Grunnferlið viðSiCKristallavöxtur skiptist í sublimeringu og niðurbrot hráefna við hátt hitastig, flutning gasfasaefna undir áhrifum hitastigshalla og endurkristöllunarvöxt gasfasaefna við frækristallinn. Byggt á þessu er innra rými deiglunnar skipt í þrjá hluta: hráefnissvæði, vaxtarhólf og frækristall. Tölulegt hermunarlíkan var teiknað út frá raunverulegri viðnámsstöðu.SiCbúnaður til vaxtar einkristalla (sjá mynd 1). Í útreikningnum: botninn ádeiglaer 90 mm frá botni hliðarhitarans, efri hitastig deiglunnar er 2100 ℃, þvermál hráefnisagna er 1000 μm, gegndræpi er 0,6, vaxtarþrýstingurinn er 300 Pa og vaxtartíminn er 100 klst. Þykkt PG er 5 mm, þvermálið er jafnt innra þvermáli deiglunnar og það er staðsett 30 mm fyrir ofan hráefnið. Útreikningurinn tekur tillit til sublimunar-, kolefnismyndunar- og endurkristöllunarferla hráefnissvæðisins og ekki er tekið tillit til efnahvarfsins milli PG og gasfasaefna. Útreikningstengdir eðlisfræðilegir eiginleikar eru sýndir í töflu 1.
Mynd 1 Reiknilíkan fyrir hermun. (a) Varmasviðslíkan fyrir kristallavaxtarhermun; (b) Skipting innra flatarmáls deiglunnar og tengd eðlisfræðileg vandamál
Tafla 1 Nokkrir eðlisfræðilegir þættir sem notaðir voru í útreikningnum
Mynd 2(a) sýnir að hitastig PG-innihaldandi byggingarins (táknað sem byggingar 1) er hærra en PG-lausrar byggingar (táknað sem byggingar 0) fyrir neðan PG, og lægra en byggingar 0 fyrir ofan PG. Heildarhitastigullinn eykst og PG virkar sem einangrunarefni. Samkvæmt myndum 2(b) og 2(c) eru ás- og radíushitala byggingar 1 í hráefnissvæðinu minni, hitadreifingin er jafnari og sublimering efnisins er fullkomnari. Ólíkt hráefnissvæðinu sýnir mynd 2(c) að radíushitala við frækristall byggingar 1 er meiri, sem gæti stafað af mismunandi hlutföllum mismunandi varmaflutningsmáta, sem hjálpar kristalnum að vaxa með kúptum viðmóti. Á mynd 2(d) sýnir hitastigið á mismunandi stöðum í deiglunni vaxandi þróun eftir því sem vöxturinn heldur áfram, en hitamunurinn á milli byggingar 0 og byggingar 1 minnkar smám saman í hráefnissvæðinu og eykst smám saman í vaxtarhólfinu.
Mynd 2 Hitadreifing og breytingar í deiglunni. (a) Hitadreifing inni í deiglu í byggingargerð 0 (vinstri) og byggingargerð 1 (hægri) við 0 klst., eining: ℃; (b) Hitadreifing á miðlínu deiglu í byggingargerð 0 og byggingargerð 1 frá botni hráefnisins að frækristallinum við 0 klst.; (c) Hitadreifing frá miðju að brún deiglunnar á yfirborði frækristallsins (A) og yfirborði hráefnisins (B), miðju (C) og botni (D) við 0 klst., lárétti ásinn r er radíus frækristallsins fyrir A og radíus flatarmáls hráefnisins fyrir B~D; (d) Hitabreytingar í miðju efri hluta (A), yfirborðs hráefnisins (B) og miðju (C) vaxtarhólfsins í byggingargerð 0 og byggingargerð 1 við 0, 30, 60 og 100 klst.
