Үндсэн үйл явц ньSiCКристал өсөлтийг түүхий эдийг өндөр температурт сублимаци ба задрал, температурын градиентийн нөлөөн дор хийн фазын бодисыг тээвэрлэх, үрийн талст дээр хийн фазын бодисын дахин талсжих өсөлт гэж хуваадаг. Үүн дээр үндэслэн тигелийн дотор талыг түүхий эдийн талбай, өсөлтийн камер, үрийн талст гэсэн гурван хэсэгт хуваадаг. Бодит эсэргүүцэл дээр үндэслэн тоон симуляцийн загварыг зурсан.SiCдан талст ургуулах төхөөрөмж (Зураг 1-ийг үзнэ үү). Тооцоололд: доод хэсэгтигельХажуугийн халаагчийн ёроолоос 90 мм зайд, тигелийн дээд температур 2100 ℃, түүхий эдийн ширхэгийн диаметр 1000 μм, сүвэрхэг чанар 0.6, өсөлтийн даралт 300 Па, өсөлтийн хугацаа 100 цаг байна. PG-ийн зузаан нь 5 мм, диаметр нь тигелийн дотоод диаметртэй тэнцүү бөгөөд түүхий эдээс 30 мм-ийн өндөрт байрладаг. Түүхий эдийн бүсийн сублимаци, нүүрстөрөгчжилт, дахин талсжих процессыг тооцоонд авч үзсэн бөгөөд PG болон хийн фазын бодисын хоорондох урвалыг тооцохгүй. Тооцоололтой холбоотой физик шинж чанарын параметрүүдийг Хүснэгт 1-д үзүүлэв.
Зураг 1 Симуляцийн тооцооллын загвар. (a) Кристал өсөлтийн симуляцийн дулааны талбайн загвар; (b) Тигелийн дотоод талбайг хуваах болон холбогдох физик асуудлууд
Хүснэгт 1 Тооцоололд ашигласан зарим физик параметрүүд
Зураг 2(a)-д PG агуулсан бүтцийн (1-р бүтэц гэж тэмдэглэсэн) температур нь PG-ээс доош PG агуулаагүй бүтцийн (0-р бүтэц гэж тэмдэглэсэн) температураас өндөр, PG-ээс дээш 0-р бүтцийн температураас бага байгааг харуулж байна. Нийт температурын градиент нэмэгдэж, PG нь дулаан тусгаарлагч бодис болж үйлчилдэг. Зураг 2(b) ба 2(c)-ийн дагуу түүхий эдийн бүс дэх 1-р бүтцийн тэнхлэгийн болон радиаль температурын градиентууд бага, температурын тархалт илүү жигд, материалын сублимаци илүү бүрэн гүйцэд байна. Түүхий эдийн бүсээс ялгаатай нь Зураг 2(c)-д 1-р бүтцийн үрийн талст дээрх радиаль температурын градиент илүү том байгааг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь өөр өөр дулаан дамжуулах горимуудын өөр өөр харьцаанаас үүдэлтэй байж болох бөгөөд энэ нь талстыг гүдгэр интерфейстэй ургахад тусалдаг. Зураг 2(d)-д тигелийн өөр өөр байрлал дахь температур нь өсөлтийн явцад нэмэгдэх хандлагатай байгааг харуулж байгаа боловч 0-р бүтэц ба 1-р бүтцийн хоорондох температурын зөрүү түүхий эдийн бүсэд аажмаар буурч, өсөлтийн камерт аажмаар нэмэгддэг.
Зураг 2. Тигелийн температурын тархалт ба өөрчлөлтүүд. (a) 0 бүтэц (зүүн) болон 1 бүтэц (баруун)-ын тигелийн доторх температурын тархалт 0 цагийн үед, нэгж: ℃; (b) 0 цагийн үед 0 бүтэц ба 1 бүтэцтэй тигелийн төв шугамын дагуу түүхий эдийн ёроолоос үрийн талст хүртэлх температурын тархалт; (c) 0 цагийн үед үрийн талстын гадаргуу (A) болон түүхий эдийн гадаргуу (B), дунд (C) болон ёроол (D) дээрх төвөөс тигелийн ирмэг хүртэлх температурын тархалт, хэвтээ тэнхлэг r нь A-ийн хувьд үрийн талстын радиус, B~D-ийн хувьд түүхий эдийн талбайн радиус юм; (d) 0, 30, 60, 100 цагийн үед 0 бүтэц ба 1 бүтэцтэй ургалтын камерын дээд хэсгийн (A), түүхий эдийн гадаргуу (B) болон дунд (C)-ын төв хэсэгт температурын өөрчлөлтүүд.
