PõhiprotsessränikarbiidKristallide kasv jaguneb tooraine sublimatsiooniks ja lagunemiseks kõrgel temperatuuril, gaasifaasi ainete transpordiks temperatuurigradiendi toimel ja gaasifaasi ainete rekristalliseerumise kasvuks seemnekristallis. Selle põhjal jagatakse tiigli sisemus kolmeks osaks: tooraine piirkond, kasvukamber ja seemnekristall. Tegeliku takistuse põhjal koostati numbriline simulatsioonimudel.ränikarbiidmonokristalli kasvuseade (vt joonis 1). Arvutuses: alumine osatiigelasub külgküttekeha põhjast 90 mm kaugusel, tiigli ülemine temperatuur on 2100 ℃, tooraine osakeste läbimõõt on 1000 μm, poorsus on 0,6, kasvurõhk on 300 Pa ja kasvuaeg on 100 tundi. PG paksus on 5 mm, läbimõõt on võrdne tiigli siseläbimõõduga ja see asub toorainest 30 mm kõrgusel. Arvutuses on arvesse võetud tooraine tsooni sublimatsiooni-, karbonisatsiooni- ja rekristallisatsiooniprotsesse ning PG ja gaasifaasi ainete vahelist reaktsiooni ei ole arvesse võetud. Arvutusega seotud füüsikaliste omaduste parameetrid on esitatud tabelis 1.
Joonis 1. Simulatsiooni arvutusmudel. (a) Kristallikasvu simulatsiooni termilise välja mudel; (b) Tiigli sisepinna jaotus ja sellega seotud füüsikalised probleemid
Tabel 1 Mõned arvutustes kasutatud füüsikalised parameetrid
Joonisel 2(a) on näidatud, et PG-d sisaldava struktuuri (tähistatud kui struktuur 1) temperatuur on kõrgem kui PG-vaba struktuuri (tähistatud kui struktuur 0) temperatuur PG all ja madalam kui struktuuri 0 temperatuur PG kohal. Üldine temperatuurigradient suureneb ja PG toimib soojusisolatsiooniainena. Joonistel 2(b) ja 2(c) on näidatud, et struktuuri 1 aksiaalne ja radiaalne temperatuurigradient tooraine tsoonis on väiksem, temperatuurijaotus on ühtlasem ja materjali sublimatsioon on täielikum. Erinevalt tooraine tsoonist näitab joonis 2(c), et struktuuri 1 seemnekristalli radiaalne temperatuurigradient on suurem, mis võib olla tingitud erinevate soojusülekandeviiside erinevatest proportsioonidest, mis aitab kristallil kasvada kumera liidesega. Joonisel 2(d) näitab temperatuur tiigli erinevates positsioonides kasvu edenedes tõusutrendi, kuid struktuuri 0 ja struktuuri 1 temperatuuride erinevus väheneb järk-järgult tooraine tsoonis ja suureneb järk-järgult kasvukambris.
Joonis 2. Temperatuurijaotus ja muutused tiiglis. (a) Temperatuurijaotus struktuuri 0 (vasakul) ja struktuuri 1 (paremal) tiiglis ajahetkel 0 h, ühik: ℃; (b) Temperatuurijaotus struktuuri 0 ja struktuuri 1 tiigli keskjoonel tooraine põhjast seemnekristallini ajahetkel 0 h; (c) Temperatuurijaotus tiigli keskpunktist servani seemnekristalli pinnal (A) ja tooraine pinnal (B), keskel (C) ja all (D) ajahetkel 0 h, horisontaaltelg r on seemnekristalli raadius A jaoks ja tooraine pindala raadius B~D jaoks; (d) Temperatuurimuutused struktuuri 0 ja struktuuri 1 kasvukambri ülemise osa (A), tooraine pinna (B) ja keskmise (C) keskel ajahetkedel 0, 30, 60 ja 100 h.
