PerusprosessipiikarbidiKiteen kasvu jaetaan raaka-aineiden sublimaatioon ja hajoamiseen korkeassa lämpötilassa, kaasufaasiaineiden kulkeutumiseen lämpötilagradientin vaikutuksesta ja kaasufaasiaineiden uudelleenkiteytymiseen siemenkiteessä. Tämän perusteella upokkaan sisäosa jaetaan kolmeen osaan: raaka-ainealue, kasvatuskammio ja siemenkide. Numeerinen simulaatiomalli piirrettiin todellisen resistiivisen ominaisuuden perusteella.piikarbidiyksittäisten kiteiden kasvatuslaitteisto (katso kuva 1). Laskelmassa: pohjaupokason 90 mm:n päässä sivulämmittimen pohjasta, upokkaan ylälämpötila on 2100 ℃, raaka-aineen hiukkasten halkaisija on 1000 μm, huokoisuus on 0,6, kasvupaine on 300 Pa ja kasvuaika on 100 h. PG:n paksuus on 5 mm, halkaisija on yhtä suuri kuin upokkaan sisähalkaisija, ja se sijaitsee 30 mm raaka-aineen yläpuolella. Raaka-ainevyöhykkeen sublimaatio-, hiilestymis- ja uudelleenkiteytymisprosessit on otettu huomioon laskelmassa, eikä PG:n ja kaasufaasiaineiden välistä reaktiota ole otettu huomioon. Laskelmaan liittyvät fysikaaliset ominaisuusparametrit on esitetty taulukossa 1.
Kuva 1 Simulaatiolaskentamalli. (a) Lämpökenttämalli kiteenkasvun simulointia varten; (b) Upokkaan sisäpinta-alan jakaminen ja siihen liittyvät fysikaaliset ongelmat
Taulukko 1 Joitakin laskennassa käytettyjä fysikaalisia parametreja
Kuvio 2(a) osoittaa, että PG:tä sisältävän rakenteen (rakenne 1) lämpötila on korkeampi kuin PG:tä sisältävän rakenteen (rakenne 0) lämpötila PG:n alapuolella ja matalampi kuin rakenteen 0 lämpötila PG:n yläpuolella. Kokonaislämpötilagradientti kasvaa ja PG toimii lämmöneristävänä aineena. Kuvioiden 2(b) ja 2(c) mukaan rakenteen 1 aksiaalinen ja radiaalinen lämpötilagradientti raaka-ainevyöhykkeellä on pienempi, lämpötilajakauma on tasaisempi ja materiaalin sublimaatio on täydellisempää. Toisin kuin raaka-ainevyöhykkeellä, kuvio 2(c) osoittaa, että rakenteen 1 siemenkiteen radiaalinen lämpötilagradientti on suurempi, mikä voi johtua eri lämmönsiirtomuotojen erilaisista osuuksista, mikä auttaa kiteen kasvamista kuperalla rajapinnalla. Kuviossa 2(d) lämpötila eri kohdissa upokkaasta osoittaa nousevaa trendiä kasvun edetessä, mutta rakenteen 0 ja rakenteen 1 välinen lämpötilaero pienenee vähitellen raaka-ainevyöhykkeellä ja kasvaa vähitellen kasvukammiossa.
Kuva 2 Lämpötilajakauma ja muutokset upokkaan sisällä. (a) Lämpötilajakauma rakenteen 0 (vasen) ja rakenteen 1 (oikea) upokkaan sisällä ajanhetkellä 0 h, yksikkö: ℃; (b) Lämpötilajakauma rakenteen 0 ja rakenteen 1 upokkaiden keskiviivalla raaka-aineen pohjasta siemenkiteeseen ajanhetkellä 0 h; (c) Lämpötilajakauma upokkaan keskeltä reunaan siemenkiteen pinnalla (A) ja raaka-aineen pinnalla (B), keskellä (C) ja pohjassa (D) ajanhetkellä 0 h, vaakasuora akseli r on siemenkiteen säde A:lle ja raaka-aineen pinta-alan säde B~D:lle; (d) Lämpötilan muutokset rakenteen 0 ja rakenteen 1 kasvatuskammion yläosan keskellä (A), raaka-aineen pinnalla (B) ja keskellä (C) ajanhetkellä 0, 30, 60 ja 100 h.
