سلڪون ڪاربائيڊ ڪرسٽل جي واڌ ويجهه تي پورس گريفائٽ جي اثر تي عددي تخليق جو مطالعو

بنيادي عملسي سيڪرسٽل جي واڌ کي اعليٰ درجه حرارت تي خام مال جي ذيلي تقسيم ۽ خراب ٿيڻ، گرمي پد جي درجي جي عمل هيٺ گئس فيز مادن جي نقل و حمل، ۽ ٻج جي ڪرسٽل تي گئس فيز مادن جي ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن واڌ ۾ ورهايو ويو آهي. ان جي بنياد تي، ڪروسيبل جي اندروني حصي کي ٽن حصن ۾ ورهايو ويو آهي: خام مال جو علائقو، واڌ چيمبر ۽ ٻج جو ڪرسٽل. هڪ عددي نقلي ماڊل اصل مزاحمتي جي بنياد تي ٺاهيو ويو هو.سي سيسنگل ڪرسٽل واڌ جو سامان (شڪل 1 ڏسو). حساب ۾: هيٺيون حصوڪروسيبلسائڊ هيٽر جي تري کان 90 ملي ميٽر پري آهي، ڪروسيبل جو مٿئين گرمي پد 2100 ℃ آهي، خام مال جي ذرڙي جو قطر 1000 μm آهي، پورسيٽي 0.6 آهي، واڌ جو دٻاءُ 300 Pa آهي، ۽ واڌ جو وقت 100 ڪلاڪ آهي. پي جي ٿولهه 5 ملي ميٽر آهي، قطر ڪروسيبل جي اندروني قطر جي برابر آهي، ۽ اهو خام مال کان 30 ملي ميٽر مٿي واقع آهي. خام مال زون جي سبليميشن، ڪاربنائيزيشن، ۽ ري ڪرسٽلائيزيشن جي عملن کي حساب ۾ سمجهيو ويندو آهي، ۽ پي جي ۽ گيس فيز مادن جي وچ ۾ رد عمل تي غور نه ڪيو ويندو آهي. حساب سان لاڳاپيل جسماني ملڪيت جا پيرا ميٽر جدول 1 ۾ ڏيکاريا ويا آهن.

شڪل 1 سموليشن ڪيلڪيوليشن ماڊل. (الف) ڪرسٽل گروٿ سموليشن لاءِ ٿرمل فيلڊ ماڊل؛ (ب) ڪروسيبل جي اندروني علائقي جي ورڇ ۽ لاڳاپيل جسماني مسئلا

جدول 1 حساب ۾ استعمال ٿيندڙ ڪجھ جسماني پيرا ميٽر

شڪل 2(a) ڏيکاري ٿي ته PG تي مشتمل ڍانچي (جيڪو ڍانچي 1 طور ظاهر ڪيو ويو آهي) جو گرمي پد PG کان هيٺ PG-مفت ڍانچي (جيڪو ڍانچي 0 طور ظاهر ڪيو ويو آهي) کان وڌيڪ آهي، ۽ PG کان مٿي ڍانچي 0 کان گهٽ آهي. مجموعي طور تي گرمي پد جو درجو وڌي ٿو، ۽ PG گرمي موصل ڪندڙ ايجنٽ طور ڪم ڪري ٿو. شڪل 2(b) ۽ 2(c) جي مطابق، خام مال جي علائقي ۾ ساخت 1 جا محوري ۽ ريڊيل گرمي پد گريڊينٽ ننڍا آهن، گرمي پد جي ورڇ وڌيڪ هڪجهڙائي آهي، ۽ مواد جي سبليميشن وڌيڪ مڪمل آهي. خام مال جي علائقي جي برعڪس، شڪل 2(c) ڏيکاري ٿي ته ساخت 1 جي ٻج جي ڪرسٽل تي ريڊيل گرمي پد گريڊينٽ وڏو آهي، جيڪو مختلف گرمي جي منتقلي جي طريقن جي مختلف تناسب جي ڪري ٿي سگهي ٿو، جيڪو ڪرسٽل کي محدب انٽرفيس سان وڌڻ ۾ مدد ڪري ٿو. شڪل 2(d) ۾، ڪروسيبل ۾ مختلف پوزيشن تي گرمي پد واڌ جي رجحان کي ڏيکاري ٿو، پر خام مال جي علائقي ۾ ساخت 0 ۽ ساخت 1 جي وچ ۾ گرمي پد جو فرق بتدريج گهٽجي ٿو ۽ واڌ جي چيمبر ۾ بتدريج وڌي ٿو.

