Oinarrizko prozesua.SiCKristalen hazkuntza honako hauetan banatzen da: lehengaien sublimazioa eta deskonposizioa tenperatura altuan, gas-faseko substantzien garraioa tenperatura-gradientearen eraginpean, eta gas-faseko substantzien birkristalizazio-hazkuntza hazi-kristalean. Horretan oinarrituta, gurutzaren barnealdea hiru zatitan banatzen da: lehengaien eremua, hazkuntza-ganbera eta hazi-kristala. Simulazio-eredu numeriko bat marraztu zen benetako erresistentzia-mailan oinarrituta.SiCkristal bakarreko hazkuntza-ekipoa (ikus 1. irudia). Kalkuluan: beheko aldeagurutzealboko berogailuaren behealdetik 90 mm-ra dago, gurutzaren goiko tenperatura 2100 ℃ da, lehengaiaren partikularen diametroa 1000 μm da, porositatea 0,6 da, hazkuntza-presioa 300 Pa da eta hazkuntza-denbora 100 h da. PG lodiera 5 mm-koa da, diametroa gurutzaren barne-diametroaren berdina da eta lehengaiaren gainetik 30 mm-ra dago. Lehengaiaren eremuaren sublimazio, karbonizazio eta birkristalizazio prozesuak kalkuluan kontuan hartzen dira, eta PG eta gas-faseko substantzien arteko erreakzioa ez da kontuan hartzen. Kalkuluarekin lotutako propietate fisikoen parametroak 1. taulan ageri dira.
1. irudia Simulazio-kalkulu eredua. (a) Kristalen hazkuntza simulatzeko eremu termikoaren eredua; (b) Gurgolaren barne-eremuaren zatiketa eta lotutako arazo fisikoak
1. taula Kalkuluan erabilitako parametro fisiko batzuk
2(a) irudiak erakusten du PG duen egituraren (1 egitura gisa adierazita) tenperatura PG azpitik PG gabeko egituraren (0 egitura gisa adierazita) baino handiagoa dela, eta PG gainetik 0 egituraren baino txikiagoa. Tenperatura-gradiente orokorra handitzen da, eta PG-k bero-isolatzaile gisa jokatzen du. 2(b) eta 2(c) irudien arabera, 1 egituraren tenperatura-gradiente axial eta erradialak lehengai-eremuan txikiagoak dira, tenperatura-banaketa uniformeagoa da eta materialaren sublimazioa osoagoa da. Lehengai-eremuaren aldean, 2(c) irudiak erakusten du 1 egituraren hazi-kristaleko tenperatura-gradiente erradiala handiagoa dela, eta hori bero-transferentzia modu desberdinen proportzio desberdinek eragin dezakete, eta horrek kristala interfaze ganbil batekin hazten laguntzen du. 2(d) irudian, gurutze-puntu desberdinetako tenperaturak goranzko joera erakusten du hazkundea aurrera egin ahala, baina 0 egituraren eta 1 egituraren arteko tenperatura-aldea pixkanaka gutxitzen da lehengai-eremuan eta pixkanaka handitzen da hazkuntza-ganberan.
2. irudia Tenperaturaren banaketa eta aldaketak gurutzean. (a) 0 egituraren (ezkerrean) eta 1 egituraren (eskuinean) gurutzean tenperaturaren banaketa 0 ordutan, unitatea: ℃; (b) 0 egituraren eta 1 egituraren gurutzean tenperaturaren banaketa erdiko lerroan, lehengaiaren behealdetik hazi-kristaleraino 0 ordutan; (c) Tenperaturaren banaketa erdialdetik gurutzean hazi-kristalaren gainazalean (A) eta lehengaiaren gainazalean (B), erdialdean (C) eta behealdean (D) 0 ordutan, r ardatz horizontala A-ren hazi-kristalaren erradioa da, eta B~D-ren lehengaiaren azaleraren erradioa; (d) 0 egituraren eta 1 egituraren hazkuntza-ganberaren goiko zatiaren erdialdean (A), lehengaiaren gainazalean (B) eta erdialdean (C) 0, 30, 60 eta 100 ordutan.
