Негизги процессSiCКристаллдын өсүшү чийки заттын жогорку температурада сублимацияланышы жана ажыроосу, температура градиентинин таасири астында газ фазасындагы заттарды ташуу жана үрөн кристаллындагы газ фазасындагы заттардын кайра кристаллдашуу өсүшү болуп бөлүнөт. Ушуга таянып, тигельдин ички бөлүгү үч бөлүккө бөлүнөт: чийки зат аянты, өсүү камерасы жана үрөн кристаллы. Чыныгы каршылыктын негизинде сандык симуляция модели түзүлдү.SiCмонокристалл өстүрүүчү жабдуулар (1-сүрөттү караңыз). Эсептөөдө: түбүндөгүтигелькаптал жылыткычтын түбүнөн 90 мм алыстыкта жайгашкан, тигельдин үстүнкү температурасы 2100 ℃, чийки заттын бөлүкчөсүнүн диаметри 1000 мкм, көзөнөктүүлүгү 0,6, өсүү басымы 300 Па жана өсүү убактысы 100 саат. PG калыңдыгы 5 мм, диаметри тигельдин ички диаметрине барабар жана ал чийки заттан 30 мм жогору жайгашкан. Чийки зат зонасынын сублимация, көмүртектешүү жана кайра кристаллдашуу процесстери эсептөөдө эске алынат, ал эми PG менен газ фазасындагы заттардын ортосундагы реакция эске алынбайт. Эсептөөгө байланыштуу физикалык касиеттердин параметрлери 1-таблицада көрсөтүлгөн.
1-сүрөт. Моделдөөнү эсептөө модели. (а) Кристаллдын өсүшүн симуляциялоо үчүн жылуулук талаасынын модели; (б) Тигельдин ички аянтын бөлүү жана ага байланыштуу физикалык маселелер.
1-таблица. Эсептөөдө колдонулган кээ бир физикалык параметрлер
2(а)-сүрөттө PG камтыган структуранын (1-структура деп белгиленет) температурасы PGден төмөн PGсиз структуранын (0-структура деп белгиленет) температурасынан жогору жана PGден жогору 0-структуранын температурасынан төмөн экени көрсөтүлгөн. Жалпы температура градиенти жогорулайт жана PG жылуулук изоляциялоочу агент катары иштейт. 2(b) жана 2(c)-сүрөттөргө ылайык, чийки зат зонасындагы 1-структуранын октук жана радиалдык температура градиенттери кичине, температуранын бөлүштүрүлүшү бирдей жана материалдын сублимациясы толук. Чийки зат зонасынан айырмаланып, 2(c)-сүрөттө 1-структуранын үрөн кристаллындагы радиалдык температура градиенти чоңураак экени көрсөтүлгөн, бул ар кандай жылуулук өткөрүү режимдеринин ар кандай пропорцияларынан улам келип чыгышы мүмкүн, бул кристаллдын томпок интерфейс менен өсүшүнө жардам берет. 2(d)-сүрөттө тигельдеги ар кандай позициялардагы температура өсүү процесси менен жогорулоо тенденциясын көрсөтөт, бирок 0-структура менен 1-структуранын ортосундагы температура айырмасы чийки зат зонасында акырындык менен азаят жана өсүү камерасында акырындык менен жогорулайт.
2-сүрөт. Тигельдеги температуранын бөлүштүрүлүшү жана өзгөрүүлөрү. (а) 0-түзүлүштүн (солдо) жана 1-түзүлүштүн (оңдо) тигель ичиндеги температуранын 0 саатта бөлүштүрүлүшү, бирдик: ℃; (b) 0 саатта 0-түзүлүштүн жана 1-түзүлүштүн тигельинин борбордук сызыгы боюнча чийки заттын түбүнөн үрөн кристаллына чейин температуранын бөлүштүрүлүшү; (c) 0 саатта үрөн кристаллынын бетинде (A) жана чийки заттын бетинде (B), ортоңку (C) жана түбүндө (D) борбордон тигельдин четине чейин температуранын бөлүштүрүлүшү, r горизонталдык огу - A үчүн үрөн кристаллынын радиусу, ал эми B~D үчүн чийки заттын аянтынын радиусу; (d) 0, 30, 60 жана 100 саатта 0-түзүлүштүн жана 1-түзүлүштүн өсүү камерасынын үстүнкү бөлүгүнүн (A), чийки заттын бетинин (B) жана ортоңку (C) борборундагы температуранын өзгөрүүлөрү.