شڪل 2 ڪروسيبل ۾ گرمي پد جي ورڇ ۽ تبديليون. (الف) 0 ڪلاڪ تي ساخت 0 (کاٻي) ۽ ساخت 1 (ساڄي) جي ڪروسيبل اندر گرمي پد جي ورڇ، يونٽ: ℃؛ (ب) خام مال جي تري کان 0 ڪلاڪ تي ساخت 0 ۽ ساخت 1 جي ڪروسيبل جي مرڪزي لڪير تي درجه حرارت جي ورڇ؛ (ج) مرڪز کان ڪروسيبل جي ڪناري تائين ٻج جي ڪرسٽل جي مٿاڇري (A) ۽ خام مال جي مٿاڇري (B)، وچ (C) ۽ هيٺان (D) تي 0 ڪلاڪ تي درجه حرارت جي ورڇ، افقي محور r A لاءِ ٻج جي ڪرسٽل ريڊيس آهي، ۽ B~D لاءِ خام مال جي علائقي جو ريڊيس آهي؛ (د) 0، 30، 60، ۽ 100 ڪلاڪ تي ساخت 0 ۽ ساخت 1 جي واڌ چيمبر جي مٿئين حصي (A)، خام مال جي مٿاڇري (B) ۽ وچ (C) جي مرڪز تي گرمي پد ۾ تبديليون.

شڪل 3 ۾ structure 0 ۽ structure 1 جي crucible ۾ مختلف وقتن تي مواد جي نقل و حمل ڏيکاري ٿي. خام مال جي علائقي ۽ واڌ جي چيمبر ۾ گئس فيز مواد جي وهڪري جي شرح پوزيشن جي واڌ سان وڌي ٿي، ۽ مادي جي نقل و حمل ڪمزور ٿي ويندي آهي جيئن واڌ وڌندي آهي. شڪل 3 اهو پڻ ڏيکاري ٿي ته سموليشن حالتن هيٺ، خام مال پهرين crucible جي پاسي واري ڀت تي ۽ پوءِ crucible جي تري ۾ گرافٽائيز ٿئي ٿو. ان کان علاوه، خام مال جي مٿاڇري تي ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن ٿئي ٿي ۽ اهو بتدريج ٿلهو ٿيندو ويندو آهي جيئن واڌ وڌندي آهي. شڪل 4(a) ۽ 4(b) ڏيکارين ٿا ته خام مال جي اندر مواد جي وهڪري جي شرح گهٽجي ويندي آهي جيئن واڌ وڌندي آهي، ۽ 100 ڪلاڪ تي مواد جي وهڪري جي شرح شروعاتي لمحي جو تقريباً 50٪ آهي؛ جڏهن ته، خام مال جي گرافٽائيزيشن جي ڪري وهڪري جي شرح ڪناري تي نسبتاً وڏي آهي، ۽ ڪناري تي وهڪري جي شرح 100 ڪلاڪ تي وچ واري علائقي ۾ وهڪري جي شرح کان 10 ڀيرا وڌيڪ آهي؛ ان کان علاوه، ساخت 1 ۾ PG جو اثر ساخت 1 جي خام مال واري علائقي ۾ مواد جي وهڪري جي شرح کي ساخت 0 جي ڀيٽ ۾ گهٽ ڪري ٿو. شڪل 4(c) ۾، خام مال واري علائقي ۽ واڌ واري چيمبر ٻنهي ۾ مواد جو وهڪرو بتدريج ڪمزور ٿيندو ويندو آهي جيئن واڌ وڌندي آهي، ۽ خام مال واري علائقي ۾ مواد جو وهڪرو گهٽجڻ جاري آهي، جيڪو ڪروسيبل جي ڪناري تي هوا جي وهڪري جي چينل جي کولڻ ۽ مٿي تي ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن جي رڪاوٽ جي ڪري ٿئي ٿو؛ واڌ واري چيمبر ۾، ساخت 0 جي مواد جي وهڪري جي شرح شروعاتي 30 ڪلاڪن ۾ تيزي سان گهٽجي 16٪ ٿي ويندي آهي، ۽ بعد ۾ صرف 3٪ گهٽجي ويندي آهي، جڏهن ته جوڙجڪ 1 سڄي واڌ جي عمل دوران نسبتاً مستحڪم رهي ٿي. تنهن ڪري، PG واڌ واري چيمبر ۾ مواد جي وهڪري جي شرح کي مستحڪم ڪرڻ ۾ مدد ڪري ٿو. شڪل 4(d) ڪرسٽل واڌ جي سامهون مواد جي وهڪري جي شرح جو مقابلو ڪري ٿو. شروعاتي لمحي ۽ 100 ڪلاڪن ۾، ساخت 0 جي واڌ واري علائقي ۾ مادي ٽرانسپورٽ ساخت 1 جي ڀيٽ ۾ وڌيڪ مضبوط آهي، پر ساخت 0 جي ڪناري تي هميشه هڪ تيز وهڪري جي شرح وارو علائقو هوندو آهي، جيڪو ڪناري تي تمام گهڻو واڌ جو سبب بڻجندو آهي. ساخت 1 ۾ PG جي موجودگي هن رجحان کي مؤثر طريقي سان دٻائي ٿي.