Kuvio 3 esittää materiaalin kulkeutumista eri aikoina rakenteen 0 ja rakenteen 1 upokkaassa. Kaasufaasimateriaalin virtausnopeus raaka-ainealueella ja kasvukammiossa kasvaa sijainnin kasvaessa, ja materiaalin kulkeutuminen heikkenee kasvun edetessä. Kuvio 3 osoittaa myös, että simulointiolosuhteissa raaka-aine grafitisoituu ensin upokkaan sivuseinämään ja sitten upokkaan pohjalle. Lisäksi raaka-aineen pinnalla tapahtuu uudelleenkiteytymistä ja se paksuuntuu vähitellen kasvun edetessä. Kuviot 4(a) ja 4(b) osoittavat, että materiaalin virtausnopeus raaka-aineen sisällä pienenee kasvun edetessä ja materiaalin virtausnopeus 100 tunnissa on noin 50 % alkuperäisestä hetkestä; virtausnopeus on kuitenkin reunalla suhteellisen suuri raaka-aineen grafitisoitumisen vuoksi, ja virtausnopeus reunalla on yli 10 kertaa suurempi kuin virtausnopeus keskialueella 100 tunnissa. Lisäksi PG:n vaikutus rakenteessa 1 pienentää materiaalin virtausnopeutta rakenteen 1 raaka-ainealueella verrattuna rakenteeseen 0. Kuvassa 4(c) materiaalin virtaus sekä raaka-ainealueella että kasvatuskammiossa heikkenee vähitellen kasvun edetessä, ja materiaalin virtaus raaka-ainealueella jatkaa laskuaan, mikä johtuu ilmavirtauskanavan avautumisesta upokkaan reunalla ja uudelleenkiteytymisen tukkeutumisesta yläosassa; kasvatuskammiossa rakenteen 0 materiaalin virtausnopeus laskee nopeasti ensimmäisten 30 tunnin aikana 16 %:iin ja laskee vain 3 % seuraavana aikana, kun taas rakenne 1 pysyy suhteellisen vakaana koko kasvatusprosessin ajan. Siksi PG auttaa vakauttamaan materiaalin virtausnopeutta kasvatuskammiossa. Kuva 4(d) vertaa materiaalin virtausnopeutta kiteenkasvatusrintamalla. Alkuhetkellä ja 100 tunnin kuluttua materiaalin kuljetus rakenteen 0 kasvuvyöhykkeellä on voimakkaampaa kuin rakenteessa 1, mutta rakenteen 0 reunalla on aina suuren virtausnopeuden alue, mikä johtaa liialliseen kasvuun reunalla. PG:n läsnäolo rakenteessa 1 estää tehokkaasti tämän ilmiön.
Kuva 3 Materiaalivirta upokkaassa. Kaasumaisen materiaalin kulkeutumisen virtausviivat (vasen) ja nopeusvektorit (oikea) rakenteissa 0 ja 1 eri aikoina, nopeusvektorin yksikkö: m/s
Kuva 4 Materiaalin virtausnopeuden muutokset. (a) Materiaalin virtausnopeuden jakauman muutokset rakenteen 0 raaka-aineen keskellä ajanhetkellä 0, 30, 60 ja 100 h, r on raaka-ainealueen säde; (b) Materiaalin virtausnopeuden jakauman muutokset rakenteen 1 raaka-aineen keskellä ajanhetkellä 0, 30, 60 ja 100 h, r on raaka-ainealueen säde; (c) Materiaalin virtausnopeuden muutokset kasvatuskammion (A, B) sisällä ja rakenteiden 0 ja 1 raaka-aineen (C, D) sisällä ajan kuluessa; (d) Materiaalin virtausnopeuden jakauma rakenteiden 0 ja 1 siemenkiteen pinnan lähellä ajanhetkellä 0 ja 100 h, r on siemenkiteen säde
C/Si vaikuttaa piikarbidikiteen kasvun kiteiseen stabiilisuuteen ja virhetiheyteen. Kuvassa 5(a) vertaillaan kahden rakenteen C/Si-suhdejakaumaa alkuhetkellä. C/Si-suhde pienenee vähitellen upokkaan pohjasta yläosaan, ja rakenteen 1 C/Si-suhde on aina korkeampi kuin rakenteen 0 eri kohdissa. Kuvat 5(b) ja 5(c) osoittavat, että C/Si-suhde kasvaa vähitellen kasvun myötä, mikä liittyy sisäisen lämpötilan nousuun kasvun myöhemmässä vaiheessa, raaka-aineen grafitisaation tehostumiseen ja Si-komponenttien reaktioon kaasufaasissa grafiittiupokkaan kanssa. Kuvassa 5(d) rakenteen 0 ja rakenteen 1 C/Si-suhteet ovat melko erilaiset PG:n (0, 25 mm) alapuolella, mutta hieman erilaiset PG:n (50 mm) yläpuolella, ja ero kasvaa vähitellen kiteen lähestyessä. Yleisesti ottaen rakenteen 1 C/Si-suhde on korkeampi, mikä auttaa vakauttamaan kidemuotoa ja vähentämään faasisiirtymien todennäköisyyttä.
Kuva 5. C/Si-suhteen jakauma ja muutokset. (a) C/Si-suhteen jakauma rakenteen 0 (vasen) ja rakenteen 1 (oikea) upokkaissa ajanhetkellä 0 h; (b) C/Si-suhde eri etäisyyksillä rakenteen 0 upokkaan keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h); (c) C/Si-suhde eri etäisyyksillä rakenteen 1 upokkaan keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h); (d) C/Si-suhteen vertailu eri etäisyyksillä (0, 25, 50, 75, 100 mm) rakenteen 0 (yhtenäinen viiva) ja rakenteen 1 (katkoviiva) upokkaan keskiviivasta eri aikoina (0, 30, 60, 100 h).