3. irudiak materialaren garraioa erakusten du une desberdinetan 0 eta 1 egiturako gurutzean. Lehengaien eremuan eta hazkuntza-ganberan gas-faseko materialaren fluxu-tasa handitzen da posizioa handitzen den heinean, eta materialaren garraioa ahuldu egiten da hazkundea aurrera doan heinean. 3. irudiak ere erakusten du simulazio-baldintzetan, lehengaia lehenik gurutzaren alboko horman grafitizatu egiten dela eta gero gurutzaren behealdean. Horrez gain, lehengaiaren gainazalean birkristalizazioa dago eta pixkanaka loditzen dela hazkundea aurrera doan heinean. 4(a) eta 4(b) irudiek erakusten dute lehengaiaren barruko materialaren fluxu-tasa gutxitzen dela hazkundea aurrera doan heinean, eta 100 ordutan materialaren fluxu-tasa hasierako unearen % 50 ingurukoa dela; hala ere, fluxu-tasa nahiko handia da ertzean lehengaiaren grafitizazioagatik, eta ertzeko fluxu-tasa erdiko eremuko 100 ordutan fluxu-tasaren 10 aldiz handiagoa da; gainera, PG-k 1 egituran duen eraginak 1 egituraren lehengaien eremuko material-fluxu-tasa 0 egiturarena baino txikiagoa egiten du. 4(c) irudian, bai lehengaien eremuko bai hazkuntza-ganberako material-fluxua pixkanaka ahultzen da hazkundea aurrera doan heinean, eta lehengaien eremuko material-fluxua gutxitzen jarraitzen du, eta hori gurutzaren ertzean aire-fluxu-kanala irekitzeak eta goialdean birkristalizazioa oztopatzea eragiten du; hazkuntza-ganberan, 0 egituraren material-fluxu-tasa azkar jaisten da hasierako 30 orduetan % 16ra arte, eta % 3 baino ez da jaisten ondorengo denboran, 1 egitura nahiko egonkor mantentzen den bitartean hazkuntza-prozesu osoan. Beraz, PG-k hazkuntza-ganberako material-fluxu-tasa egonkortzen laguntzen du. 4(d) irudiak kristalaren hazkuntza-fronteko material-fluxu-tasa alderatzen du. Hasierako unean eta 100 ordutan, 0 egituraren hazkuntza-eremuan material-garraioa 1 egiturakoa baino indartsuagoa da, baina beti dago fluxu-tasa handiko eremu bat 0 egituraren ertzean, eta horrek gehiegizko hazkundea eragiten du ertzean. PG-aren presentziak 1 egituran fenomeno hau eraginkortasunez murrizten du.
3. irudia Material-fluxua gurutzean. Gas-materialaren garraioaren korronte-lerroak (ezkerrean) eta abiadura-bektoreak (eskuinean) 0 eta 1 egituretan une desberdinetan, abiadura-bektorearen unitatea: m/s
4. irudia Materialaren fluxu-tasaren aldaketak. (a) 0 egiturako lehengaiaren erdian materialaren fluxu-tasaren banaketaren aldaketak 0, 30, 60 eta 100 ordutan, r lehengaiaren eremuaren erradioa da; (b) 1 egiturako lehengaiaren erdian materialaren fluxu-tasaren banaketaren aldaketak 0, 30, 60 eta 100 ordutan, r lehengaiaren eremuaren erradioa da; (c) 0 eta 1 egituren hazkuntza-ganberaren (A, B) eta lehengaiaren (C, D) barruan materialaren fluxu-tasaren aldaketak denboran zehar; (d) 0 eta 1 egituren hazi-kristalaren gainazaletik gertu materialaren fluxu-tasaren banaketa 0 eta 100 ordutan, r hazi-kristalaren erradioa da.
C/Si-k SiC kristalen hazkuntzaren egonkortasun kristalinoan eta akatsen dentsitatean eragina du. 5(a) irudiak bi egituren C/Si erlazioaren banaketa alderatzen du hasierako unean. C/Si erlazioa pixkanaka jaisten da gurutzaren behetik gora, eta 1 egituraren C/Si erlazioa beti da 0 egiturarena baino handiagoa posizio desberdinetan. 5(b) eta 5(c) irudiek erakusten dute C/Si erlazioa pixkanaka handitzen dela hazkuntzarekin, eta hori hazkuntzaren azken fasean barne-tenperaturaren igoerarekin, lehengaien grafitizazioaren hobekuntzarekin eta Si osagaien erreakzioarekin lotuta dago gas fasean grafitozko gurutzadurarekin. 5(d) irudian, 0 egituraren eta 1 egituraren C/Si erlazioak nahiko desberdinak dira PG (0, 25 mm) azpitik, baina apur bat desberdinak PG (50 mm) gainetik, eta aldea pixkanaka handitzen da kristalera hurbildu ahala. Oro har, 1 egituraren C/Si erlazioa handiagoa da, eta horrek kristalaren forma egonkortzen eta fase-trantsizioaren probabilitatea murrizten laguntzen du.
5. irudia C/Si erlazioaren banaketa eta aldaketak. (a) C/Si erlazioaren banaketa 0 egiturako (ezkerrean) eta 1 egiturako (eskuinean) gurutzetan 0 ordutan; (b) C/Si erlazioa 0 egiturako gurutzearen erdiko lerrotik distantzia desberdinetan une desberdinetan (0, 30, 60, 100 ordutan); (c) C/Si erlazioa 1 egiturako gurutzearen erdiko lerrotik distantzia desberdinetan une desberdinetan (0, 30, 60, 100 ordutan); (d) C/Si erlazioaren konparaketa 0 egiturako (lerro jarraitua) eta 1 egiturako (lerro etena) gurutzearen erdiko lerrotik distantzia desberdinetan (0, 25, 50, 75, 100 mm) une desberdinetan (0, 30, 60, 100 ordutan).