Joonis 3 näitab materjali transporti erinevatel aegadel struktuuri 0 ja struktuuri 1 tiiglis. Gaasifaasi materjali voolukiirus tooraine piirkonnas ja kasvukambris suureneb positsiooni suurenemisega ning materjali transport nõrgeneb kasvu edenedes. Joonis 3 näitab ka, et simulatsioonitingimustes grafitiseerub tooraine esmalt tiigli külgseinal ja seejärel tiigli põhjas. Lisaks toimub tooraine pinnal rekristalliseerumine ja see pakseneb järk-järgult kasvu edenedes. Joonised 4(a) ja 4(b) näitavad, et materjali voolukiirus tooraine sees väheneb kasvu edenedes ja materjali voolukiirus 100 h juures on umbes 50% algmomendist; voolukiirus on aga serval suhteliselt suur tooraine grafitiseerumise tõttu ja voolukiirus serval on enam kui 10 korda suurem kui voolukiirus keskmises piirkonnas 100 h juures. Lisaks muudab PG mõju struktuuris 1 materjali voolukiiruse struktuuri 1 tooraine piirkonnas struktuuri 0 omast madalamaks. Joonisel 4(c) nõrgeneb materjali voog nii tooraine piirkonnas kui ka kasvukambris järk-järgult kasvu edenedes ning materjali voog tooraine piirkonnas väheneb jätkuvalt, mis on tingitud õhuvoolukanali avanemisest tiigli servas ja rekristalliseerumise takistamisest ülaosas; kasvukambris väheneb struktuuri 0 materjali voolukiirus esimese 30 tunni jooksul kiiresti 16%-ni ja järgneva aja jooksul vaid 3%, samas kui struktuur 1 jääb kogu kasvuprotsessi vältel suhteliselt stabiilseks. Seega aitab PG stabiliseerida materjali voolukiirust kasvukambris. Joonisel 4(d) võrreldakse materjali voolukiirust kristallide kasvurindel. Alghetkel ja 100 tunni möödudes on struktuuri 0 kasvutsoonis materjali transport tugevam kui struktuuris 1, kuid struktuuri 0 servas on alati suure voolukiirusega ala, mis viib serva liigse kasvuni. PG olemasolu struktuuris 1 pärsib seda nähtust tõhusalt.
Joonis 3. Materjali voog tiiglis. Gaasi materjali transpordi voolujooned (vasakul) ja kiirusvektorid (paremal) struktuurides 0 ja 1 erinevatel aegadel, kiirusvektori ühik: m/s
Joonis 4. Materjali voolukiiruse muutused. (a) Materjali voolukiiruse jaotuse muutused struktuuri 0 toormaterjali keskel ajahetkedel 0, 30, 60 ja 100 h, r on toormaterjali ala raadius; (b) Materjali voolukiiruse jaotuse muutused struktuuri 1 toormaterjali keskel ajahetkedel 0, 30, 60 ja 100 h, r on toormaterjali ala raadius; (c) Materjali voolukiiruse muutused kasvukambris (A, B) ja struktuuride 0 ja 1 toormaterjali sees (C, D) aja jooksul; (d) Materjali voolukiiruse jaotus struktuuride 0 ja 1 seemnekristalli pinna lähedal ajahetkedel 0 ja 100 h, r on seemnekristalli raadius.
C/Si mõjutab SiC kristallide kasvu kristallilist stabiilsust ja defektide tihedust. Joonis 5(a) võrdleb kahe struktuuri C/Si suhte jaotust alghetkel. C/Si suhe väheneb järk-järgult tiigli põhjast ülespoole ning struktuuri 1 C/Si suhe on erinevates positsioonides alati kõrgem kui struktuuril 0. Joonised 5(b) ja 5(c) näitavad, et C/Si suhe suureneb järk-järgult kasvuga, mis on seotud sisetemperatuuri tõusuga kasvu hilisemas etapis, tooraine grafitiseerumise suurenemisega ja Si komponentide reaktsiooniga gaasifaasis grafiittiigliga. Joonisel 5(d) on struktuuri 0 ja struktuuri 1 C/Si suhted üsna erinevad alla PG (0, 25 mm), kuid veidi erinevad üle PG (50 mm) ning erinevus suureneb järk-järgult kristallile lähenedes. Üldiselt on struktuuri 1 C/Si suhe kõrgem, mis aitab stabiliseerida kristallivormi ja vähendada faasisiirde tõenäosust.
Joonis 5. C/Si suhte jaotus ja muutused. (a) C/Si suhte jaotus struktuuriga 0 (vasakul) ja struktuuriga 1 (paremal) tiiglites ajahetkel 0 h; (b) C/Si suhe erinevatel kaugustel struktuuriga 0 tiigli keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si suhe erinevatel kaugustel struktuuriga 1 tiigli keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h); (d) C/Si suhte võrdlus erinevatel kaugustel (0, 25, 50, 75, 100 mm) struktuuriga 0 (pidev joon) ja struktuuriga 1 (katkendlik joon) tiigli keskjoonest erinevatel aegadel (0, 30, 60, 100 h).
