การศึกษาจำลองเชิงตัวเลขเกี่ยวกับผลกระทบของกราไฟท์ที่มีรูพรุนต่อการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์

กระบวนการพื้นฐานในการซิลิคอนคาร์ไบด์การเจริญเติบโตของผลึกแบ่งออกเป็นการระเหิดและการสลายตัวของวัตถุดิบที่อุณหภูมิสูง การขนส่งสารในเฟสก๊าซภายใต้การกระทำของการไล่ระดับอุณหภูมิ และการเจริญเติบโตของสารในเฟสก๊าซที่ผลึกเมล็ดพืช จากนี้ ภายในเบ้าหลอมจะถูกแบ่งออกเป็นสามส่วน: พื้นที่วัตถุดิบ ห้องการเจริญเติบโต และผลึกเมล็ดพืช แบบจำลองจำลองเชิงตัวเลขถูกวาดขึ้นโดยอิงตามความต้านทานจริงซิลิคอนคาร์ไบด์อุปกรณ์การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว (ดูรูปที่ 1) ในการคำนวณ: ส่วนล่างของเบ้าหลอมห่างจากด้านล่างของเครื่องทำความร้อนด้านข้าง 90 มม. อุณหภูมิด้านบนของเบ้าหลอมคือ 2100 ℃ เส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคของวัตถุดิบคือ 1000 μm ความพรุนคือ 0.6 แรงดันการเจริญเติบโตคือ 300 Pa และเวลาการเจริญเติบโตคือ 100 ชั่วโมง ความหนาของ PG คือ 5 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเบ้าหลอมและตั้งอยู่ 30 มม. เหนือวัตถุดิบ กระบวนการระเหิด คาร์บอนไนเซชัน และการตกผลึกใหม่ของโซนวัตถุดิบจะพิจารณาในการคำนวณ และไม่ได้พิจารณาปฏิกิริยาระหว่าง PG และสารในเฟสก๊าซ พารามิเตอร์คุณสมบัติทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณแสดงอยู่ในตารางที่ 1

รูปที่ 1 แบบจำลองการคำนวณการจำลอง (ก) แบบจำลองสนามความร้อนสำหรับการจำลองการเติบโตของผลึก (ข) การแบ่งพื้นที่ภายในของเบ้าหลอมและปัญหาทางกายภาพที่เกี่ยวข้อง

ตารางที่ 1 พารามิเตอร์ทางกายภาพบางประการที่ใช้ในการคำนวณ

รูปที่ 2(a) แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของโครงสร้างที่มี PG (แสดงเป็นโครงสร้าง 1) สูงกว่าอุณหภูมิของโครงสร้างที่ไม่มี PG (แสดงเป็นโครงสร้าง 0) ต่ำกว่า PG และต่ำกว่าอุณหภูมิของโครงสร้าง 0 เหนือ PG การไล่ระดับอุณหภูมิโดยรวมจะเพิ่มขึ้น และ PG ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บความร้อน ตามรูปที่ 2(b) และ 2(c) การไล่ระดับอุณหภูมิแนวแกนและแนวรัศมีของโครงสร้าง 1 ในโซนวัตถุดิบมีขนาดเล็กลง การกระจายอุณหภูมิสม่ำเสมอมากขึ้น และการระเหิดของวัสดุมีความสมบูรณ์มากขึ้น ซึ่งแตกต่างจากโซนวัตถุดิบ รูปที่ 2(c) แสดงให้เห็นว่าการไล่ระดับอุณหภูมิแนวรัศมีที่ผลึกเมล็ดพืชของโครงสร้าง 1 มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งอาจเกิดจากสัดส่วนที่แตกต่างกันของโหมดการถ่ายเทความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้ผลึกเติบโตด้วยอินเทอร์เฟซนูน ในรูปที่ 2(d) อุณหภูมิในตำแหน่งต่างๆ ในเบ้าหลอมแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป แต่ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ค่อยๆ ลดลงในโซนวัตถุดิบและค่อยๆ เพิ่มขึ้นในห้องการเจริญเติบโต