6. irudiak bi egituren lehengaien eskualdeen partikula-diametroaren eta porositatearen aldaketak erakusten ditu. Irudiak erakusten du lehengaiaren diametroa gutxitzen dela eta porositatea handitzen dela gurutz-hormaren ondoan, eta ertzeko porositatea handitzen jarraitzen duela eta partikula-diametroa txikitzen jarraitzen duela hazkundea aurrera egin ahala. Ertzeko porositate maximoa 0,99 ingurukoa da 100 ordutan, eta partikula-diametro minimoa 300 μm ingurukoa. Partikula-diametroa handitzen da eta porositatea gutxitzen da lehengaiaren goiko gainazalean, birkristalizazioari dagokiona. Birkristalizazio-eremuaren lodiera handitzen da hazkundea aurrera egin ahala, eta partikula-tamaina eta porositatea aldatzen jarraitzen dute. Partikula-diametro maximoa 1500 μm baino gehiagora iristen da, eta porositate minimoa 0,13 da. Gainera, PG-k lehengaiaren eremuaren tenperatura handitzen duenez eta gasaren gainasetzea txikia denez, 1. egiturako lehengaiaren goiko zatiaren birkristalizazio-lodiera txikia da, eta horrek lehengaiaren erabilera-tasa hobetzen du.
6. irudia 0 egituraren eta 1 egituraren lehengaien eremuaren partikula diametroaren (ezkerrean) eta porositatearen (eskuinean) aldaketak une desberdinetan, partikula diametroaren unitatea: μm
7. irudiak erakusten du 0 egitura hazkundearen hasieran deformatzen dela, eta hori lehengaiaren ertzaren grafitizazioak eragindako material-fluxu gehiegizkoarekin erlazionatuta egon daiteke. Deformazio-maila ahuldu egiten da ondorengo hazkunde-prozesuan, eta hori 4 (d) irudiko 0 egituraren kristal-hazkundearen aurreko aldean material-fluxuaren aldaketarekin bat dator. 1. egituran, PG-ren efektuagatik, kristal-interfazeak ez du deformaziorik erakusten. Gainera, PG-k 1. egituraren hazkunde-tasa 0 egiturarena baino nabarmen txikiagoa egiten du. 1. egituraren kristalaren erdiguneko lodiera 100 ordu igaro ondoren 0 egiturarenaren % 68 baino ez da.
7. irudia 0 egiturako eta 1 egiturako kristalen interfazearen aldaketak 30, 60 eta 100 ordutan
Kristalen hazkuntza simulazio numerikoaren prozesu-baldintzetan egin zen. 0 eta 1 egiturak hazitako kristalak 8(a) eta 8(b) irudietan ageri dira, hurrenez hurren. 0 egiturako kristalak interfaze ahurra erakusten du, erdiko eremuan uhinak eta ertzean fase-trantsizio bat dituela. Gainazaleko ganbiltasunak gas-faseko materialen garraioan homogeneotasun-maila jakin bat adierazten du, eta fase-trantsizioaren agerpena C/Si erlazio baxuari dagokio. 1 egiturak hazitako kristalaren interfazea apur bat ganbila da, ez da fase-trantsiziorik aurkitzen, eta lodiera PG gabeko kristalaren % 65ekoa da. Oro har, kristalen hazkuntzaren emaitzak simulazio-emaitzekin bat datoz, 1 egituraren kristal-interfazean tenperatura erradial-diferentzia handiagoa dagoelarik, ertzeko hazkunde azkarra murrizten delarik, eta material-fluxu orokorra motelagoa delarik. Joera orokorra simulazio numerikoaren emaitzekin bat dator.
8. irudia 0 eta 1 egiturapean hazitako SiC kristalak
Ondorioa
PG-ak lehengaiaren eremuaren tenperatura orokorra hobetzen du eta tenperatura axial eta erradialaren uniformetasuna hobetzen du, lehengaiaren sublimazio eta erabilera osoa sustatuz; goiko eta beheko tenperatura aldea handitzen da, eta hazi kristalaren gainazaleko gradiente erradiala handitzen da, eta horrek hazkuntza-interfaze ganbila mantentzen laguntzen du. Masa-transferentziari dagokionez, PG-aren sarrerak masa-transferentzia-tasa orokorra murrizten du, PG duen hazkuntza-ganberako material-fluxu-tasa gutxiago aldatzen da denborarekin, eta hazkuntza-prozesu osoa egonkorragoa da. Aldi berean, PG-ak ertzeko masa-transferentzia gehiegi gertatzea ere eraginkortasunez inhibitzen du. Horrez gain, PG-ak hazkuntza-ingurunearen C/Si erlazioa ere handitzen du, batez ere hazi kristalaren interfazearen aurrealdeko ertzean, eta horrek hazkuntza-prozesuan fase-aldaketak gertatzea murrizten laguntzen du. Aldi berean, PG-aren isolamendu termiko-efektuak lehengaiaren goiko aldean birkristalizazioa gertatzea murrizten du neurri batean. Kristalaren hazkuntzarako, PG-ak kristalaren hazkunde-tasa moteltzen du, baina hazkuntza-interfazea ganbilagoa da. Beraz, PG SiC kristalen hazkuntza-ingurunea hobetzeko eta kristalen kalitatea optimizatzeko bide eraginkorra da.
Argitaratze data: 2024ko ekainaren 18a