Kuva 6 esittää kahden rakenteen raaka-ainealueiden hiukkashalkaisijan ja huokoisuuden muutoksia. Kuvassa näkyy, että raaka-aineen halkaisija pienenee ja huokoisuus kasvaa lähellä upokkaan seinämää, ja reunan huokoisuus kasvaa edelleen ja hiukkashalkaisija pienenee edelleen kasvun edetessä. Suurin reunan huokoisuus on noin 0,99 100 tunnissa ja pienin hiukkashalkaisija on noin 300 μm. Hiukkasten halkaisija kasvaa ja huokoisuus pienenee raaka-aineen yläpinnalla, mikä vastaa uudelleenkiteytymistä. Uudelleenkiteytymisalueen paksuus kasvaa kasvun edetessä ja hiukkaskoko ja huokoisuus muuttuvat edelleen. Suurin hiukkashalkaisija saavuttaa yli 1500 μm ja pienin huokoisuus on 0,13. Lisäksi, koska PG nostaa raaka-ainealueen lämpötilaa ja kaasun ylikyllästyminen on pieni, rakenteen 1 raaka-aineen yläosan uudelleenkiteytymispaksuus on pieni, mikä parantaa raaka-aineen käyttöastetta.
Kuva 6 Raaka-ainealueen hiukkashalkaisijan (vasen) ja huokoisuuden (oikea) muutokset rakenteissa 0 ja 1 eri aikoina, hiukkashalkaisijan yksikkö: μm
Kuvio 7 osoittaa, että rakenne 0 vääntyy kasvun alussa, mikä voi liittyä raaka-aineen reunan grafitisoitumisesta johtuvaan liialliseen materiaalin virtausnopeuteen. Vääntymisen aste heikkenee myöhemmän kasvuprosessin aikana, mikä vastaa materiaalin virtausnopeuden muutosta rakenteen 0 kiteen kasvun etuosassa kuviossa 4 (d). Rakenteessa 1 PG:n vaikutuksesta kiteen rajapinta ei osoita vääntymistä. Lisäksi PG tekee rakenteen 1 kasvunopeudesta merkittävästi hitaamman kuin rakenteen 0. Rakenteen 1 kiteen keskipaksuus 100 tunnin kuluttua on vain 68 % rakenteen 0 paksuudesta.
Kuva 7 Rakenne 0- ja rakenne 1 -kiteiden rajapinnan muutokset 30, 60 ja 100 tunnissa
Kiteen kasvu suoritettiin numeerisen simulaation prosessiolosuhteissa. Rakenteilla 0 ja 1 kasvatetut kiteet on esitetty vastaavasti kuvassa 8(a) ja kuvassa 8(b). Rakenteen 0 kiteellä on kovera rajapinta, jossa on aaltoilua keskellä ja faasimuutos reunalla. Pinnan kuperaus edustaa tiettyä epähomogeenisuutta kaasufaasimateriaalien kuljetuksessa, ja faasimuutoksen esiintyminen vastaa alhaista C/Si-suhdetta. Rakenteella 1 kasvatetun kiteen rajapinta on hieman kupera, faasimuutosta ei havaita ja paksuus on 65 % kiteen paksuudesta ilman PG:tä. Yleisesti ottaen kiteen kasvun tulokset vastaavat simulaatiotuloksia. Rakenteen 1 kiderajapinnassa on suurempi säteittäinen lämpötilaero, mikä vähentää nopeaa kasvua reunalla ja hidastaa materiaalin kokonaisvirtausnopeutta. Yleinen suuntaus on yhdenmukainen numeerisen simulaation tulosten kanssa.
Kuva 8. Rakenteella 0 ja rakenteella 1 kasvatetut piikarbidikiteet
Johtopäätös
PG edistää raaka-ainealueen kokonaislämpötilan paranemista ja aksiaalisen ja radiaalisen lämpötilan tasaisuutta, mikä edistää raaka-aineen täydellistä sublimaatiota ja hyödyntämistä; ylä- ja alalämpötilaero kasvaa ja siemenkiteen pinnan radiaalinen gradientti kasvaa, mikä auttaa ylläpitämään kuperaa rajapintakasvua. Massansiirron osalta PG:n lisääminen vähentää kokonaismassansiirtonopeutta, materiaalin virtausnopeus PG:tä sisältävässä kasvukammiossa muuttuu vähemmän ajan myötä ja koko kasvuprosessi on vakaampi. Samalla PG estää tehokkaasti myös liiallisen reunamassansiirron esiintymisen. Lisäksi PG lisää myös kasvuympäristön C/Si-suhdetta, erityisesti siemenkiteen rajapinnan etureunassa, mikä auttaa vähentämään faasimuutosten esiintymistä kasvuprosessin aikana. Samalla PG:n lämmöneristysvaikutus vähentää jossain määrin uudelleenkiteytymisen esiintymistä raaka-aineen yläosassa. Kiteen kasvun kannalta PG hidastaa kiteen kasvunopeutta, mutta kasvurajapinta on kuperampi. Siksi PG on tehokas keino parantaa piikarbidikiteiden kasvuympäristöä ja optimoida kiteiden laatua.
Julkaisun aika: 18. kesäkuuta 2024