รูปที่ 2 การกระจายอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงในเบ้าหลอม (a) การกระจายอุณหภูมิภายในเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 (ซ้าย) และโครงสร้าง 1 (ขวา) ที่ 0 ชั่วโมง หน่วย: ℃ (b) การกระจายอุณหภูมิบนเส้นกึ่งกลางของเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 จากด้านล่างของวัตถุดิบไปยังผลึกเมล็ดพันธุ์ที่ 0 ชั่วโมง (c) การกระจายอุณหภูมิจากตรงกลางไปยังขอบของเบ้าหลอมบนพื้นผิวผลึกเมล็ดพันธุ์ (A) และพื้นผิววัตถุดิบ (B) ตรงกลาง (C) และด้านล่าง (D) ที่ 0 ชั่วโมง แกนแนวนอน r คือรัศมีผลึกเมล็ดพันธุ์สำหรับ A และรัศมีพื้นที่วัตถุดิบสำหรับ B~D (d) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่กึ่งกลางของส่วนบน (A) พื้นผิววัตถุดิบ (B) และตรงกลาง (C) ของห้องการเจริญเติบโตของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ที่ 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง

รูปที่ 3 แสดงการเคลื่อนย้ายวัสดุในเวลาต่างๆ ในเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 อัตราการไหลของวัสดุในเฟสก๊าซในพื้นที่วัตถุดิบและห้องการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นตามตำแหน่งที่เพิ่มขึ้น และการเคลื่อนย้ายวัสดุจะอ่อนลงเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป รูปที่ 3 ยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่าภายใต้เงื่อนไขการจำลอง วัตถุดิบจะเกิดการกราไฟต์ที่ผนังด้านข้างของเบ้าหลอมก่อน จากนั้นจึงไปที่ก้นเบ้าหลอม นอกจากนี้ยังมีการตกผลึกใหม่บนพื้นผิวของวัตถุดิบและจะค่อยๆ หนาขึ้นเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป รูปที่ 4(a) และ 4(b) แสดงให้เห็นว่าอัตราการไหลของวัสดุภายในวัตถุดิบลดลงเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป และอัตราการไหลของวัสดุที่ 100 ชั่วโมงอยู่ที่ประมาณ 50% ของโมเมนต์เริ่มต้น อย่างไรก็ตาม อัตราการไหลค่อนข้างสูงที่ขอบเนื่องจากการกราไฟต์ของวัตถุดิบ และอัตราการไหลที่ขอบนั้นมากกว่าอัตราการไหลในพื้นที่ตรงกลางที่ 100 ชั่วโมงมากกว่า 10 เท่า นอกจากนี้ ผลของ PG ในโครงสร้าง 1 ทำให้อัตราการไหลของวัสดุในพื้นที่วัตถุดิบของโครงสร้าง 1 ต่ำกว่าโครงสร้าง 0 ในรูปที่ 4(c) การไหลของวัสดุในพื้นที่วัตถุดิบและห้องการเจริญเติบโตจะค่อยๆ อ่อนลงเมื่อการเจริญเติบโตดำเนินไป และการไหลของวัสดุในพื้นที่วัตถุดิบจะลดลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเกิดจากการเปิดช่องการไหลของอากาศที่ขอบของเบ้าหลอมและการอุดตันของการตกผลึกใหม่ที่ด้านบน ในห้องการเจริญเติบโต อัตราการไหลของวัสดุของโครงสร้าง 0 จะลดลงอย่างรวดเร็วใน 30 ชั่วโมงแรกเหลือ 16% และลดลงเพียง 3% ในเวลาต่อมา ในขณะที่โครงสร้าง 1 ยังคงค่อนข้างเสถียรตลอดกระบวนการการเจริญเติบโต ดังนั้น PG จึงช่วยทำให้อัตราการไหลของวัสดุในห้องการเจริญเติบโตคงที่ รูปที่ 4(d) เปรียบเทียบอัตราการไหลของวัสดุที่ด้านหน้าการเจริญเติบโตของผลึก ในช่วงเริ่มต้นและ 100 ชั่วโมง การขนส่งวัสดุในโซนการเจริญเติบโตของโครงสร้าง 0 จะแข็งแกร่งกว่าในโครงสร้าง 1 แต่จะมีพื้นที่อัตราการไหลสูงที่ขอบของโครงสร้าง 0 เสมอ ซึ่งนำไปสู่การเจริญเติบโตที่มากเกินไปที่ขอบ การมี PG ในโครงสร้าง 1 ช่วยยับยั้งปรากฏการณ์นี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 3 การไหลของวัสดุในเบ้าหลอม เส้นกระแส (ซ้าย) และเวกเตอร์ความเร็ว (ขวา) ของการขนส่งวัสดุแก๊สในโครงสร้าง 0 และ 1 ในเวลาต่างกัน เวกเตอร์ความเร็ว หน่วย: m/s