Зураг 3-т 0 ба 1-р бүтэцтэй тигл дэх өөр өөр цаг үед материалын тээвэрлэлтийг харуулав. Түүхий эдийн хэсэг болон өсөлтийн камер дахь хийн фазын материалын урсгалын хурд нь байрлал нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгдэж, өсөлтийн явцад материалын тээвэрлэлт сулардаг. Зураг 3-т мөн симуляцийн нөхцөлд түүхий эд нь эхлээд тиглийн хажуугийн хананд, дараа нь тиглийн ёроолд графитждаг болохыг харуулж байна. Үүнээс гадна, түүхий эдийн гадаргуу дээр дахин талсжих процесс явагдаж, өсөлтийн явцад аажмаар зузаардаг. Зураг 4(a) ба 4(b)-д түүхий эдийн доторх материалын урсгалын хурд өсөлтийн явцад буурч, 100 цагийн материалын урсгалын хурд нь анхны моментийн 50% орчим байгааг харуулж байна; гэсэн хэдий ч түүхий эдийн графитжуулалтын улмаас ирмэг дээр урсгалын хурд харьцангуй их бөгөөд ирмэг дээрх урсгалын хурд нь 100 цагийн дунд хэсгийн урсгалын хурдаас 10 дахин их байна; Үүнээс гадна, 1-р бүтэц дэх PG-ийн нөлөө нь 1-р бүтцийн түүхий эдийн хэсэгт материалын урсгалын хурдыг 0-р бүтцийнхээс бага болгодог. Зураг 4(c)-д түүхий эдийн хэсэг болон өсөлтийн камер дахь материалын урсгал өсөлтийн явцад аажмаар суларч, түүхий эдийн хэсэг дэх материалын урсгал буурсаар байгаа нь тигелийн ирмэг дээрх агаарын урсгалын суваг нээгдэж, дээд хэсэгт дахин талсжих үйл явц саад болж байгаатай холбоотой юм; өсөлтийн камерт 0-р бүтцийн материалын урсгалын хурд эхний 30 цагт 16% хүртэл хурдан буурч, дараагийн хугацаанд ердөө 3% -иар буурдаг бол 1-р бүтэц нь өсөлтийн явцад харьцангуй тогтвортой хэвээр байна. Тиймээс PG нь өсөлтийн камер дахь материалын урсгалын хурдыг тогтворжуулахад тусалдаг. Зураг 4(d)-д талстын өсөлтийн фронт дахь материалын урсгалын хурдыг харьцуулсан болно. Эхний мөч болон 100 цагийн үед 0 бүтцийн өсөлтийн бүс дэх материалын тээвэрлэлт 1-р бүтцийнхээс илүү хүчтэй байдаг боловч 0 бүтцийн ирмэг дээр үргэлж өндөр урсгалын хурдтай талбай байдаг бөгөөд энэ нь ирмэг дээр хэт их өсөлтөд хүргэдэг. 1-р бүтцэд PG байгаа нь энэ үзэгдлийг үр дүнтэй дарангуйлдаг.