3-сүрөттө 0-структуранын жана 1-структуранын тигелине ар кандай убакыттарда материалдын ташылышы көрсөтүлгөн. Чийки зат аймагындагы жана өсүү камерасындагы газ фазасындагы материалдын агым ылдамдыгы позициянын жогорулашы менен жогорулайт жана өсүү жүрүп жатканда материалдын ташылышы басаңдайт. 3-сүрөттө ошондой эле симуляция шарттарында чийки зат алгач тигелдин каптал дубалында, андан кийин тигелдин түбүндө графиттенери көрсөтүлгөн. Мындан тышкары, чийки заттын бетинде кайра кристаллдануу болот жана өсүү жүрүп жатканда ал акырындык менен коюуланат. 4(а) жана 4(б) сүрөттөрүндө чийки заттын ичиндеги материалдын агым ылдамдыгы өсүү жүрүп жатканда төмөндөй турганы жана 100 сааттагы материалдын агым ылдамдыгы баштапкы моменттин болжол менен 50% түзөрү көрсөтүлгөн; бирок, чийки заттын графиттенүүсүнөн улам четинде агым ылдамдыгы салыштырмалуу чоң жана четиндеги агым ылдамдыгы 100 сааттагы ортоңку аймактагы агым ылдамдыгынан 10 эседен ашык; Мындан тышкары, PGнин 1-структурадагы таасири 1-структуранын чийки зат аймагындагы материалдын агым ылдамдыгын 0-структурага караганда төмөн кылат. 4(c)-сүрөттө чийки зат аймагындагы да, өсүү камерасындагы да материалдын агымы өсүү жүрүп жатканда акырындык менен алсырайт жана чийки зат аймагындагы материалдын агымы азая берет, бул тигельдин четиндеги аба агымы каналынын ачылышынан жана үстүнкү бөлүгүндө кайра кристаллдашуу процессинин тоскоолдуктарынан улам келип чыгат; өсүү камерасында 0-структуранын материалдын агым ылдамдыгы алгачкы 30 саатта тездик менен 16% га чейин төмөндөйт жана кийинки убакытта 3% гана төмөндөйт, ал эми 1-структура өсүү процессинде салыштырмалуу туруктуу бойдон калат. Ошондуктан, PG өсүү камерасындагы материалдын агым ылдамдыгын турукташтырууга жардам берет. 4(d)-сүрөттө кристаллдын өсүү фронтундагы материалдын агым ылдамдыгы салыштырылат. Баштапкы учурда жана 100 саатта 0-түзүлүштүн өсүү зонасындагы материалдык ташуу 1-түзүлүштөгүгө караганда күчтүүрөөк, бирок 0-түзүлүштүн четинде ар дайым жогорку агым ылдамдыгы бар аймак болот, бул четинде ашыкча өсүүгө алып келет. 1-түзүлүштө PG болушу бул кубулушту натыйжалуу басат.
3-сүрөт. Тигельдеги материалдык агым. 0 жана 1 конструкцияларында ар кандай убакытта газ материалынын ташылышынын агым сызыктары (солдо) жана ылдамдык векторлору (оңдо), ылдамдык векторунун бирдиги: м/с
4-сүрөт. Материалдын агым ылдамдыгынын өзгөрүшү. (а) 0, 30, 60 жана 100 саатта 0 структурасынын чийки затынын ортосундагы материалдын агым ылдамдыгынын бөлүштүрүлүшүндөгү өзгөрүүлөр, r - чийки зат аянтынын радиусу; (б) 0, 30, 60 жана 100 саатта 1 структурасынын чийки затынын ортосундагы материалдын агым ылдамдыгынын бөлүштүрүлүшүндөгү өзгөрүүлөр, r - чийки зат аянтынын радиусу; (в) 0 жана 1 структураларынын өсүү камерасынын ичиндеги (А, В) жана чийки заттын ичиндеги (С, D) материалдын агым ылдамдыгынын убакыттын өтүшү менен өзгөрүшү; (г) 0 жана 1 структураларынын үрөн кристаллынын бетине жакын жердеги материалдын агым ылдамдыгынын 0 жана 100 саатта бөлүштүрүлүшү, r - үрөн кристаллынын радиусу
