מחקר סימולציה נומרית על השפעת גרפיט נקבובי על צמיחת גבישי סיליקון קרביד

התהליך הבסיסי שלסיליקה קרבידגידול גבישים מחולק לסובלימציה ופירוק של חומרי גלם בטמפרטורה גבוהה, הובלת חומרים בשלב גז תחת פעולת גרדיאנט טמפרטורה, וגידול התגבשות מחדש של חומרים בשלב גז בגביש הזרעים. בהתבסס על כך, פנים כור ההיתוך מחולק לשלושה חלקים: אזור חומר הגלם, תא הגידול וגביש הזרעים. מודל סימולציה מספרי נוצר בהתבסס על ההתנגדות בפועל.סיליקה קרבידציוד גידול גביש יחיד (ראה איור 1). בחישוב: תחתית המַצרֵףנמצא במרחק של 90 מ"מ מתחתית גוף החימום הצדדי, הטמפרטורה העליונה של כור ההיתוך היא 2100 ℃, קוטר חלקיקי חומר הגלם הוא 1000 מיקרון, הנקבוביות היא 0.6, לחץ הגידול הוא 300 פאסל וזמן הגידול הוא 100 שעות. עובי PG הוא 5 מ"מ, הקוטר שווה לקוטר הפנימי של כור ההיתוך, והוא ממוקם 30 מ"מ מעל חומר הגלם. תהליכי הסובלימציה, הפחמן וההתגבשות מחדש של אזור חומר הגלם נלקחים בחשבון בחישוב, והתגובה בין PG לחומרים בפאזה גזית אינה נלקחת בחשבון. פרמטרי התכונות הפיזיקליות הקשורים לחישוב מוצגים בטבלה 1.

איור 1 מודל חישוב סימולציה. (א) מודל שדה תרמי לסימולציית צמיחת גבישים; (ב) חלוקת השטח הפנימי של כור ההיתוך ובעיות פיזיקליות קשורות

טבלה 1 כמה פרמטרים פיזיקליים ששימשו בחישוב

איור 2(א) מראה כי הטמפרטורה של המבנה המכיל PG (מסומן כמבנה 1) גבוהה יותר מזו של המבנה נטול PG (מסומן כמבנה 0) מתחת ל-PG, ונמוכה יותר מזו של מבנה 0 מעל PG. מפל הטמפרטורה הכולל עולה, ו-PG משמש כחומר מבודד חום. לפי איורים 2(ב) ו-2(ג), מפל הטמפרטורה הצירי והרדיאלי של מבנה 1 באזור חומר הגלם קטנים יותר, פיזור הטמפרטורה אחיד יותר, והסובלימציה של החומר מלאה יותר. שלא כמו באזור חומר הגלם, איור 2(ג) מראה כי מפל הטמפרטורה הרדיאלי בגביש הזרע של מבנה 1 גדול יותר, דבר שעשוי להיגרם עקב הפרופורציות השונות של מצבי העברת חום שונים, מה שעוזר לגביש לגדול עם ממשק קמור. באיור 2(ד), הטמפרטורה במיקומים שונים בכור ההיתוך מראה מגמת עלייה ככל שהגידול מתקדם, אך הפרש הטמפרטורה בין מבנה 0 למבנה 1 יורד בהדרגה באזור חומר הגלם ועולה בהדרגה בתא הגידול.

איור 2: התפלגות טמפרטורה ושינויים בכור ההיתוך. (א) התפלגות טמפרטורה בתוך כור ההיתוך של מבנה 0 (שמאל) ומבנה 1 (ימין) ב-0 שעות, יחידה: ℃; (ב) התפלגות טמפרטורה על קו המרכז של כור ההיתוך של מבנה 0 ומבנה 1 מתחתית חומר הגלם ועד גביש הזרעים ב-0 שעות; (ג) התפלגות טמפרטורה מהמרכז ועד לקצה כור ההיתוך על פני גביש הזרעים (A) ומשטח חומר הגלם (B), האמצע (C) והתחתון (D) ב-0 שעות, הציר האופקי r הוא רדיוס גביש הזרעים עבור A, ורדיוס שטח חומר הגלם עבור B~D; (ד) שינויי טמפרטורה במרכז החלק העליון (A), פני חומר הגלם (B) והאמצע (C) של תא הגידול של מבנה 0 ומבנה 1 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות.