شڪل 3 ڪروسيبل ۾ مواد جو وهڪرو. مختلف وقتن تي 0 ۽ 1 ۾ جوڙجڪ ۾ گئس مواد جي ٽرانسپورٽ جي اسٽريم لائنون (کاٻي) ۽ رفتار ویکٹر (ساڄي)، رفتار ویکٹر يونٽ: m/s

شڪل 4 مادي وهڪري جي شرح ۾ تبديليون. (الف) 0، 30، 60، ۽ 100 ڪلاڪ تي ساخت 0 جي خام مال جي وچ ۾ مواد جي وهڪري جي شرح جي ورڇ ۾ تبديليون، r خام مال جي علائقي جو ريڊيس آهي؛ (ب) 0، 30، 60، ۽ 100 ڪلاڪ تي ساخت 1 جي خام مال جي وچ ۾ مواد جي وهڪري جي شرح جي ورڇ ۾ تبديليون، r خام مال جي علائقي جو ريڊيس آهي؛ (ج) وقت سان گڏ واڌ چيمبر (A، B) ۽ جوڙجڪ 0 ۽ 1 جي خام مال (C، D) اندر مواد جي وهڪري جي شرح ۾ تبديليون؛ (د) 0 ۽ 1 جي جوڙجڪ 0 ۽ 1 جي ٻج ڪرسٽل جي مٿاڇري جي ويجهو مواد جي وهڪري جي شرح جي ورڇ 0 ۽ 100 ڪلاڪ تي، r ٻج ڪرسٽل جو ريڊيس آهي.

C/Si، SiC ڪرسٽل جي واڌ جي ڪرسٽل جي استحڪام ۽ خراب کثافت کي متاثر ڪري ٿو. شڪل 5(a) شروعاتي لمحي ۾ ٻن ڍانچن جي C/Si تناسب جي ورڇ جو مقابلو ڪري ٿي. C/Si تناسب بتدريج ڪروسيبل جي تري کان مٿي تائين گھٽجي ٿو، ۽ ساخت 1 جو C/Si تناسب هميشه مختلف پوزيشنن تي ساخت 0 کان وڌيڪ هوندو آهي. شڪل 5(b) ۽ 5(c) ڏيکارين ٿا ته C/Si تناسب بتدريج واڌ سان وڌي ٿو، جيڪو واڌ جي آخري مرحلي ۾ اندروني گرمي پد ۾ واڌ، خام مال جي گرافائيزيشن جي واڌ، ۽ گيس مرحلي ۾ گريفائٽ ڪروسيبل سان Si اجزاء جي رد عمل سان لاڳاپيل آهي. شڪل 5(d) ۾، ساخت 0 ۽ ساخت 1 جا C/Si تناسب PG (0، 25 ملي ميٽر) کان هيٺ ڪافي مختلف آهن، پر PG (50 ملي ميٽر) کان ٿورو مختلف آهن، ۽ فرق بتدريج وڌندو آهي جيئن اهو ڪرسٽل جي ويجهو اچي ٿو. عام طور تي، ساخت 1 جو C/Si تناسب وڌيڪ آهي، جيڪو ڪرسٽل جي شڪل کي مستحڪم ڪرڻ ۽ مرحلي جي منتقلي جي امڪان کي گهٽائڻ ۾ مدد ڪري ٿو.

