Սիլիցիումի կարբիդի բյուրեղների աճի վրա ծակոտկեն գրաֆիտի ազդեցության թվային մոդելավորման ուսումնասիրություն

Հիմնական գործընթացըSiCԲյուրեղի աճը բաժանվում է բարձր ջերմաստիճանում հումքի սուբլիմացիայի և քայքայման, ջերմաստիճանի գրադիենտի ազդեցությամբ գազային փուլի նյութերի տեղափոխման և սկզբնական բյուրեղում գազային փուլի նյութերի վերաբյուրեղացման աճի։ Դրա հիման վրա, հալոցքի ներքին մասը բաժանվում է երեք մասի՝ հումքի տարածք, աճի խցիկ և սկզբնական բյուրեղ։ Իրական դիմադրության հիման վրա գծվել է թվային մոդել։SiCմիաբյուրեղային աճեցման սարքավորումներ (տե՛ս նկար 1): Հաշվարկի մեջ՝ ներքևի մասըհալոցգտնվում է կողային տաքացուցիչի հատակից 90 մմ հեռավորության վրա, հալոցքի վերին ջերմաստիճանը 2100 ℃ է, հումքի մասնիկի տրամագիծը՝ 1000 մկմ, ծակոտկենությունը՝ 0.6, աճի ճնշումը՝ 300 Պա, իսկ աճի ժամանակը՝ 100 ժամ: PG հաստությունը 5 մմ է, տրամագիծը հավասար է հալոցքի ներքին տրամագծին և գտնվում է հումքից 30 մմ վերև: Հաշվարկում հաշվի են առնվում հումքի գոտու սուբլիմացիայի, ածխացման և վերաբյուրեղացման գործընթացները, իսկ PG-ի և գազային փուլի նյութերի միջև ռեակցիան հաշվի չի առնվում: Հաշվարկին վերաբերող ֆիզիկական հատկությունների պարամետրերը ներկայացված են աղյուսակ 1-ում:

Նկար 1. Սիմուլյացիայի հաշվարկման մոդել։ (ա) Բյուրեղների աճի մոդելավորման ջերմային դաշտի մոդել։ (բ) Հալոցքի ներքին մակերեսի բաժանումը և դրան առնչվող ֆիզիկական խնդիրները։

Աղյուսակ 1 Հաշվարկում օգտագործված որոշ ֆիզիկական պարամետրեր

Նկար 2(ա)-ն ցույց է տալիս, որ PG պարունակող կառուցվածքի (նշվում է որպես կառուցվածք 1) ջերմաստիճանը PG-ից ցածր ավելի բարձր է, քան PG-ազատ կառուցվածքի (նշվում է որպես կառուցվածք 0) ջերմաստիճանը, և PG-ից բարձր ավելի ցածր, քան PG-ից բարձր կառուցվածքի ջերմաստիճանը։ Ընդհանուր ջերմաստիճանի գրադիենտը մեծանում է, և PG-ն գործում է որպես ջերմամեկուսիչ նյութ։ Նկար 2(բ)-ի և 2(գ)-ի համաձայն՝ կառուցվածք 1-ի առանցքային և ճառագայթային ջերմաստիճանային գրադիենտները հումքի գոտում ավելի փոքր են, ջերմաստիճանի բաշխումն ավելի միատարր է, և նյութի սուբլիմացիան ավելի ամբողջական է։ Հումքի գոտուց տարբերվող, նկար 2(գ)-ն ցույց է տալիս, որ կառուցվածք 1-ի սկզբնական բյուրեղի ճառագայթային ջերմաստիճանային գրադիենտն ավելի մեծ է, ինչը կարող է պայմանավորված լինել տարբեր ջերմափոխանակման ռեժիմների տարբեր համամասնություններով, ինչը նպաստում է բյուրեղի աճին ուռուցիկ միջերեսով։ Նկար 2(դ)-ում ջերմաստիճանը տարբեր դիրքերում հալոցքում ցույց է տալիս աճի միտում աճի հետ մեկտեղ, սակայն կառուցվածք 0-ի և կառուցվածք 1-ի միջև ջերմաստիճանային տարբերությունը աստիճանաբար նվազում է հումքի գոտում և աստիճանաբար մեծանում է աճի խցիկում։

