मूलभूत प्रक्रियाएसआयसीस्फटिक वाढीचे विभाजन उच्च तापमानावर कच्च्या मालाचे ऊर्ध्वपातन आणि विघटन, तापमान प्रवणतेच्या प्रभावाखाली वायू अवस्थेतील पदार्थांचे वहन, आणि बीज स्फटिकावर वायू अवस्थेतील पदार्थांची पुन:स्फटिकीकरण वाढ यांमध्ये केले जाते. यावर आधारित, मुशीच्या आतील भागाचे तीन भागांमध्ये विभाजन केले जाते: कच्च्या मालाचे क्षेत्र, वाढ कक्ष आणि बीज स्फटिक. प्रत्यक्ष प्रतिरोधकतेच्या आधारावर एक संख्यात्मक अनुकरण मॉडेल तयार करण्यात आले.एसआयसीएकल क्रिस्टल वाढ उपकरण (आकृती १ पहा). गणनेमध्ये: तळाचाक्रुसिबलसाईड हीटरच्या तळापासून ९० मिमी अंतरावर, क्रुसिबलचे वरचे तापमान २१०० ℃, कच्च्या मालाच्या कणांचा व्यास १००० μm, सच्छिद्रता ०.६, वाढीचा दाब ३०० Pa आणि वाढीचा कालावधी १०० तास आहे. पीजीची जाडी ५ मिमी आहे, त्याचा व्यास क्रुसिबलच्या आतील व्यासाएवढा आहे आणि तो कच्च्या मालाच्या ३० मिमी वर स्थित आहे. गणनेमध्ये कच्च्या मालाच्या क्षेत्रातील ऊर्ध्वपातन, कार्बनीकरण आणि पुन:स्फटिकीकरण प्रक्रिया विचारात घेतल्या आहेत, आणि पीजी व वायू अवस्थेतील पदार्थांमधील अभिक्रिया विचारात घेतलेली नाही. गणनेशी संबंधित भौतिक गुणधर्मांचे मापदंड तक्ता १ मध्ये दर्शविले आहेत.
आकृती १ सिम्युलेशन गणना मॉडेल. (अ) स्फटिक वाढ सिम्युलेशनसाठी औष्णिक क्षेत्र मॉडेल; (ब) मुशीच्या अंतर्गत क्षेत्राची विभागणी आणि संबंधित भौतिक समस्या.
तक्ता १ गणनेमध्ये वापरलेले काही भौतिक मापदंड
आकृती २(अ) दर्शवते की, पीजीच्या खाली पीजी-युक्त संरचनेचे (संरचना १) तापमान, पीजी-विरहित संरचनेच्या (संरचना ०) तापमानापेक्षा जास्त असते आणि पीजीच्या वर संरचना ० च्या तापमानापेक्षा कमी असते. एकूण तापमान प्रवणता वाढते आणि पीजी उष्णतारोधक घटक म्हणून कार्य करते. आकृती २(ब) आणि २(क) नुसार, कच्च्या मालाच्या क्षेत्रात संरचना १ ची अक्षीय आणि त्रिज्यीय तापमान प्रवणता कमी असते, तापमानाचे वितरण अधिक एकसमान असते आणि पदार्थाचे ऊर्ध्वपातन अधिक पूर्ण होते. कच्च्या मालाच्या क्षेत्राच्या विपरीत, आकृती २(क) दर्शवते की संरचना १ च्या बीज स्फटिकावरील त्रिज्यीय तापमान प्रवणता जास्त आहे, जे वेगवेगळ्या उष्णता हस्तांतरण पद्धतींच्या भिन्न प्रमाणांमुळे असू शकते, ज्यामुळे स्फटिकाला बहिर्वक्र पृष्ठभागासह वाढण्यास मदत होते. आकृती २(ड) मध्ये, जसजशी वाढ पुढे जाते तसतसे मुशीमधील वेगवेगळ्या ठिकाणी तापमान वाढण्याचा कल दर्शवते, परंतु संरचना ० आणि संरचना १ मधील तापमानातील फरक कच्च्या मालाच्या क्षेत्रात हळूहळू कमी होतो आणि वाढ कक्षात हळूहळू वाढतो.
