аднак хуткасць патоку адносна вялікая на краі з-за графітызацыі сыравіны, і хуткасць патоку на краі больш чым у 10 разоў перавышае хуткасць патоку ў сярэдняй зоне праз 100 гадзін; Акрамя таго, уплыў PG у структуры 1 зніжае хуткасць патоку матэрыялу ў зоне сыравіны структуры 1, чым у структуры 0. На малюнку 4(c) паток матэрыялу як у зоне сыравіны, так і ў камеры росту паступова слабее па меры росту, і паток матэрыялу ў зоне сыравіны працягвае змяншацца, што выклікана адкрыццём канала паветранага патоку на краі тыгля і перашкодай перакрышталізацыі ўверсе; у камеры росту хуткасць патоку матэрыялу структуры 0 хутка змяншаецца ў першыя 30 гадзін да 16%, і толькі на 3% змяншаецца ў наступны час, у той час як структура 1 застаецца адносна стабільнай на працягу ўсяго працэсу росту. Такім чынам, PG дапамагае стабілізаваць хуткасць патоку матэрыялу ў камеры росту. На малюнку 4(d) паказана параўнанне хуткасці патоку матэрыялу на фронце росту крышталя. У пачатковы момант і праз 100 гадзін перанос матэрыялу ў зоне росту структуры 0 мацнейшы, чым у структуры 1, але на краі структуры 0 заўсёды ёсць вобласць з высокай хуткасцю патоку, што прыводзіць да празмернага росту на краі. Прысутнасць PG у структуры 1 эфектыўна падаўляе гэтую з'яву.
Малюнак 3. Паток матэрыялу ў тыглі. Лініі току (злева) і вектары хуткасці (справа) пераносу газавага матэрыялу ў структурах 0 і 1 у розныя моманты часу, адзінка вымярэння вектара хуткасці: м/с
Малюнак 4. Змены хуткасці патоку матэрыялу. (a) Змены размеркавання хуткасці патоку матэрыялу ў сярэдзіне сыравіны структуры 0 пры 0, 30, 60 і 100 гадзінах, r — радыус зоны сыравіны; (b) Змены размеркавання хуткасці патоку матэрыялу ў сярэдзіне сыравіны структуры 1 пры 0, 30, 60 і 100 гадзінах, r — радыус зоны сыравіны; (c) Змены хуткасці патоку матэрыялу ўнутры камеры росту (A, B) і ўнутры сыравіны (C, D) структур 0 і 1 з цягам часу; (d) Размеркаванне хуткасці патоку матэрыялу паблізу паверхні затраўкі структур 0 і 1 пры 0 і 100 гадзінах, r — радыус затраўкі.
C/Si уплывае на крышталічную стабільнасць і шчыльнасць дэфектаў росту крышталяў SiC. На малюнку 5(a) параўноўваецца размеркаванне суадносін C/Si дзвюх структур у пачатковы момант. Суадносіны C/Si паступова памяншаюцца ад дна да верху тыгля, і суадносіны C/Si структуры 1 заўсёды вышэйшыя, чым у структуры 0 у розных пазіцыях. На малюнках 5(b) і 5(c) відаць, што суадносіны C/Si паступова павялічваюцца з ростам, што звязана з павышэннем унутранай тэмпературы на пазнейшай стадыі росту, узмацненнем графітызацыі сыравіны і рэакцыяй кампанентаў Si ў газавай фазе з графітавым тыглям. На малюнку 5(d) суадносіны C/Si структуры 0 і структуры 1 значна адрозніваюцца ніжэй за PG (0, 25 мм), але крыху адрозніваюцца вышэй за PG (50 мм), і розніца паступова павялічваецца па меры набліжэння да крышталя. У цэлым, суадносіны C/Si структуры 1 вышэйшыя, што дапамагае стабілізаваць крышталічную форму і знізіць верагоднасць фазавага пераходу.
Малюнак 5. Размеркаванне і змены суадносін C/Si. (a) Размеркаванне суадносін C/Si ў тыглях структуры 0 (злева) і структуры 1 (справа) у 0 гадзін; (b) Суадносін C/Si на розных адлегласцях ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін); (c) Суадносін C/Si на розных адлегласцях ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 1 у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін); (d) Параўнанне суадносін C/Si на розных адлегласцях (0, 25, 50, 75, 100 мм) ад цэнтральнай лініі тыгля структуры 0 (суцэльная лінія) і структуры 1 (пунцірная лінія) у розны час (0, 30, 60, 100 гадзін).