C/Si SiC кристаллдык өсүшүнүн кристаллдык туруктуулугуна жана кемчилик тыгыздыгына таасир этет. 5(a) сүрөтүндө эки структуранын баштапкы учурда C/Si катышынын бөлүштүрүлүшү салыштырылат. C/Si катышы тигельдин түбүнөн жогору карай акырындык менен төмөндөйт жана 1-структуранын C/Si катышы ар кандай позицияларда 0-структураныкынан ар дайым жогору болот. 5(b) жана 5(c) сүрөттөрүндө C/Si катышы өсүү менен акырындык менен жогорулай турганы көрсөтүлгөн, бул өсүүнүн кийинки этабында ички температуранын жогорулашы, чийки заттын графиттештирилишинин күчөшү жана газ фазасындагы Si компоненттеринин графит тигель менен реакциясы менен байланыштуу. 5(d) сүрөтүндө 0-структуранын жана 1-структуранын C/Si катыштары PG (0, 25 мм) астында бир топ айырмаланат, бирок PG (50 мм) жогоруда бир аз айырмаланат жана айырма кристаллга жакындаган сайын акырындык менен жогорулайт. Жалпысынан алганда, 1-структуранын C/Si катышы жогору, бул кристалл формасын турукташтырууга жана фазалык өтүү ыктымалдыгын азайтууга жардам берет.
5-сүрөт. C/Si катышынын бөлүштүрүлүшү жана өзгөрүүлөрү. (а) 0-түзүлүштүн (солдо) жана 1-түзүлүштүн (оңдо) тигельдериндеги 0 саатта C/Si катышынын бөлүштүрүлүшү; (б) 0-түзүлүштүн тигельинин борбордук сызыгынан ар кандай убакыттарда (0, 30, 60, 100 саат) ар кандай аралыкта C/Si катышы; (в) 1-түзүлүштүн тигельинин борбордук сызыгынан ар кандай убакыттарда (0, 30, 60, 100 саат) ар кандай аралыкта C/Si катышы; (г) 0-түзүлүштүн (бир бүтүн сызык) жана 1-түзүлүштүн (үзүк сызык) тигельинин борбордук сызыгынан ар кандай убакыттарда (0, 30, 60, 100 саат) ар кандай аралыкта (0, 25, 50, 75, 100 мм) C/Si катышын салыштыруу.
6-сүрөттө эки структуранын чийки зат аймактарынын бөлүкчөлөрүнүн диаметринин жана кеуектүүлүгүнүн өзгөрүшү көрсөтүлгөн. Сүрөттө чийки заттын диаметри азайып, тигель дубалынын жанында кеуектүүлүк жогорулай турганы, ал эми өсүү процесси жүрүп жатканда четинин кеуектүүлүгү жогорулай берери жана бөлүкчөнүн диаметри төмөндөй берери көрсөтүлгөн. Четинин максималдуу кеуектүүлүгү 100 саатта болжол менен 0,99, ал эми бөлүкчөнүн минималдуу диаметри болжол менен 300 мкм. Бөлүкчөнүн диаметри жогорулайт жана чийки заттын үстүнкү бетинде кеуектүүлүк азаят, бул кайра кристаллдашуу процессине туура келет. Кайра кристаллдашуу аянтынын калыңдыгы өсүү процесси жүрүп жатканда жогорулайт жана бөлүкчөнүн өлчөмү жана кеуектүүлүгү өзгөрө берет. Бөлүкчөнүн максималдуу диаметри 1500 мкмден ашат, ал эми минималдуу кеуектүүлүк 0,13. Мындан тышкары, PG чийки зат аянтынын температурасын жогорулатып, газдын ашыкча каныгуусу аз болгондуктан, 1-структуранын чийки затынын үстүнкү бөлүгүнүн кайра кристаллдашуу калыңдыгы аз, бул чийки затты пайдалануу ылдамдыгын жакшыртат.