รูปที่ 4 การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของวัสดุ (ก) การเปลี่ยนแปลงการกระจายอัตราการไหลของวัสดุตรงกลางวัตถุดิบของโครงสร้าง 0 ที่เวลา 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง โดยที่ r คือรัศมีของพื้นที่วัตถุดิบ (ข) การเปลี่ยนแปลงการกระจายอัตราการไหลของวัสดุตรงกลางวัตถุดิบของโครงสร้าง 1 ที่เวลา 0, 30, 60 และ 100 ชั่วโมง โดยที่ r คือรัศมีของพื้นที่วัตถุดิบ (ค) การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของวัสดุภายในห้องเจริญเติบโต (A, B) และภายในวัตถุดิบ (C, D) ของโครงสร้าง 0 และ 1 เมื่อเวลาผ่านไป (ง) การกระจายอัตราการไหลของวัสดุใกล้พื้นผิวผลึกเมล็ดพันธุ์ของโครงสร้าง 0 และ 1 ที่เวลา 0 และ 100 ชั่วโมง โดยที่ r คือรัศมีของผลึกเมล็ดพันธุ์

อัตราส่วน C/Si ส่งผลต่อเสถียรภาพของผลึกและความหนาแน่นของข้อบกพร่องในการเติบโตของผลึก SiC รูปที่ 5(a) เปรียบเทียบการกระจายอัตราส่วน C/Si ของโครงสร้างทั้งสองในช่วงเริ่มต้น อัตราส่วน C/Si ลดลงทีละน้อยจากด้านล่างไปยังด้านบนของเบ้าหลอม และอัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 1 จะสูงกว่าอัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 0 เสมอในตำแหน่งต่างๆ รูปที่ 5(b) และ 5(c) แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วน C/Si เพิ่มขึ้นทีละน้อยตามการเติบโต ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายในในระยะการเติบโตในภายหลัง การเพิ่มขึ้นของการสร้างกราไฟต์ของวัตถุดิบ และปฏิกิริยาของส่วนประกอบ Si ในเฟสก๊าซกับเบ้าหลอมกราไฟต์ ในรูปที่ 5(d) อัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 แตกต่างกันค่อนข้างมากต่ำกว่า PG (0, 25 มม.) แต่แตกต่างกันเล็กน้อยเหนือ PG (50 มม.) และความแตกต่างจะเพิ่มขึ้นทีละน้อยเมื่อเข้าใกล้ผลึก โดยทั่วไป อัตราส่วน C/Si ของโครงสร้าง 1 จะสูงกว่า ซึ่งช่วยทำให้รูปร่างผลึกมีเสถียรภาพและลดความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนเฟส

รูปที่ 5 การกระจายและการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วน C/Si (ก) การกระจายอัตราส่วน C/Si ในเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 (ซ้าย) และโครงสร้าง 1 (ขวา) ที่เวลา 0 ชั่วโมง (ข) อัตราส่วน C/Si ที่ระยะห่างต่างกันจากเส้นกึ่งกลางของเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชั่วโมง) (ค) อัตราส่วน C/Si ที่ระยะห่างต่างกันจากเส้นกึ่งกลางของเบ้าหลอมของโครงสร้าง 1 ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชั่วโมง) (ง) การเปรียบเทียบอัตราส่วน C/Si ที่ระยะห่างต่างกัน (0, 25, 50, 75, 100 มม.) จากเส้นกึ่งกลางของเบ้าหลอมของโครงสร้าง 0 (เส้นทึบ) และโครงสร้าง 1 (เส้นประ) ในเวลาต่างกัน (0, 30, 60, 100 ชั่วโมง)