आकृती २ मुशीमधील तापमान वितरण आणि बदल. (अ) संरचना ० (डावीकडे) आणि संरचना १ (उजवीकडे) च्या मुशीमधील ० तासाला असलेले तापमान वितरण, एकक: ℃; (ब) संरचना ० आणि संरचना १ च्या मुशीच्या मध्य रेषेवरील, कच्च्या मालाच्या तळापासून बीज स्फटिकापर्यंत ० तासाला असलेले तापमान वितरण; (क) मुशीच्या केंद्रापासून कडेपर्यंत, बीज स्फटिकाच्या पृष्ठभागावर (A) आणि कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागावर (B), मध्यभागी (C) आणि तळाशी (D) ० तासाला असलेले तापमान वितरण, येथे क्षैतिज अक्ष r हा A साठी बीज स्फटिकाची त्रिज्या आहे, आणि B~D साठी कच्च्या मालाच्या क्षेत्राची त्रिज्या आहे; (ड) संरचना ० आणि संरचना १ च्या वाढ कक्षाच्या वरच्या भागाच्या केंद्रातील (A), कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागावरील (B) आणि मध्यभागी (C) ०, ३०, ६०, आणि १०० तासाला होणारे तापमानातील बदल.
आकृती ३ मध्ये संरचना ० आणि संरचना १ च्या मुशीमधील वेगवेगळ्या वेळी होणारे पदार्थाचे वहन दाखवले आहे. कच्च्या मालाच्या क्षेत्रात आणि वाढ कक्षात वायू अवस्थेतील पदार्थाचा प्रवाह दर स्थानाच्या वाढीनुसार वाढतो आणि वाढ जसजशी पुढे जाते तसतसे पदार्थाचे वहन कमकुवत होते. आकृती ३ हे देखील दर्शवते की सिम्युलेशनच्या परिस्थितीत, कच्च्या मालाचे प्रथम मुशीच्या बाजूच्या भिंतीवर आणि नंतर मुशीच्या तळाशी ग्रॅफायटीकरण होते. याव्यतिरिक्त, कच्च्या मालाच्या पृष्ठभागावर पुन:स्फटिकीकरण होते आणि वाढ जसजशी पुढे जाते तसतसे ते हळूहळू जाड होते. आकृती ४(अ) आणि ४(ब) दर्शवतात की वाढ जसजशी पुढे जाते तसतसा कच्च्या मालाच्या आत पदार्थाचा प्रवाह दर कमी होतो आणि १०० तासांनी पदार्थाचा प्रवाह दर सुरुवातीच्या क्षणाच्या सुमारे ५०% असतो; तथापि, कच्च्या मालाच्या ग्रॅफायटीकरणामुळे कडेला प्रवाह दर तुलनेने जास्त असतो आणि १०० तासांनी कडेचा प्रवाह दर मधल्या भागातील प्रवाह दरापेक्षा १० पटींपेक्षा जास्त असतो; याव्यतिरिक्त, संरचना १ मधील पीजीच्या प्रभावामुळे संरचना १ च्या कच्च्या मालाच्या क्षेत्रातील पदार्थाचा प्रवाह दर संरचना ० पेक्षा कमी होतो. आकृती ४(क) मध्ये, जसजशी वाढ पुढे सरकते, तसतसा कच्च्या मालाच्या क्षेत्रातील आणि वाढ कक्षातील पदार्थाचा प्रवाह हळूहळू कमी होतो, आणि कच्च्या मालाच्या क्षेत्रातील पदार्थाचा प्रवाह सतत कमी होत राहतो, जे मुशीच्या कडेला हवेच्या प्रवाहाचा मार्ग उघडल्यामुळे आणि वरच्या बाजूला पुन:स्फटिकीकरणात अडथळा आल्यामुळे होते; वाढ कक्षामध्ये, संरचना ० चा पदार्थाचा प्रवाह दर सुरुवातीच्या ३० तासांत वेगाने १६% पर्यंत कमी होतो, आणि त्यानंतरच्या काळात तो केवळ ३% ने कमी होतो, तर संरचना १ संपूर्ण वाढ प्रक्रियेदरम्यान तुलनेने स्थिर राहते. म्हणून, पीजी वाढ कक्षातील पदार्थाचा प्रवाह दर स्थिर करण्यास मदत करते. आकृती ४(ड) स्फटिक वाढीच्या आघाडीवरील पदार्थाच्या प्रवाह दराची तुलना करते. सुरुवातीच्या क्षणी आणि १०० तासांनंतर, संरचना ० च्या वाढ क्षेत्रात पदार्थाचे वहन संरचना १ पेक्षा अधिक तीव्र असते, परंतु संरचना ० च्या कडेला नेहमीच उच्च प्रवाह दराचे क्षेत्र असते, ज्यामुळे कडेला अतिरिक्त वाढ होते. संरचना १ मध्ये पीजीची उपस्थिती ही घटना प्रभावीपणे रोखते.