شڪل 5 C/Si تناسب جي ورڇ ۽ تبديليون. (a) 0 h تي ساخت 0 (کاٻي) ۽ ساخت 1 (ساڄي) جي ڪروسيبلز ۾ C/Si تناسب جي ورڇ؛ (b) مختلف وقتن تي ساخت 0 جي ڪروسيبل جي مرڪزي لڪير کان مختلف فاصلن تي C/Si تناسب (0، 30، 60، 100 h)؛ (c) مختلف وقتن تي ساخت 1 جي ڪروسيبل جي مرڪزي لڪير کان مختلف فاصلن تي C/Si تناسب (0، 25، 50، 75، 100 mm) ۽ مختلف وقتن تي ساخت 0 (ٺوس لڪير) ۽ ساخت 1 (ڊيش ٿيل لڪير) جي ڪروسيبل جي مرڪزي لڪير کان مختلف فاصلن تي C/Si تناسب جو مقابلو (0، 25، 50، 75، 100 mm).

شڪل 6 ٻن ڍانچن جي خام مال جي علائقن جي ذرڙن جي قطر ۽ پورسيٽي ۾ تبديليون ڏيکاري ٿي. شڪل ڏيکاري ٿي ته خام مال جو قطر گهٽجي ٿو ۽ ڪروسيبل وال جي ويجهو پورسيٽي وڌي ٿي، ۽ ڪنڊ پورسيٽي وڌندي رهي ٿي ۽ ذرڙن جو قطر گهٽجي ٿو جيئن واڌ وڌندي رهي ٿي. وڌ ۾ وڌ ڪنڊ پورسيٽي 100 ڪلاڪ تي لڳ ڀڳ 0.99 آهي، ۽ گهٽ ۾ گهٽ ذرڙن جو قطر تقريباً 300 μm آهي. خام مال جي مٿئين سطح تي ذرڙن جو قطر وڌي ٿو ۽ پورسيٽي گهٽجي ٿي، جيڪا ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن جي مطابق آهي. ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن واري علائقي جي ٿولهه وڌندي رهي ٿي جيئن واڌ وڌندي رهي ٿي، ۽ ذرڙن جي سائيز ۽ پورسيٽي تبديل ٿيندي رهي ٿي. وڌ ۾ وڌ ذرڙن جو قطر 1500 μm کان وڌيڪ تائين پهچي ٿو، ۽ گهٽ ۾ گهٽ پورسيٽي 0.13 آهي. ان کان علاوه، جيئن ته PG خام مال جي علائقي جو گرمي پد وڌائي ٿو ۽ گئس سپر سيچوريشن ننڍو آهي، ساخت 1 جي خام مال جي مٿئين حصي جي ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن ٿولهه ننڍي آهي، جيڪا خام مال جي استعمال جي شرح کي بهتر بڻائي ٿي.

شڪل 6 مختلف وقتن تي ساخت 0 ۽ ساخت 1 جي خام مال واري علائقي جي ذرڙي جي قطر (کاٻي) ۽ پورسيٽي (ساڄي) ۾ تبديليون، ذرڙي جي قطر جي يونٽ: μm

شڪل 7 ڏيکاري ٿي ته واڌ جي شروعات ۾ ساخت 0 وارپس ٿئي ٿي، جيڪا خام مال جي ڪنڊ جي گرافائيزيشن جي ڪري اضافي مواد جي وهڪري جي شرح سان لاڳاپيل ٿي سگهي ٿي. بعد ۾ واڌ جي عمل دوران وارپنگ جو درجو ڪمزور ٿي ويندو آهي، جيڪو شڪل 4 (d) ۾ ساخت 0 جي ڪرسٽل واڌ جي سامهون مواد جي وهڪري جي شرح ۾ تبديلي سان ملندو آهي. ساخت 1 ۾، PG جي اثر جي ڪري، ڪرسٽل انٽرفيس وارپنگ نه ڏيکاريندو آهي. ان کان علاوه، PG پڻ ساخت 1 جي واڌ جي شرح کي ساخت 0 جي ڀيٽ ۾ خاص طور تي گهٽ بڻائي ٿو. 100 ڪلاڪن کان پوءِ ساخت 1 جي ڪرسٽل جي مرڪزي ٿولهه ساخت 0 جي صرف 68٪ آهي.