Joonis 6 näitab kahe struktuuri tooraine piirkondade osakeste läbimõõdu ja poorsuse muutusi. Jooniselt on näha, et tooraine läbimõõt väheneb ja poorsus suureneb tiigli seina lähedal ning servapoorsus suureneb jätkuvalt ja osakeste läbimõõt väheneb jätkuvalt kasvu edenedes. Maksimaalne servapoorsus on 100 tunni pärast umbes 0,99 ja minimaalne osakeste läbimõõt on umbes 300 μm. Osakeste läbimõõt suureneb ja poorsus väheneb tooraine ülemisel pinnal, mis vastab rekristalliseerumisele. Rekristalliseerumisala paksus suureneb kasvu edenedes ning osakeste suurus ja poorsus muutuvad jätkuvalt. Maksimaalne osakeste läbimõõt ulatub üle 1500 μm ja minimaalne poorsus on 0,13. Lisaks, kuna PG tõstab tooraine piirkonna temperatuuri ja gaasi üleküllastumine on väike, on struktuuri 1 tooraine ülemise osa rekristalliseerumispaksus väike, mis parandab tooraine kasutusmäära.
Joonis 6. Struktuuri 0 ja struktuuri 1 toormaterjali piirkonna osakeste läbimõõdu (vasakul) ja poorsuse (paremal) muutused erinevatel aegadel, osakeste läbimõõdu ühik: μm
Joonis 7 näitab, et struktuur 0 kõverdub kasvu alguses, mis võib olla seotud toormaterjali serva grafitiseerumisest tingitud liigse materjali voolukiirusega. Järgneva kasvuprotsessi käigus kõverdumise aste nõrgeneb, mis vastab materjali voolukiiruse muutusele struktuuri 0 kristalli kasvu esiosas joonisel 4 (d). Struktuuris 1 ei näita PG mõjul kristalli piirpind kõverdumist. Lisaks muudab PG struktuuri 1 kasvukiiruse oluliselt madalamaks kui struktuuril 0. Struktuuri 1 kristalli keskosa paksus on 100 tunni pärast vaid 68% struktuuri 0 omast.
Joonis 7. Struktuuri 0 ja struktuuri 1 kristallide piirpindade muutused 30, 60 ja 100 tunni möödudes.
Kristallide kasvatamine viidi läbi numbrilise simulatsiooni protsessitingimustes. Struktuuri 0 ja struktuuri 1 abil kasvatatud kristallid on näidatud vastavalt joonisel 8(a) ja joonisel 8(b). Struktuuri 0 kristallil on nõgus piirpind, mille keskosas on lainetus ja servas faasisiire. Pinna kumerus näitab gaasifaasi materjalide transpordi teatud ebaühtlust ning faasisiirete esinemine vastab madalale C/Si suhtele. Struktuuri 1 abil kasvatatud kristalli piirpind on kergelt kumer, faasisiirdeid ei esine ja faasisiirete esinemine vastab madalale C/Si suhtele. Struktuuri 1 abil kasvatatud kristalli piirpind on kergelt kumer, faasisiirdeid ei esine ja kristalli paksus on 65% ilma PG-ta kristalli paksusest. Üldiselt vastavad kristallikasvu tulemused simulatsiooni tulemustele, kusjuures struktuuri 1 kristalli piirpinnal on suurem radiaalne temperatuuride erinevus, servas on kiire kasv pärsitud ja materjali üldine voolukiirus on aeglasem. Üldine trend on kooskõlas numbrilise simulatsiooni tulemustega.
Joonis 8. Struktuuri 0 ja struktuuri 1 all kasvatatud SiC kristallid
Kokkuvõte
PG soodustab tooraine piirkonna üldise temperatuuri paranemist ja aksiaalse ning radiaalse temperatuuri ühtluse paranemist, soodustades tooraine täielikku sublimatsiooni ja kasutamist; ülemise ja alumise temperatuuri erinevus suureneb ning seemnekristalli pinna radiaalne gradient suureneb, mis aitab säilitada kumera liidese kasvu. Massiülekande osas vähendab PG lisamine üldist massiülekande kiirust, materjali voolukiirus PG-d sisaldavas kasvukambris muutub aja jooksul vähem ja kogu kasvuprotsess on stabiilsem. Samal ajal pärsib PG tõhusalt ka liigset serva massiülekannet. Lisaks suurendab PG ka kasvukeskkonna C/Si suhet, eriti seemnekristalli liidese esiservas, mis aitab vähendada faasimuutuste esinemist kasvuprotsessi ajal. Samal ajal vähendab PG soojusisolatsiooniefekt teatud määral rekristalliseerumise esinemist tooraine ülemises osas. Kristallide kasvu puhul aeglustab PG kristallide kasvukiirust, kuid kasvuliides on kumeram. Seega on PG tõhus vahend SiC kristallide kasvukeskkonna parandamiseks ja kristallide kvaliteedi optimeerimiseks.
Postituse aeg: 18. juuni 2024