आकृती ३ मुशीमधील पदार्थाचा प्रवाह. वेगवेगळ्या वेळी संरचना ० आणि १ मधील वायू-पदार्थ वहनाच्या प्रवाहरेषा (डावीकडे) आणि वेग सदिश (उजवीकडे), वेग सदिशाचे एकक: मी/से
आकृती ४ पदार्थ प्रवाह दरातील बदल. (अ) संरचना ० च्या कच्च्या मालाच्या मध्यभागी ०, ३०, ६० आणि १०० तासांनी पदार्थ प्रवाह दराच्या वितरणातील बदल, r हे कच्च्या मालाच्या क्षेत्राची त्रिज्या आहे; (ब) संरचना १ च्या कच्च्या मालाच्या मध्यभागी ०, ३०, ६० आणि १०० तासांनी पदार्थ प्रवाह दराच्या वितरणातील बदल, r हे कच्च्या मालाच्या क्षेत्राची त्रिज्या आहे; (क) संरचना ० आणि १ च्या वाढ कक्षाच्या (A, B) आणि कच्च्या मालाच्या (C, D) आत वेळेनुसार पदार्थ प्रवाह दरातील बदल; (ड) संरचना ० आणि १ च्या बीज स्फटिकाच्या पृष्ठभागाजवळ ० आणि १०० तासांनी पदार्थ प्रवाह दराचे वितरण, r ही बीज स्फटिकाची त्रिज्या आहे.
C/Si हे SiC स्फटिकाच्या वाढीची स्फटिकीय स्थिरता आणि दोष घनतेवर परिणाम करते. आकृती 5(a) सुरुवातीच्या क्षणी दोन संरचनांच्या C/Si गुणोत्तराच्या वितरणाची तुलना करते. C/Si गुणोत्तर मुशीच्या तळापासून वरपर्यंत हळूहळू कमी होते आणि वेगवेगळ्या ठिकाणी संरचना 1 चे C/Si गुणोत्तर नेहमी संरचना 0 पेक्षा जास्त असते. आकृती 5(b) आणि 5(c) दर्शवतात की वाढीबरोबर C/Si गुणोत्तर हळूहळू वाढते, जे वाढीच्या नंतरच्या टप्प्यात अंतर्गत तापमानातील वाढ, कच्च्या मालाच्या ग्रॅफायटीकरणातील वाढ आणि वायू अवस्थेतील Si घटकांची ग्रॅफाइट मुशीसोबत होणारी अभिक्रिया यांच्याशी संबंधित आहे. आकृती 5(d) मध्ये, संरचना 0 आणि संरचना 1 चे C/Si गुणोत्तर PG (0, 25 मिमी) च्या खाली बरेच वेगळे आहे, परंतु PG (50 मिमी) च्या वर किंचित वेगळे आहे आणि स्फटिकाच्या जवळ जाताना हा फरक हळूहळू वाढतो. सर्वसाधारणपणे, संरचना 1 चे C/Si गुणोत्तर जास्त असते, जे स्फटिक स्वरूप स्थिर करण्यास आणि प्रावस्था संक्रमणाची शक्यता कमी करण्यास मदत करते.