6-сүрөт. 0-түзүлүштүн жана 1-түзүлүштүн чийки зат аянтынын бөлүкчөлөрүнүн диаметринин (солдо) жана тешиктүүлүгүнүн (оңдо) ар кандай убакытта өзгөрүшү, бөлүкчөнүн диаметринин бирдиги: мкм
7-сүрөттө 0-түзүлүш өсүүнүн башында кыйшайып турганы көрсөтүлгөн, бул чийки заттын четинин графиттештирилишинен улам пайда болгон ашыкча материалдык агым ылдамдыгына байланыштуу болушу мүмкүн. Кийинки өсүү процессинде кыйшайуу даражасы басаңдайт, бул 4-сүрөттө (d) көрсөтүлгөн 0-түзүлүштүн кристаллдык өсүшүнүн алдыңкы жагындагы материалдык агым ылдамдыгынын өзгөрүшүнө туура келет. 1-түзүлүштө, PG таасиринен улам, кристаллдык интерфейс кыйшайууну көрсөтпөйт. Мындан тышкары, PG 1-түзүлүштүн өсүү ылдамдыгын 0-түзүлүштүккө караганда бир кыйла төмөн кылат. 100 сааттан кийин 1-түзүлүштүн кристаллынын борбордук калыңдыгы 0-түзүлүштүктүн калыңдыгынын 68% гана түзөт.
7-сүрөт. 0-түзүлүштүн жана 1-түзүлүштүн кристаллдарынын интерфейсинин 30, 60 жана 100 сааттагы өзгөрүүлөрү
Кристаллдын өсүшү сандык симуляция процессинин шарттарында жүргүзүлдү. 0-түзүлүш жана 1-түзүлүш менен өстүрүлгөн кристаллдар тиешелүүлүгүнө жараша 8(a) жана 8(b) сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. 0-түзүлүштүн кристаллында борбордук аймакта толкундар жана четинде фазалык өткөөл бар, оюк интерфейс көрсөтүлгөн. Беттик томпоктук газ фазасындагы материалдардын ташылышында белгилүү бир деңгээлде бирдей эместикти билдирет жана фазалык өтүүнүн пайда болушу төмөнкү C/Si катышына туура келет. 1-түзүлүш менен өстүрүлгөн кристаллдын интерфейси бир аз томпок, фазалык өтүү табылган жок жана калыңдыгы PGсиз кристаллдын 65% түзөт. Жалпысынан алганда, кристаллдын өсүү жыйынтыктары симуляциянын жыйынтыктарына туура келет, 1-түзүлүштүн кристаллдык интерфейсинде радиалдык температуранын айырмасы чоңураак болгондо, четиндеги тез өсүү басылып, жалпы материалдык агым ылдамдыгы жайыраак болот. Жалпы тенденция сандык симуляциянын жыйынтыктарына дал келет.
8-сүрөт 0 жана 1-түзүлүштөрүнүн астында өстүрүлгөн SiC кристаллдары
Жыйынтык
PG чийки заттын жалпы температурасынын жакшырышына жана октук жана радиалдык температуранын бирдейлигин жакшыртууга өбөлгө түзөт, чийки заттын толук сублимацияланышына жана пайдаланылышына өбөлгө түзөт; үстүнкү жана астыңкы температуранын айырмасы жогорулайт жана үрөн кристаллынын бетинин радиалдык градиенти жогорулайт, бул томпок интерфейстин өсүшүн сактоого жардам берет. Масса алмашуу жагынан алганда, PG киргизүү жалпы масса алмашуу ылдамдыгын төмөндөтөт, PG камтыган өсүү камерасындагы материалдын агым ылдамдыгы убакыттын өтүшү менен азыраак өзгөрөт жана бүтүндөй өсүү процесси туруктуураак болот. Ошол эле учурда, PG ошондой эле ашыкча четки масса алмашуусунун пайда болушун натыйжалуу токтотот. Мындан тышкары, PG ошондой эле өсүү чөйрөсүнүн C/Si катышын, айрыкча үрөн кристаллынын интерфейсинин алдыңкы четинде жогорулатат, бул өсүү процессинде фазанын өзгөрүшүнүн пайда болушун азайтууга жардам берет. Ошол эле учурда, PGнин жылуулук изоляциялык таасири чийки заттын үстүнкү бөлүгүндө кайра кристаллдашуу пайда болушун белгилүү бир деңгээлде азайтат. Кристаллдын өсүшү үчүн PG кристаллдын өсүү ылдамдыгын жайлатат, бирок өсүү интерфейси көбүрөөк томпок болот. Ошондуктан, PG SiC кристаллдарынын өсүү чөйрөсүн жакшыртуу жана кристаллдын сапатын оптималдаштыруунун натыйжалуу каражаты болуп саналат.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 18-июну