Зураг 3. Тигель дэх материалын урсгал. 0 ба 1 байгууламжид хийн материалын тээвэрлэлтийн урсгалын шугамууд (зүүн) ба хурдны векторууд (баруун) өөр өөр цаг үед, хурдны векторын нэгж: м/с
Зураг 4 Материалын урсгалын хурдны өөрчлөлт. (a) 0, 30, 60, 100 цагийн үед 0 бүтцийн түүхий эдийн дундах материалын урсгалын хурдны тархалтын өөрчлөлт, r нь түүхий эдийн талбайн радиус; (b) 0, 30, 60, 100 цагийн үед 1-р бүтцийн түүхий эдийн дундах материалын урсгалын хурдны тархалтын өөрчлөлт, r нь түүхий эдийн талбайн радиус; (c) 0 ба 1 бүтцийн өсөлтийн камер (A, B) доторх болон түүхий эд (C, D) доторх материалын урсгалын хурдны цаг хугацааны явцад гарсан өөрчлөлт; (d) 0 ба 1 бүтцийн үрийн талстын гадаргуугийн ойролцоох материалын урсгалын хурдны тархалт, r нь үрийн талстын радиус
C/Si нь SiC талстын өсөлтийн талстын тогтвортой байдал болон согогийн нягтралд нөлөөлдөг. Зураг 5(a)-д эхний мөчид хоёр бүтцийн C/Si харьцааны тархалтыг харьцуулсан болно. C/Si харьцаа нь тигелийн доороос дээш аажмаар буурдаг бөгөөд 1-р бүтцийн C/Si харьцаа нь өөр өөр байрлалд 0-р бүтцийнхээс үргэлж өндөр байдаг. Зураг 5(b) ба 5(c)-д C/Si харьцаа нь өсөлттэй хамт аажмаар нэмэгдэж байгааг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь өсөлтийн сүүлийн үе шатанд дотоод температурын өсөлт, түүхий эдийн графитжилтын өсөлт, хийн үе шатанд Si бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн графит тигельтэй урвалд орохтой холбоотой юм. Зураг 5(d)-д 0-р бүтэц ба 1-р бүтэцийн C/Si харьцаа нь PG (0, 25 мм)-ээс доош нэлээд ялгаатай боловч PG (50 мм)-ээс дээш арай өөр бөгөөд талст руу ойртох тусам ялгаа аажмаар нэмэгддэг. Ерөнхийдөө 1-р бүтцийн C/Si харьцаа нь өндөр байгаа нь талстын хэлбэрийг тогтворжуулж, фазын шилжилтийн магадлалыг бууруулахад тусалдаг.
Зураг 5 C/Si харьцааны тархалт ба өөрчлөлт. (a) 0 бүтэц (зүүн) болон 1 бүтэц (баруун)-ын тигель дэх C/Si харьцааны тархалт 0 цаг; (b) 0 бүтэц (тигель)-ын төв шугамаас өөр өөр цаг үед (0, 30, 60, 100 цаг) өөр өөр зайд байрлах C/Si харьцаа; (c) 1 бүтэц (тигель)-ын төв шугамаас өөр өөр цаг үед (0, 30, 60, 100 цаг) өөр өөр зайд байрлах C/Si харьцаа; (d) 0 бүтэц (цогц шугам) болон 1 бүтэц (тасархай шугам)-ын тигельний төв шугамаас өөр өөр цаг үед (0, 30, 60, 100 цаг) өөр өөр зайд (0, 25, 50, 75, 100 мм) байрлах C/Si харьцааг харьцуулах.
Зураг 6-д хоёр бүтцийн түүхий эдийн хэсгүүдийн диаметр болон сүвэрхэг чанарын өөрчлөлтийг харуулав. Зурагт түүхий эдийн диаметр буурч, тигелийн ханын ойролцоо сүвэрхэг чанар нэмэгдэж, захын сүвэрхэг чанар үргэлжлүүлэн нэмэгдэж, захын сүвэрхэг чанар өсөлтийн явцад буурсаар байгааг харуулж байна. Хамгийн их захын сүвэрхэг чанар нь 100 цагийн үед 0.99 орчим, хамгийн бага бөөмийн диаметр нь 300 мкм орчим байна. Бөөмийн диаметр нэмэгдэж, түүхий эдийн дээд гадаргуу дээр сүвэрхэг чанар буурч, дахин талсжихтай холбоотой юм. Өсөлт үргэлжлэхийн хэрээр дахин талсжих хэсгийн зузаан нэмэгдэж, бөөмийн хэмжээ болон сүвэрхэг чанар өөрчлөгдсөөр байна. Хамгийн их бөөмийн диаметр нь 1500 мкм-ээс дээш, хамгийн бага сүвэрхэг чанар нь 0.13 байна. Үүнээс гадна, PG нь түүхий эдийн хэсгийн температурыг нэмэгдүүлж, хийн хэт ханасан байдал бага байдаг тул 1-р бүтцийн түүхий эдийн дээд хэсгийн дахин талсжих зузаан бага байдаг нь түүхий эдийн ашиглалтын түвшинг сайжруулдаг.