आकृती 5 C/Si गुणोत्तराचे वितरण आणि बदल. (a) 0 तासाला संरचना 0 (डावीकडे) आणि संरचना 1 (उजवीकडे) च्या मुशींमधील C/Si गुणोत्तराचे वितरण; (b) संरचना 0 च्या मुशीच्या मध्य रेषेपासून वेगवेगळ्या अंतरावर वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 तास) असलेले C/Si गुणोत्तर; (c) संरचना 1 च्या मुशीच्या मध्य रेषेपासून वेगवेगळ्या अंतरावर वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 तास) असलेले C/Si गुणोत्तर; (d) संरचना 0 (सलग रेषा) आणि संरचना 1 (तुटक रेषा) च्या मुशीच्या मध्य रेषेपासून वेगवेगळ्या अंतरावर (0, 25, 50, 75, 100 मिमी) असलेल्या C/Si गुणोत्तराची वेगवेगळ्या वेळी (0, 30, 60, 100 तास) केलेली तुलना.
आकृती ६ मध्ये दोन संरचनांच्या कच्च्या मालाच्या भागांमधील कणांच्या व्यासात आणि सच्छिद्रतेत होणारे बदल दाखवले आहेत. आकृतीवरून असे दिसून येते की, मुशीच्या भिंतीजवळ कच्च्या मालाचा व्यास कमी होतो आणि सच्छिद्रता वाढते, आणि जसजशी वाढ पुढे जाते तसतशी कडेची सच्छिद्रता वाढत राहते आणि कणांचा व्यास कमी होत राहतो. १०० तासांनी कडेची कमाल सच्छिद्रता सुमारे ०.९९ असते आणि कणांचा किमान व्यास सुमारे ३०० μm असतो. कच्च्या मालाच्या वरच्या पृष्ठभागावर कणांचा व्यास वाढतो आणि सच्छिद्रता कमी होते, जे पुन:स्फटिकीकरणाशी संबंधित आहे. जसजशी वाढ पुढे जाते तसतशी पुन:स्फटिकीकरण क्षेत्राची जाडी वाढते आणि कणांचा आकार व सच्छिद्रता बदलत राहते. कणांचा कमाल व्यास १५०० μm पेक्षा जास्त होतो आणि किमान सच्छिद्रता ०.१३ असते. याव्यतिरिक्त, पीजीमुळे कच्च्या मालाच्या भागाचे तापमान वाढते आणि वायूची अतिसंपृक्तता कमी असल्यामुळे, संरचना १ च्या कच्च्या मालाच्या वरच्या भागातील पुन:स्फटिकीकरणाची जाडी कमी असते, ज्यामुळे कच्च्या मालाच्या वापराचा दर सुधारतो.
आकृती ६. रचना ० आणि रचना १ च्या कच्च्या मालाच्या भागातील कणांच्या व्यासात (डावीकडे) आणि सच्छिद्रतेत (उजवीकडे) वेगवेगळ्या वेळी झालेले बदल, कणांच्या व्यासाचे एकक: μm
आकृती ७ दर्शवते की, वाढीच्या सुरुवातीला संरचना ० वाकते, जे कच्च्या मालाच्या कडेच्या ग्राफायटीकरणामुळे होणाऱ्या अतिरिक्त पदार्थ प्रवाह दराशी संबंधित असू शकते. त्यानंतरच्या वाढ प्रक्रियेदरम्यान वाकण्याचे प्रमाण कमी होते, जे आकृती ४ (डी) मधील संरचना ० च्या स्फटिक वाढीच्या अग्रभागी असलेल्या पदार्थ प्रवाह दरातील बदलाशी जुळते. संरचना १ मध्ये, पीजीच्या प्रभावामुळे, स्फटिक इंटरफेस वाकलेला दिसत नाही. याव्यतिरिक्त, पीजीमुळे संरचना १ चा वाढीचा दर संरचना ० पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी होतो. १०० तासांनंतर संरचना १ च्या स्फटिकाची मध्यवर्ती जाडी ही संरचना ० च्या जाडीच्या केवळ ६८% असते.
आकृती ७ संरचना ० आणि संरचना १ स्फटिकांच्या आंतरपृष्ठामध्ये ३०, ६० आणि १०० तासांनी होणारे बदल.