Նկար 2. Ջերմաստիճանի բաշխումը և փոփոխությունները հալոցում։ (ա) Կառուցվածք 0 (ձախ) և կառուցվածք 1 (աջ) հալոցքի ներսում ջերմաստիճանի բաշխումը 0 ժամում, միավորը՝ ℃; (բ) Կառուցվածք 0 և կառուցվածք 1 հալոցքի կենտրոնական գծի վրա ջերմաստիճանի բաշխումը հումքի հատակից մինչև սերմնային բյուրեղը 0 ժամում; (գ) Ջերմաստիճանի բաշխումը կենտրոնից մինչև հալոցքի եզրը սերմնային բյուրեղի մակերեսին (A) և հումքի մակերեսին (B), կենտրոնում (C) և ներքևում (D) 0 ժամում, հորիզոնական առանցքը r-ը A-ի սերմնային բյուրեղի շառավիղն է, իսկ B~D-ի հումքի մակերեսի շառավիղը; (դ) Կառուցվածք 0 և կառուցվածք 1 աճի խցիկի վերին մասի (A), հումքի մակերեսի (B) և կենտրոնում (C) ջերմաստիճանի փոփոխությունները 0, 30, 60 և 100 ժամում։

Նկար 3-ը ցույց է տալիս նյութի տեղափոխումը տարբեր ժամանակներում կառուցվածք 0 և կառուցվածք 1-ի հալոցքում: Գազային փուլի նյութի հոսքի արագությունը հումքի տարածքում և աճի խցիկում մեծանում է դիրքի մեծացման հետ մեկտեղ, և նյութի տեղափոխումը թուլանում է աճի ընթացքում: Նկար 3-ը նաև ցույց է տալիս, որ մոդելավորման պայմաններում հումքը նախ գրաֆիտացվում է հալոցի կողային պատին, ապա՝ հալոցի հատակին: Բացի այդ, հումքի մակերեսին տեղի է ունենում վերաբյուրեղացում, և այն աստիճանաբար խտանում է աճի ընթացքում: Նկար 4(ա) և 4(բ)-ն ցույց են տալիս, որ հումքի ներսում նյութի հոսքի արագությունը նվազում է աճի ընթացքում, և նյութի հոսքի արագությունը 100 ժամում կազմում է սկզբնական մոմենտի մոտ 50%-ը. սակայն, հոսքի արագությունը եզրին համեմատաբար մեծ է հումքի գրաֆիտացման պատճառով, և եզրին հոսքի արագությունը ավելի քան 10 անգամ գերազանցում է միջին տարածքի հոսքի արագությունը 100 ժամում: Բացի այդ, կառուցվածք 1-ում PG-ի ազդեցությունը կառուցվածք 1-ի հումքի տարածքում նյութի հոսքի արագությունը դարձնում է ավելի ցածր, քան կառուցվածք 0-ինը: Նկար 4(գ)-ում, աճի ընթացքում նյութի հոսքը և՛ հումքի տարածքում, և՛ աճի խցիկում աստիճանաբար թուլանում է, և նյութի հոսքը հումքի տարածքում շարունակում է նվազել, ինչը պայմանավորված է հալման խողովակի եզրին օդային հոսքի ալիքի բացմամբ և վերևում վերաբյուրեղացման խոչընդոտմամբ. աճի խցիկում կառուցվածք 0-ի նյութի հոսքի արագությունը սկզբնական 30 ժամվա ընթացքում արագորեն նվազում է մինչև 16%, իսկ հետագա ժամանակահատվածում նվազում է միայն 3%-ով, մինչդեռ կառուցվածք 1-ը մնում է համեմատաբար կայուն աճի ողջ ընթացքում: Հետևաբար, PG-ն օգնում է կայունացնել նյութի հոսքի արագությունը աճի խցիկում: Նկար 4(դ)-ում համեմատվում է նյութի հոսքի արագությունը բյուրեղի աճի ճակատում: Սկզբնական պահին և 100 ժամվա ընթացքում կառուցվածք 0-ի աճի գոտում նյութի տեղափոխումն ավելի ուժեղ է, քան կառուցվածք 1-ում, սակայն կառուցվածք 0-ի եզրին միշտ կա բարձր հոսքի արագության տարածք, ինչը հանգեցնում է եզրին չափազանց աճի: PG-ի առկայությունը կառուցվածք 1-ում արդյունավետորեն ճնշում է այս երևույթը:

Նկար 3. Նյութի հոսքը հալոցքում։ Գազային նյութի փոխադրման հոսքերի գծերը (ձախ) և արագության վեկտորները (աջ) 0 և 1 կառուցվածքներում տարբեր ժամանակներում, արագության վեկտորի միավորը՝ մ/վ։

Նկար 4. Նյութի հոսքի արագության փոփոխությունները։ (ա) 0 կառուցվածքի հումքի մեջտեղում նյութի հոսքի արագության բաշխման փոփոխությունները 0, 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում, r-ը հումքի մակերեսի շառավիղն է։ (բ) 1 կառուցվածքի հումքի մեջտեղում նյութի հոսքի արագության բաշխման փոփոխությունները 0, 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում, r-ը հումքի մակերեսի շառավիղն է։ (գ) 0 և 1 կառուցվածքների աճի խցիկի (A, B) և հումքի (C, D) ներսում նյութի հոսքի արագության փոփոխությունները ժամանակի ընթացքում։ (դ) 0 և 1 կառուցվածքների սերմնային բյուրեղի մակերեսի մոտ նյութի հոսքի արագության բաշխումը 0 և 100 ժամվա ընթացքում, r-ը սերմնային բյուրեղի շառավիղն է։

C/Si-ն ազդում է SiC բյուրեղի աճի բյուրեղային կայունության և արատների խտության վրա: Նկար 5(ա)-ն համեմատում է երկու կառուցվածքների C/Si հարաբերակցության բաշխումը սկզբնական պահին: C/Si հարաբերակցությունը աստիճանաբար նվազում է հալոցքի ներքևից դեպի վերև, և կառուցվածք 1-ի C/Si հարաբերակցությունը տարբեր դիրքերում միշտ ավելի բարձր է, քան կառուցվածք 0-ինը՝ տարբեր դիրքերում: Նկար 5(բ)-ն և 5(գ)-ն ցույց են տալիս, որ C/Si հարաբերակցությունը աստիճանաբար աճում է աճի հետ, ինչը կապված է աճի ուշ փուլում ներքին ջերմաստիճանի բարձրացման, հումքի գրաֆիտացման ուժեղացման և գազային փուլում Si բաղադրիչների գրաֆիտային հալոցքի հետ ռեակցիայի հետ: Նկար 5(դ)-ում կառուցվածք 0-ի և կառուցվածք 1-ի C/Si հարաբերակցությունները բավականին տարբեր են PG-ից ներքև (0,25 մմ), բայց մի փոքր տարբեր են PG-ից վերև (50 մմ), և տարբերությունը աստիճանաբար մեծանում է բյուրեղին մոտենալիս: Ընդհանուր առմամբ, կառուցվածք 1-ի C/Si հարաբերակցությունն ավելի բարձր է, ինչը նպաստում է բյուրեղային ձևի կայունացմանը և փուլային անցման հավանականության նվազեցմանը:

Նկար 5. C/Si հարաբերակցության բաշխումը և փոփոխությունները։ (ա) C/Si հարաբերակցության բաշխումը կառուցվածք 0 (ձախ) և կառուցվածք 1 (աջ) հալոցքային կաթսաներում 0 ժամում։ (բ) C/Si հարաբերակցությունը կառուցվածք 0 հալոցքային կաթսայի կենտրոնական գծից տարբեր հեռավորությունների վրա տարբեր ժամանակներում (0, 30, 60, 100 ժամ)։ (գ) C/Si հարաբերակցությունը կառուցվածք 1 հալոցքային կաթսայի կենտրոնական գծից տարբեր հեռավորությունների վրա տարբեր ժամանակներում (0, 30, 60, 100 ժամ)։ (դ) C/Si հարաբերակցության համեմատությունը կառուցվածք 0 հալոցքային կաթսայի կենտրոնական գծից տարբեր հեռավորությունների վրա (0, 25, 50, 75, 100 մմ) տարբեր ժամանակներում (0, 25, 50, 75, 100 մմ)։

Նկար 6-ը ցույց է տալիս երկու կառուցվածքների հումքի շրջանների մասնիկների տրամագծի և ծակոտկենության փոփոխությունները: Նկարը ցույց է տալիս, որ հումքի տրամագիծը նվազում է, իսկ ծակոտկենությունը մեծանում է հալման պատի մոտ, իսկ եզրային ծակոտկենությունը շարունակում է աճել, իսկ մասնիկի տրամագիծը շարունակում է նվազել աճի ընթացքում: Առավելագույն եզրային ծակոտկենությունը կազմում է մոտ 0.99 100 ժամվա ընթացքում, իսկ նվազագույն մասնիկի տրամագիծը՝ մոտ 300 մկմ: Մասնիկի տրամագիծը մեծանում է, իսկ ծակոտկենությունը նվազում է հումքի վերին մակերեսին, ինչը համապատասխանում է վերաբյուրեղացմանը: Վերաբյուրեղացման տարածքի հաստությունը մեծանում է աճի ընթացքում, իսկ մասնիկի չափը և ծակոտկենությունը շարունակում են փոխվել: Առավելագույն մասնիկի տրամագիծը հասնում է ավելի քան 1500 մկմ-ի, իսկ նվազագույն ծակոտկենությունը՝ 0.13: Բացի այդ, քանի որ PG-ն մեծացնում է հումքի տարածքի ջերմաստիճանը, և գազի գերհագեցումը փոքր է, կառուցվածք 1-ի հումքի վերին մասի վերաբյուրեղացման հաստությունը փոքր է, ինչը բարելավում է հումքի օգտագործման մակարդակը:

Նկար 6. Կառուցվածք 0 և կառուցվածք 1 հումքի մակերեսի մասնիկի տրամագծի (ձախ) և ծակոտկենության (աջ) փոփոխությունները տարբեր ժամանակներում, մասնիկի տրամագծի միավորը՝ մկմ

Նկար 7-ը ցույց է տալիս, որ 0 կառուցվածքը ծռվում է աճի սկզբում, ինչը կարող է կապված լինել հումքի եզրի գրաֆիտացման հետևանքով առաջացած նյութի չափազանց հոսքի արագության հետ: Ծռման աստիճանը թուլանում է հետագա աճի գործընթացում, ինչը համապատասխանում է Նկար 4 (դ)-ում կառուցվածք 0-ի բյուրեղի աճի առջևի մասում նյութի հոսքի արագության փոփոխությանը: Կառուցվածք 1-ում, PG-ի ազդեցության պատճառով, բյուրեղի միջերեսը ծռվում չի ցուցաբերում: Բացի այդ, PG-ն նաև կառուցվածք 1-ի աճի արագությունը զգալիորեն ցածր է դարձնում կառուցվածք 0-ի աճի արագությունից: Կառուցվածք 1-ի բյուրեղի կենտրոնական հաստությունը 100 ժամից հետո կազմում է կառուցվածք 0-ի աճի արագության միայն 68%-ը:

Նկար 7. Կառուցվածք 0 և կառուցվածք 1 բյուրեղների միջերեսային փոփոխությունները 30, 60 և 100 ժամվա ընթացքում

Բյուրեղների աճեցումը իրականացվել է թվային մոդելավորման գործընթացի պայմաններում: 0 և 1 կառուցվածքներով աճեցված բյուրեղները համապատասխանաբար ներկայացված են նկար 8(ա) և նկար 8(բ)-ում: 0 կառուցվածքով բյուրեղը ցույց է տալիս գոգավոր միջերես՝ կենտրոնական հատվածում ալիքավորություններով և եզրին փուլային անցումով: Մակերեսային ուռուցիկությունը ցույց է տալիս գազային փուլային նյութերի տեղափոխման որոշակի աստիճանի անհամասեռություն, իսկ փուլային անցման առկայությունը համապատասխանում է C/Si ցածր հարաբերակցությանը: 1 կառուցվածքով աճեցված բյուրեղի միջերեսը թեթևակի ուռուցիկ է, փուլային անցում չի հայտնաբերվել, և հաստությունը կազմում է բյուրեղի 65%-ը՝ առանց PG-ի: Ընդհանուր առմամբ, բյուրեղների աճի արդյունքները համապատասխանում են մոդելավորման արդյունքներին, կառուցվածք 1 բյուրեղային միջերեսում ավելի մեծ շառավղային ջերմաստիճանային տարբերությամբ, եզրին արագ աճը ճնշվում է, և նյութի ընդհանուր հոսքի արագությունը դանդաղ է: Ընդհանուր միտումը համապատասխանում է թվային մոդելավորման արդյունքներին:

Նկար 8. SiC բյուրեղներ, որոնք աճեցվել են 0 և 1 կառուցվածքների ներքո։

Եզրակացություն

PG-ն նպաստում է հումքի տարածքի ընդհանուր ջերմաստիճանի բարելավմանը և առանցքային ու ճառագայթային ջերմաստիճանի միատարրության բարելավմանը, նպաստելով հումքի լիարժեք սուբլիմացիային և օգտագործմանը։ Վերին և ստորին ջերմաստիճանների տարբերությունը մեծանում է, և սերմերի բյուրեղի մակերևույթի ճառագայթային գրադիենտը մեծանում է, ինչը նպաստում է ուռուցիկ միջերեսի աճի պահպանմանը։ Զանգվածի փոխանցման առումով, PG-ի ներմուծումը նվազեցնում է ընդհանուր զանգվածի փոխանցման արագությունը, PG պարունակող աճի խցիկում նյութի հոսքի արագությունը ժամանակի ընթացքում ավելի քիչ է փոխվում, և ամբողջ աճի գործընթացն ավելի կայուն է։ Միևնույն ժամանակ, PG-ն նաև արդյունավետորեն կանխում է եզրային զանգվածի չափազանց մեծ փոխանցման առաջացումը։ Բացի այդ, PG-ն նաև մեծացնում է աճի միջավայրի C/Si հարաբերակցությունը, հատկապես սերմերի բյուրեղի միջերեսի առջևի եզրին, ինչը նպաստում է աճի գործընթացի ընթացքում փուլային փոփոխության առաջացման նվազեցմանը։ Միևնույն ժամանակ, PG-ի ջերմամեկուսացման ազդեցությունը որոշակիորեն նվազեցնում է հումքի վերին մասում վերաբյուրեղացման առաջացումը։ Բյուրեղների աճի համար PG-ն դանդաղեցնում է բյուրեղների աճի արագությունը, բայց աճի միջերեսն ավելի ուռուցիկ է։ Հետևաբար, PG-ն արդյունավետ միջոց է SiC բյուրեղների աճի միջավայրը բարելավելու և բյուրեղների որակը օպտիմալացնելու համար։