Mynd 3 sýnir efnisflutninga á mismunandi tímum í deiglu í byggingareiningum 0 og byggingu 1. Gasfasa efnisflæði í hráefnissvæðinu og vaxtarklefanum eykst með aukinni staðsetningu og efnisflutningurinn veikist eftir því sem vöxturinn heldur áfram. Mynd 3 sýnir einnig að við hermunarskilyrði myndast hráefnið fyrst grafít á hliðarvegg deiglunnar og síðan á botni hennar. Að auki á sér stað endurkristöllun á yfirborði hráefnisins og hún þykknar smám saman eftir því sem vöxturinn heldur áfram. Myndir 4(a) og 4(b) sýna að efnisflæði inni í hráefninu minnkar eftir því sem vöxturinn heldur áfram og efnisflæði við 100 klst. er um 50% af upphafsaugnablikinu; hins vegar er flæðishraðinn tiltölulega mikill við brúnina vegna grafítmyndunar hráefnisins og flæðishraðinn við brúnina er meira en 10 sinnum meiri en flæðishraðinn í miðsvæðinu við 100 klst.; Auk þess veldur áhrif PG í uppbyggingu 1 því að efnisflæðishraðann í hráefnissvæði uppbyggingar 1 er lægri en í uppbyggingu 0. Á mynd 4(c) veikist efnisflæðið bæði í hráefnissvæðinu og vaxtarhólfinu smám saman eftir því sem vöxturinn heldur áfram og efnisflæðið í hráefnissvæðinu heldur áfram að minnka, sem stafar af opnun loftflæðisrásarinnar á brún deiglunnar og hindrun á endurkristöllun efst; í vaxtarhólfinu minnkar efnisflæðishraði uppbyggingar 0 hratt á fyrstu 30 klst. niður í 16% og lækkar aðeins um 3% á þeim tíma sem þar á eftir fer, en uppbygging 1 helst tiltölulega stöðug allan vaxtarferlið. Þess vegna hjálpar PG til við að stöðuga efnisflæðishraðann í vaxtarhólfinu. Mynd 4(d) ber saman efnisflæðishraðann við kristallavaxtarframhliðina. Í upphafi og eftir 100 klst. er efnisflutningurinn í vaxtarsvæði mannvirkis 0 meiri en í mannvirki 1, en það er alltaf svæði með háan rennslishraða við jaðar mannvirkis 0, sem leiðir til óhóflegs vaxtar við jaðarinn. Nærvera PG í mannvirki 1 bælir þetta fyrirbæri á áhrifaríkan hátt.
Mynd 3 Efnisflæði í deiglunni. Straumlínur (vinstri) og hraðavigrar (hægri) flutnings gasefnis í mannvirkjum 0 og 1 á mismunandi tímum, hraðavigureining: m/s
Mynd 4 Breytingar á efnisflæðishraða. (a) Breytingar á dreifingu efnisflæðishraða í miðju hráefnisins í mannvirki 0 við 0, 30, 60 og 100 klst., r er radíus hráefnissvæðisins; (b) Breytingar á dreifingu efnisflæðishraða í miðju hráefnisins í mannvirki 1 við 0, 30, 60 og 100 klst., r er radíus hráefnissvæðisins; (c) Breytingar á efnisflæðishraða inni í vaxtarhólfinu (A, B) og inni í hráefninu (C, D) í mannvirkjum 0 og 1 með tímanum; (d) Dreifing efnisflæðishraða nálægt yfirborði frækristallsins í mannvirkjum 0 og 1 við 0 og 100 klst., r er radíus frækristallsins.
C/Si hefur áhrif á kristöllunarstöðugleika og gallaþéttleika SiC kristalvaxtar. Mynd 5(a) ber saman dreifingu C/Si hlutfallsins í tveimur byggingum á upphafstíma. C/Si hlutfallið lækkar smám saman frá botni upp í topp deiglunnar og C/Si hlutfallið í byggingu 1 er alltaf hærra en í byggingu 0 á mismunandi stöðum. Myndir 5(b) og 5(c) sýna að C/Si hlutfallið eykst smám saman með vexti, sem tengist hækkun innra hitastigs á síðari stigum vaxtar, aukinni grafítmyndun hráefnisins og viðbrögðum Si efnisþátta í gasfasa við grafítdeigluna. Á mynd 5(d) eru C/Si hlutföll bygginga 0 og bygginga 1 nokkuð mismunandi undir PG (0, 25 mm), en örlítið mismunandi yfir PG (50 mm), og munurinn eykst smám saman þegar nálgast er kristalinn. Almennt er C/Si hlutfallið í byggingu 1 hærra, sem hjálpar til við að stöðuga kristalformið og draga úr líkum á fasabreytingum.
Mynd 5 Dreifing og breytingar á C/Si hlutfallinu. (a) Dreifing C/Si hlutfallsins í deiglum í byggingargerð 0 (vinstri) og byggingargerð 1 (hægri) við 0 klst.; (b) C/Si hlutfall í mismunandi fjarlægðum frá miðlínu deiglu í byggingargerð 0 á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.); (c) C/Si hlutfall í mismunandi fjarlægðum frá miðlínu deiglu í byggingargerð 1 á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.); (d) Samanburður á C/Si hlutfallinu í mismunandi fjarlægðum (0, 25, 50, 75, 100 mm) frá miðlínu deiglu í byggingargerð 0 (óbrotin lína) og byggingargerð 1 (brotin lína) á mismunandi tímum (0, 30, 60, 100 klst.).