На малюнку 6 паказаны змены дыяметра часціц і парыстасці ў абласцях сыравіны дзвюх структур. З малюнка відаць, што дыяметр сыравіны памяншаецца, а парыстасць павялічваецца паблізу сценкі тыгля, прычым парыстасць краёў працягвае павялічвацца, а дыяметр часціц працягвае памяншацца па меры росту. Максімальная парыстасць краёў складае каля 0,99 праз 100 гадзін, а мінімальны дыяметр часціц — каля 300 мкм. Дыяметр часціц павялічваецца, а парыстасць памяншаецца на верхняй паверхні сыравіны, што адпавядае перакрышталізацыі. Таўшчыня зоны перакрышталізацыі павялічваецца па меры росту, а памер і парыстасць часціц працягваюць змяняцца. Максімальны дыяметр часціц дасягае больш за 1500 мкм, а мінімальная парыстасць — 0,13. Акрамя таго, паколькі PG павялічвае тэмпературу зоны сыравіны, а перасычэнне газам невялікае, таўшчыня перакрышталізацыі верхняй часткі сыравіны структуры 1 невялікая, што паляпшае каэфіцыент выкарыстання сыравіны.
Малюнак 6. Змены дыяметра часціц (злева) і парыстасці (справа) зоны сыравіны структуры 0 і структуры 1 у розны час, адзінка вымярэння дыяметра часціц: мкм
На малюнку 7 паказана, што структура 0 дэфармуецца ў пачатку росту, што можа быць звязана з празмернай хуткасцю патоку матэрыялу, выкліканай графітызацыяй краю сыравіны. Ступень дэфармацыі памяншаецца падчас наступнага працэсу росту, што адпавядае змене хуткасці патоку матэрыялу на фронце росту крышталя структуры 0 на малюнку 4 (d). У структуры 1, з-за ўздзеяння PG, крыштальная мяжа не дэфармуецца. Акрамя таго, PG таксама значна зніжае хуткасць росту структуры 1, чым у структуры 0. Цэнтральная таўшчыня крышталя структуры 1 праз 100 гадзін складае толькі 68% ад цэнтральнай таўшчыні структуры 0.
Малюнак 7. Змены на мяжы падзелу крышталяў структуры 0 і структуры 1 праз 30, 60 і 100 гадзін.
Рост крышталяў праводзіўся ў працэсе лікавага мадэлявання. Крышталі, вырашчаныя структурай 0 і структурай 1, паказаны на малюнку 8(a) і малюнку 8(b) адпаведна. Крышталь структуры 0 мае ўвагнутую мяжу паміж паверхнямі з хвалістымі паверхнямі ў цэнтральнай вобласці і фазавым пераходам на краі. Выпукласць паверхні сведчыць аб пэўнай ступені неаднастайнасці ў транспарце газафазных матэрыялаў, а ўзнікненне фазавага пераходу адпавядае нізкаму суадносінам C/Si. Мяжа паміж паверхнямі крышталя, вырашчанага структурай 1, злёгку выпуклая, фазавага пераходу не выяўлена, а таўшчыня складае 65% ад таўшчыні крышталя без PG. У цэлым, вынікі росту крышталяў адпавядаюць вынікам мадэлявання, з большай радыяльнай розніцай тэмператур на крышталічнай мяжы структуры 1, хуткі рост на краі падаўляецца, а агульная хуткасць патоку матэрыялу павольнейшая. Агульная тэндэнцыя адпавядае вынікам лікавага мадэлявання.
Малюнак 8. Крышталі SiC, вырашчаныя ў рамках структуры 0 і структуры 1
Выснова
ПГ спрыяе паляпшэнню агульнай тэмпературы зоны сыравіны і паляпшэнню аднастайнасці тэмпературы па восевых і радыяльных дыяпазонах, што спрыяе поўнай сублімацыі і выкарыстанню сыравіны; павялічваецца розніца тэмператур паміж верхняй і ніжняй часткамі, а таксама павялічваецца радыяльны градыент паверхні затравочнага крышталя, што дапамагае падтрымліваць рост выпуклай мяжы паміж паверхнямі. Што тычыцца масапераносу, увядзенне ПГ зніжае агульную хуткасць масапераносу, хуткасць патоку матэрыялу ў камеру росту, якая змяшчае ПГ, змяняецца з часам менш, і ўвесь працэс росту становіцца больш стабільным. У той жа час ПГ таксама эфектыўна перашкаджае ўзнікненню празмернага краёвага масапераносу. Акрамя таго, ПГ таксама павялічвае суадносіны C/Si ў асяроддзі росту, асабліва на пярэднім краі мяжы паміж затравочным крышталем, што дапамагае паменшыць узнікненне фазавых змен падчас працэсу росту. У той жа час цеплаізаляцыйны эфект ПГ да пэўнай ступені памяншае ўзнікненне перакрышталізацыі ў верхняй частцы сыравіны. Пры росце крышталяў ПГ запавольвае хуткасць росту крышталя, але мяжа паміж паверхнямі росту становіцца больш выпуклай. Такім чынам, PG з'яўляецца эфектыўным сродкам паляпшэння асяроддзя росту крышталяў SiC і аптымізацыі якасці крышталяў.
Час публікацыі: 18 чэрвеня 2024 г.