איור 3 מציג את הובלת החומר בזמנים שונים בכור ההיתוך של מבנה 0 ומבנה 1. קצב הזרימה של חומר הפאזה הגזית באזור חומר הגלם ובתא הגידול עולה עם העלייה במיקום, והובלת החומר נחלשת ככל שהגידול מתקדם. איור 3 מראה גם שבתנאי הסימולציה, חומר הגלם יוצר גרפיט תחילה על דופן צידי כור ההיתוך ולאחר מכן על תחתית כור ההיתוך. בנוסף, ישנה התגבשות מחדש על פני חומר הגלם והיא מתעבה בהדרגה ככל שהגידול מתקדם. איורים 4(א) ו-4(ב) מראים שקצב זרימת החומר בתוך חומר הגלם יורד ככל שהגידול מתקדם, וקצב זרימת החומר ב-100 שעות הוא כ-50% מהמומנט ההתחלתי; עם זאת, קצב הזרימה גדול יחסית בקצה עקב הגרפיטיזציה של חומר הגלם, וקצב הזרימה בקצה גדול פי 10 מקצב הזרימה באזור האמצעי ב-100 שעות; בנוסף, ההשפעה של PG במבנה 1 הופכת את קצב זרימת החומר באזור חומר הגלם של מבנה 1 נמוך יותר מזה של מבנה 0. באיור 4(ג), זרימת החומר הן באזור חומר הגלם והן בתא הגידול נחלשת בהדרגה ככל שהגידול מתקדם, וזרימת החומר באזור חומר הגלם ממשיכה לרדת, דבר שנגרם מפתיחת תעלת זרימת האוויר בקצה כור ההיתוך וחסימת התגבשות מחדש בחלק העליון; בתא הגידול, קצב זרימת החומר של מבנה 0 יורד במהירות ב-30 השעות הראשונות ל-16%, ויורד רק ב-3% בזמן שלאחר מכן, בעוד שמבנה 1 נשאר יציב יחסית לאורך כל תהליך הגידול. לכן, PG מסייע לייצב את קצב זרימת החומר בתא הגידול. איור 4(ד) משווה את קצב זרימת החומר בחזית גידול הגביש. ברגע ההתחלתי ולאחר 100 שעות, תנועת החומר באזור הגידול של מבנה 0 חזקה יותר מזו שבמבנה 1, אך תמיד קיים אזור בעל קצב זרימה גבוה בקצה מבנה 0, מה שמוביל לגידול מוגזם בקצה. נוכחותו של PG במבנה 1 מדכאת ביעילות תופעה זו.

איור 3 זרימת חומר בכור ההיתוך. קווי זרימת מים (משמאל) ווקטורי מהירות (מימין) של הובלת חומר גז במבנים 0 ו-1 בזמנים שונים, יחידת וקטור מהירות: מטר/שנייה

איור 4 שינויים בקצב זרימת החומר. (א) שינויים בהתפלגות קצב זרימת החומר במרכז חומר הגלם של מבנה 0 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות, r הוא רדיוס אזור חומר הגלם; (ב) שינויים בהתפלגות קצב זרימת החומר במרכז חומר הגלם של מבנה 1 ב-0, 30, 60 ו-100 שעות, r הוא רדיוס אזור חומר הגלם; (ג) שינויים בקצב זרימת החומר בתוך תא הגידול (A, B) ובתוך חומר הגלם (C, D) של מבנים 0 ו-1 לאורך זמן; (ד) התפלגות קצב זרימת החומר ליד פני השטח של גביש הזרעים של מבנים 0 ו-1 ב-0 ו-100 שעות, r הוא רדיוס גביש הזרעים.

C/Si משפיע על היציבות הגבישית וצפיפות הפגמים של גידול גבישי SiC. איור 5(א) משווה את התפלגות יחס C/Si של שני המבנים ברגע ההתחלתי. יחס C/Si יורד בהדרגה מלמטה לראש כור ההיתוך, ויחס C/Si של מבנה 1 תמיד גבוה יותר מזה של מבנה 0 במיקומים שונים. איורים 5(ב) ו-5(ג) מראים שיחס C/Si עולה בהדרגה עם הגידול, דבר הקשור לעלייה בטמפרטורה הפנימית בשלב המאוחר יותר של הגידול, לשיפור הגרפיטיזציה של חומר הגלם, ולתגובת רכיבי ה-Si בשלב הגז עם כור ההיתוך של הגרפיט. באיור 5(ד), יחסי C/Si של מבנה 0 ומבנה 1 שונים למדי מתחת ל-PG (0, 25 מ"מ), אך שונים במקצת מעל PG (50 מ"מ), וההבדל עולה בהדרגה ככל שמתקרב לגביש. באופן כללי, יחס C/Si של מבנה 1 גבוה יותר, מה שעוזר לייצב את צורת הגביש ולהפחית את הסבירות למעבר פאזה.

איור 5 התפלגות ושינויים ביחס C/Si. (א) התפלגות יחס C/Si בכורי ציד של מבנה 0 (שמאל) ומבנה 1 (ימין) ב-0 שעות; (ב) יחס C/Si במרחקים שונים מקו המרכז של כור הציד של מבנה 0 בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות); (ג) יחס C/Si במרחקים שונים מקו המרכז של כור הציד של מבנה 1 בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות); (ד) השוואה של יחס C/Si במרחקים שונים (0, 25, 50, 75, 100 מ"מ) מקו המרכז של כור הציד של מבנה 0 (קו רציף) ומבנה 1 (קו מקווקו) בזמנים שונים (0, 30, 60, 100 שעות).