Mynd 6 sýnir breytingar á agnaþvermáli og gegndræpi hráefnissvæða tveggja bygginga. Myndin sýnir að þvermál hráefnisins minnkar og gegndræpið eykst nálægt vegg deiglunnar, og brún gegndræpið heldur áfram að aukast og agnaþvermálið heldur áfram að minnka eftir því sem vöxturinn þróast. Hámarks brún gegndræpið er um 0,99 eftir 100 klst. og lágmarks agnaþvermálið er um 300 μm. Agnaþvermálið eykst og gegndræpið minnkar á efri yfirborði hráefnisins, sem samsvarar endurkristöllun. Þykkt endurkristöllunarsvæðisins eykst eftir því sem vöxturinn þróast og agnastærð og gegndræpi halda áfram að breytast. Hámarks agnaþvermálið nær meira en 1500 μm og lágmarks gegndræpið er 0,13. Þar að auki, þar sem PG eykur hitastig hráefnissvæðisins og ofmettun gassins er lítil, er endurkristöllunarþykkt efri hluta hráefnisins í byggingu 1 lítil, sem bætir nýtingarhlutfall hráefnisins.
Mynd 6 Breytingar á agnaþvermáli (vinstri) og gegndræpi (hægri) hráefnisflatarmáls byggingar 0 og byggingar 1 á mismunandi tímum, agnaþvermálseining: μm
Mynd 7 sýnir að uppbygging 0 aflagast í upphafi vaxtar, sem gæti tengst of miklum efnisflæðishraða sem orsakast af grafítmyndun á brún hráefnisins. Aflögunin veikist í síðari vaxtarferlinu, sem samsvarar breytingu á efnisflæðishraða fremst í kristalvexti uppbyggingar 0 á mynd 4 (d). Í uppbyggingu 1, vegna áhrifa PG, sýnir kristalsviðmótið enga aflögun. Að auki gerir PG vaxtarhraða uppbyggingar 1 verulega lægri en uppbyggingar 0. Miðjuþykkt kristals uppbyggingar 1 eftir 100 klst. er aðeins 68% af þykkt uppbyggingar 0.
Mynd 7 Breytingar á snertifleti kristalla af byggingar 0 og byggingar 1 eftir 30, 60 og 100 klst.
Kristallavöxtur var framkvæmdur við ferlisskilyrði tölulegrar hermunar. Kristallarnir sem ræktuðust með uppbyggingu 0 og uppbyggingu 1 eru sýndir á mynd 8(a) og mynd 8(b), talið í sömu röð. Kristallinn með uppbyggingu 0 sýnir íhvolft tengiflöt með öldum í miðjunni og fasaskiptum á brúninni. Kúpt yfirborð táknar ákveðið stig óeðlileika í flutningi gasfasaefna og tilvist fasaskipta samsvarar lágu C/Si hlutfalli. Tengiflötur kristalsins sem ræktaður er með uppbyggingu 1 er örlítið kúpt, engin fasaskipti finnast og þykktin er 65% af kristalnum án PG. Almennt samsvara niðurstöður kristalvaxtar hermunarniðurstöðunum, með stærri geislafræðilegum hitamismun á kristalsviðmóti uppbyggingar 1, hraður vöxtur á brúninni er bælaður og heildarflæði efnisins er hægara. Heildarþróunin er í samræmi við niðurstöður tölulegrar hermunar.
Mynd 8 SiC kristallar ræktaðir undir uppbyggingu 0 og uppbyggingu 1
Niðurstaða
PG stuðlar að því að bæta heildarhitastig hráefnissvæðisins og bæta einsleitni ás- og radíushitans, sem stuðlar að fullri sublimeringu og nýtingu hráefnisins; munurinn á efri og neðri hita eykst og radíushalli yfirborðs frækristallsins eykst, sem hjálpar til við að viðhalda kúptum vexti viðmótsins. Hvað varðar massaflutning dregur innleiðing PG úr heildarmassaflutningshraða, efnisflæðishraði í vaxtarhólfinu sem inniheldur PG breytist minna með tímanum og allt vaxtarferlið er stöðugra. Á sama tíma hindrar PG einnig á áhrifaríkan hátt óhóflegan massaflutning á brúnum. Að auki eykur PG einnig C/Si hlutfallið í vaxtarumhverfinu, sérstaklega á fremri brún frækristallsins, sem hjálpar til við að draga úr fasabreytingum meðan á vaxtarferlinu stendur. Á sama tíma dregur einangrunaráhrif PG að vissu marki úr endurkristöllun í efri hluta hráefnisins. Fyrir kristallavöxt hægir PG á kristallavaxtarhraðanum, en vaxtarviðmótið er kúptara. Þess vegna er PG áhrifarík leið til að bæta vaxtarumhverfi SiC-kristalla og hámarka gæði kristalanna.
Birtingartími: 18. júní 2024