संख्यात्मक सिम्युलेशनच्या प्रक्रिया परिस्थितीत स्फटिकांची वाढ करण्यात आली. संरचना ० आणि संरचना १ द्वारे वाढवलेले स्फटिक अनुक्रमे आकृती ८(अ) आणि आकृती ८(ब) मध्ये दाखवले आहेत. संरचना ० च्या स्फटिकाचा इंटरफेस अंतर्वक्र आहे, ज्याच्या मध्यवर्ती भागात लाटा आहेत आणि कडेला प्रावस्था संक्रमण आहे. पृष्ठभागाची बहिर्वक्रता वायू-अवस्थेतील पदार्थांच्या वहनातील विशिष्ट प्रमाणात विषमता दर्शवते आणि प्रावस्था संक्रमणाची घटना कमी C/Si गुणोत्तराशी संबंधित आहे. संरचना १ द्वारे वाढवलेल्या स्फटिकाचा इंटरफेस किंचित बहिर्वक्र आहे, कोणतेही प्रावस्था संक्रमण आढळले नाही आणि त्याची जाडी PG शिवायच्या स्फटिकाच्या ६५% आहे. सर्वसाधारणपणे, स्फटिक वाढीचे परिणाम सिम्युलेशनच्या परिणामांशी जुळतात, ज्यात संरचना १ च्या स्फटिक इंटरफेसवर जास्त त्रिज्यीय तापमानातील फरक आहे, कडेला होणारी जलद वाढ रोखली जाते आणि एकूण पदार्थ प्रवाहाचा दर मंदावतो. एकूण कल संख्यात्मक सिम्युलेशनच्या परिणामांशी सुसंगत आहे.
आकृती ८ संरचना ० आणि संरचना १ अंतर्गत वाढवलेले SiC स्फटिक
निष्कर्ष
PG कच्च्या मालाच्या भागाचे एकूण तापमान सुधारण्यास आणि अक्षीय व त्रिज्यीय तापमानाची एकसमानता सुधारण्यास मदत करते, ज्यामुळे कच्च्या मालाचे पूर्ण ऊर्ध्वपातन आणि वापर वाढतो; वरच्या आणि खालच्या तापमानातील फरक वाढतो आणि बीज स्फटिकाच्या पृष्ठभागाचा त्रिज्यीय प्रवणता वाढतो, ज्यामुळे बहिर्वक्र इंटरफेसची वाढ टिकवून ठेवण्यास मदत होते. वस्तुमान हस्तांतरणाच्या बाबतीत, PG च्या वापरामुळे एकूण वस्तुमान हस्तांतरणाचा दर कमी होतो, PG असलेल्या ग्रोथ चेंबरमधील पदार्थाच्या प्रवाहाचा दर वेळेनुसार कमी बदलतो आणि संपूर्ण वाढ प्रक्रिया अधिक स्थिर होते. त्याच वेळी, PG कडेच्या भागातील अतिरिक्त वस्तुमान हस्तांतरण प्रभावीपणे रोखते. याव्यतिरिक्त, PG वाढीच्या वातावरणातील C/Si गुणोत्तर देखील वाढवते, विशेषतः बीज स्फटिक इंटरफेसच्या पुढील कडेवर, ज्यामुळे वाढ प्रक्रियेदरम्यान अवस्था बदल होण्याची शक्यता कमी होते. त्याच वेळी, PG चा औष्णिक इन्सुलेशन प्रभाव कच्च्या मालाच्या वरच्या भागात पुन:स्फटिकीकरण होण्याची शक्यता काही प्रमाणात कमी करतो. स्फटिकांच्या वाढीसाठी, PG स्फटिक वाढीचा दर कमी करते, परंतु वाढीचा इंटरफेस अधिक बहिर्वक्र असतो. म्हणून, SiC स्फटिकांच्या वाढीचे वातावरण सुधारण्यासाठी आणि स्फटिकांची गुणवत्ता इष्टतम करण्यासाठी PG हा एक प्रभावी उपाय आहे.
पोस्ट करण्याची वेळ: १८ जून २०२४