איור 6 מציג את השינויים בקוטר החלקיקים ובנקבוביות של אזורי חומר הגלם של שני המבנים. האיור מראה שקוטר חומר הגלם יורד והנקבוביות עולה ליד דופן ציד המכשפה, ונקבוביות הקצה ממשיכה לגדול וקוטר החלקיקים ממשיך לרדת ככל שהצמיחה מתקדמת. נקבוביות הקצה המקסימלית היא כ-0.99 ב-100 שעות, וקוטר החלקיקים המינימלי הוא כ-300 מיקרון. קוטר החלקיקים עולה והנקבוביות יורדת על פני השטח העליונים של חומר הגלם, בהתאם להתגבשות מחדש. עובי אזור ההתגבשות מחדש עולה ככל שהצמיחה מתקדמת, וגודל החלקיקים והנקבוביות ממשיכים להשתנות. קוטר החלקיקים המקסימלי מגיע ליותר מ-1500 מיקרון, ונקבוביות המינימום היא 0.13. בנוסף, מכיוון ש-PG מגביר את הטמפרטורה של אזור חומר הגלם ורוויית היתר של הגז קטנה, עובי ההתגבשות מחדש של החלק העליון של חומר הגלם של מבנה 1 קטן, מה שמשפר את שיעור ניצול חומר הגלם.

איור 6 שינויים בקוטר החלקיקים (שמאל) ובנקבוביות (ימין) של שטח חומר הגלם של מבנה 0 ומבנה 1 בזמנים שונים, יחידת קוטר החלקיקים: מיקרומטר

איור 7 מראה שמבנה 0 מתעוות בתחילת הצמיחה, דבר שעשוי להיות קשור לקצב זרימת החומר המוגזם הנגרם עקב גרפיטיזציה של קצה חומר הגלם. מידת העיוות נחלשת במהלך תהליך הצמיחה שלאחר מכן, דבר התואם את השינוי בקצב זרימת החומר בחזית צמיחת הגביש של מבנה 0 באיור 4 (ד). במבנה 1, עקב השפעת PG, ממשק הגביש אינו מראה עיוות. בנוסף, PG גם גורם לקצב הצמיחה של מבנה 1 להיות נמוך משמעותית מזה של מבנה 0. עובי המרכז של הגביש של מבנה 1 לאחר 100 שעות הוא רק 68% מזה של מבנה 0.

איור 7 שינויים בממשק של גבישי מבנה 0 ומבנה 1 ב-30, 60 ו-100 שעות

גידול הגבישים בוצע בתנאי תהליך של סימולציה נומרית. הגבישים שגודלו לפי מבנה 0 ומבנה 1 מוצגים באיור 8(א) ובאיור 8(ב), בהתאמה. הגביש של מבנה 0 מציג ממשק קעור, עם גליות באזור המרכזי ומעבר פאזה בקצה. קמירות פני השטח מייצגת מידה מסוימת של אי-הומוגניות בהובלת חומרים בפאזה גזית, והתרחשות מעבר הפאזה תואמת את יחס C/Si הנמוך. ממשק הגביש שגודל לפי מבנה 1 קמור מעט, לא נמצא מעבר פאזה, והעובי הוא 65% מהגביש ללא PG. באופן כללי, תוצאות גידול הגביש תואמות את תוצאות הסימולציה, עם הפרש טמפרטורה רדיאלי גדול יותר בממשק הגביש של מבנה 1, הצמיחה המהירה בקצה מדוכאת, וקצב הזרימה הכולל של החומר איטי יותר. המגמה הכללית עולה בקנה אחד עם תוצאות הסימולציה הנומרית.

איור 8 גבישי SiC שגודלו תחת מבנה 0 ומבנה 1

מַסְקָנָה

PG תורם לשיפור הטמפרטורה הכוללת של אזור חומר הגלם ולשיפור אחידות הטמפרטורה הצירית והרדיאלית, מקדם סובלימציה מלאה וניצול של חומר הגלם; הפרש הטמפרטורה העליון והתחתון עולה, והגרדיאנט הרדיאלי של פני השטח של גביש הזרע עולה, מה שעוזר לשמור על צמיחת הממשק הקמור. מבחינת העברת מסה, הכנסת PG מפחיתה את קצב העברת המסה הכולל, קצב זרימת החומר בתא הגידול המכיל PG משתנה פחות עם הזמן, וכל תהליך הגידול יציב יותר. במקביל, PG גם מעכב ביעילות את התרחשותה של העברת מסה מוגזמת בקצה. בנוסף, PG גם מגדיל את יחס C/Si של סביבת הגידול, במיוחד בקצה הקדמי של ממשק גביש הזרע, מה שעוזר להפחית את התרחשות שינוי הפאזה במהלך תהליך הגידול. במקביל, אפקט הבידוד התרמי של PG מפחית במידה מסוימת את התרחשות ההתגבשות מחדש בחלק העליון של חומר הגלם. עבור צמיחת גבישים, PG מאט את קצב צמיחת הגביש, אך ממשק הגידול קמור יותר. לכן, PG הוא אמצעי יעיל לשיפור סביבת הגידול של גבישי SiC ולמיטוב איכות הגביש.