Зураг 6. 0-р бүтэц ба 1-р бүтэц дэх түүхий эдийн талбайн бөөмийн диаметр (зүүн) ба сүвэрхэг чанар (баруун)-ын өөр өөр цаг үед гарсан өөрчлөлт, бөөмийн диаметрийн нэгж: μм
Зураг 7-д 0 бүтэц нь өсөлтийн эхэн үед гаждаг болохыг харуулсан бөгөөд энэ нь түүхий эдийн ирмэгийн графитжилтээс үүдэлтэй хэт их материалын урсгалын хурдтай холбоотой байж болох юм. Дараагийн өсөлтийн процессын явцад гажуудлын зэрэг сулардаг бөгөөд энэ нь Зураг 4 (d)-д үзүүлсэн 0 бүтцийн талстын өсөлтийн урд талын материалын урсгалын хурдны өөрчлөлттэй тохирч байна. 1-р бүтцэд PG-ийн нөлөөгөөр талстын интерфэйс гажуудал үзүүлдэггүй. Үүнээс гадна, PG нь 1-р бүтцийн өсөлтийн хурдыг 0 бүтэцтэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц бага болгодог. 100 цагийн дараа 1-р бүтцийн талстын төвийн зузаан нь 0 бүтэцтэй харьцуулахад ердөө 68% байна.
Зураг 7. 0 бүтэц ба 1 бүтэцтэй талстуудын 30, 60, 100 цагийн интерфэйсийн өөрчлөлтүүд
Кристал өсөлтийг тоон симуляцийн процессын нөхцөлд явуулсан. 0 бүтэц болон 1 бүтэцээр ургуулсан талстуудыг Зураг 8(a) болон Зураг 8(b)-д тус тус харуулав. 0 бүтэцтэй талст нь төв хэсэгтээ долгионтой, ирмэг дээрээ фазын шилжилттэй хотгор интерфэйсийг харуулж байна. Гадаргуугийн гүдгэр байдал нь хийн фазын материалын тээвэрлэлтэд тодорхой хэмжээний жигд бус байдлыг илэрхийлдэг бөгөөд фазын шилжилтийн илрэл нь бага C/Si харьцаатай тохирч байна. 1 бүтэцээр ургуулсан талстын интерфэйс нь бага зэрэг гүдгэр, фазын шилжилт олдсонгүй, зузаан нь PG-гүй талстын 65% байна. Ерөнхийдөө болор өсөлтийн үр дүн нь симуляцийн үр дүнтэй тохирч байгаа бөгөөд 1 бүтэцтэй талстын интерфэйс дээр радиаль температурын зөрүү их байх тусам ирмэг дээрх хурдацтай өсөлт дарагдаж, материалын нийт урсгалын хурд удаан байна. Ерөнхий чиг хандлага нь тоон симуляцийн үр дүнтэй нийцэж байна.
Зураг 8 0 ба 1-р бүтэц дор ургасан SiC талстууд
Дүгнэлт
PG нь түүхий эдийн талбайн нийт температурыг сайжруулж, тэнхлэгийн болон радиаль температурын жигд байдлыг сайжруулахад тустай бөгөөд түүхий эдийг бүрэн сублимаци болон ашиглахад тусалдаг; дээд ба доод температурын зөрүү нэмэгдэж, үрийн талстын гадаргуугийн радиаль градиент нэмэгдэж, энэ нь гүдгэр интерфэйсийн өсөлтийг хадгалахад тусалдаг. Массын дамжуулалтын хувьд PG-ийг нэвтрүүлснээр нийт массын дамжуулалтын хурд буурч, PG агуулсан өсөлтийн камерт материалын урсгалын хурд цаг хугацааны явцад бага өөрчлөгдөж, өсөлтийн бүх үйл явц илүү тогтвортой болдог. Үүний зэрэгцээ PG нь хэт их ирмэгийн массын дамжуулалт үүсэхийг үр дүнтэй дарангуйлдаг. Үүнээс гадна, PG нь өсөлтийн орчны C/Si харьцааг, ялангуяа үрийн талстын интерфэйсийн урд ирмэг дээр нэмэгдүүлдэг бөгөөд энэ нь өсөлтийн явцад фазын өөрчлөлт гарахыг бууруулахад тусалдаг. Үүний зэрэгцээ, PG-ийн дулаан тусгаарлах нөлөө нь түүхий эдийн дээд хэсэгт дахин талсжих явдлыг тодорхой хэмжээгээр бууруулдаг. Талстын өсөлтийн хувьд PG нь талстын өсөлтийн хурдыг удаашруулдаг боловч өсөлтийн интерфэйс нь илүү гүдгэр байдаг. Тиймээс PG нь SiC талстын өсөлтийн орчныг сайжруулж, талстын чанарыг оновчтой болгох үр дүнтэй арга юм.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 6-р сарын 18