شڪل 7 30، 60، ۽ 100 ڪلاڪ تي ساخت 0 ۽ ساخت 1 ڪرسٽل جي انٽرفيس تبديليون

ڪرسٽل جي واڌ عددي نقل جي عمل جي حالتن هيٺ ڪئي وئي. ساخت 0 ۽ ساخت 1 پاران پوکيل ڪرسٽل ترتيب وار شڪل 8(a) ۽ شڪل 8(b) ۾ ڏيکاريا ويا آهن. ساخت 0 جو ڪرسٽل هڪ مقعر انٽرفيس ڏيکاري ٿو، مرڪزي علائقي ۾ انڊوليشن ۽ ڪنڊ تي هڪ مرحلو منتقلي سان. مٿاڇري جي محدب گيس-مرحلي مواد جي نقل و حمل ۾ هڪ خاص درجي جي غير هم جنس جي نمائندگي ڪري ٿي، ۽ مرحلي جي منتقلي جو واقعو گهٽ C/Si تناسب سان مطابقت رکي ٿو. ساخت 1 پاران پوکيل ڪرسٽل جو انٽرفيس ٿورو محدب آهي، ڪو مرحلو منتقلي نه ملي آهي، ۽ ٿولهه PG کان سواءِ ڪرسٽل جو 65٪ آهي. عام طور تي، ڪرسٽل جي واڌ جا نتيجا نقلي نتيجن سان مطابقت رکن ٿا، ساخت 1 جي ڪرسٽل انٽرفيس تي وڏي ريڊيل گرمي پد جي فرق سان، ڪنڊ تي تيز واڌ کي دٻايو ويندو آهي، ۽ مجموعي طور تي مواد جي وهڪري جي شرح سست آهي. مجموعي رجحان عددي نقلي نتيجن سان مطابقت رکي ٿو.

شڪل 8 SiC ڪرسٽل جيڪي ساخت 0 ۽ ساخت 1 جي تحت وڌا ويا آهن

ٿڪل

پي جي خام مال جي علائقي جي مجموعي گرمي پد کي بهتر ڪرڻ ۽ محوري ۽ ريڊيل گرمي پد جي هڪجهڙائي کي بهتر ڪرڻ لاءِ سازگار آهي، خام مال جي مڪمل ذخيري ۽ استعمال کي فروغ ڏئي ٿو؛ مٿي ۽ هيٺان گرمي پد جو فرق وڌي ٿو، ۽ ٻج جي ڪرسٽل جي مٿاڇري جو ريڊيل گريڊينٽ وڌي ٿو، جيڪو محدب انٽرفيس جي واڌ کي برقرار رکڻ ۾ مدد ڪري ٿو. ماس ٽرانسفر جي لحاظ کان، پي جي جو تعارف مجموعي ماس ٽرانسفر جي شرح کي گھٽائي ٿو، پي جي تي مشتمل واڌ چيمبر ۾ مواد جي وهڪري جي شرح وقت سان گهٽ تبديل ٿئي ٿي، ۽ پوري واڌ جو عمل وڌيڪ مستحڪم آهي. ساڳئي وقت، پي جي اضافي ايج ماس ٽرانسفر جي واقعن کي به مؤثر طريقي سان روڪي ٿو. ان کان علاوه، پي جي واڌ جي ماحول جي سي/سي تناسب کي به وڌائي ٿو، خاص طور تي ٻج ڪرسٽل انٽرفيس جي سامهون واري ڪنڊ تي، جيڪو واڌ جي عمل دوران مرحلي جي تبديلي جي واقعن کي گهٽائڻ ۾ مدد ڪري ٿو. ساڳئي وقت، پي جي جو حرارتي موصليت جو اثر خام مال جي مٿئين حصي ۾ ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن جي واقعن کي هڪ خاص حد تائين گھٽائي ٿو. ڪرسٽل جي واڌ لاءِ، پي جي ڪرسٽل جي واڌ جي شرح کي سست ڪري ٿو، پر واڌ جو انٽرفيس وڌيڪ محدب آهي. تنهن ڪري، پي جي سي سي ڪرسٽل جي واڌ ويجهه واري ماحول کي بهتر بڻائڻ ۽ ڪرسٽل جي معيار کي بهتر بڻائڻ جو هڪ مؤثر ذريعو آهي.