รูปที่ 6 แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคและความพรุนของบริเวณวัตถุดิบของโครงสร้างทั้งสอง รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของวัตถุดิบลดลงและความพรุนเพิ่มขึ้นใกล้กับผนังเบ้าหลอม และความพรุนที่ขอบยังคงเพิ่มขึ้น และเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคยังคงลดลงในขณะที่การเจริญเติบโตดำเนินไป ความพรุนที่ขอบสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 0.99 ที่ 100 ชั่วโมง และเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคต่ำสุดอยู่ที่ประมาณ 300 μm เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเพิ่มขึ้นและความพรุนลดลงบนพื้นผิวด้านบนของวัตถุดิบ ซึ่งสอดคล้องกับการตกผลึกใหม่ ความหนาของพื้นที่การตกผลึกใหม่เพิ่มขึ้นในขณะที่การเจริญเติบโตดำเนินไป และขนาดอนุภาคและความพรุนยังคงเปลี่ยนแปลง เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคสูงสุดถึงมากกว่า 1,500 μm และความพรุนต่ำสุดคือ 0.13 นอกจากนี้ เนื่องจาก PG เพิ่มอุณหภูมิของพื้นที่วัตถุดิบและความอิ่มตัวของก๊าซมีขนาดเล็ก ความหนาของการตกผลึกใหม่ของส่วนบนของวัตถุดิบของโครงสร้าง 1 จึงมีขนาดเล็ก ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราการใช้ประโยชน์ของวัตถุดิบ

รูปที่ 6 การเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาค (ซ้าย) และความพรุน (ขวา) ของพื้นที่วัตถุดิบของโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ในเวลาต่างกัน หน่วยเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาค: μm

รูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง 0 บิดเบี้ยวในช่วงเริ่มต้นของการเจริญเติบโต ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับอัตราการไหลของวัสดุที่มากเกินไปซึ่งเกิดจากการกราไฟต์ที่ขอบของวัตถุดิบ ระดับของการบิดเบี้ยวจะอ่อนลงในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตที่ตามมา ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงในอัตราการไหลของวัสดุที่ด้านหน้าของการเจริญเติบโตของผลึกของโครงสร้าง 0 ในรูปที่ 4 (d) ในโครงสร้าง 1 เนื่องจากผลของ PG อินเทอร์เฟซของผลึกจึงไม่แสดงการบิดเบี้ยว นอกจากนี้ PG ยังทำให้อัตราการเติบโตของโครงสร้าง 1 ต่ำกว่าของโครงสร้าง 0 อย่างมาก ความหนาของส่วนกลางของผลึกของโครงสร้าง 1 หลังจาก 100 ชั่วโมงมีเพียง 68% ของโครงสร้าง 0

รูปที่ 7 การเปลี่ยนแปลงอินเทอร์เฟซของผลึกโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 ที่เวลา 30, 60 และ 100 ชั่วโมง

การเจริญเติบโตของผลึกเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขกระบวนการของการจำลองเชิงตัวเลข ผลึกที่เติบโตโดยโครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1 จะแสดงในรูปที่ 8(a) และรูปที่ 8(b) ตามลำดับ ผลึกของโครงสร้าง 0 แสดงอินเทอร์เฟซเว้า โดยมีคลื่นในพื้นที่ส่วนกลางและการเปลี่ยนเฟสที่ขอบ ความนูนของพื้นผิวแสดงถึงความไม่สม่ำเสมอในระดับหนึ่งในการขนส่งวัสดุในเฟสก๊าซ และการเกิดการเปลี่ยนเฟสสอดคล้องกับอัตราส่วน C/Si ที่ต่ำ อินเทอร์เฟซของผลึกที่เติบโตโดยโครงสร้าง 1 นูนเล็กน้อย ไม่พบการเปลี่ยนเฟส และความหนา 65% ของผลึกที่ไม่มี PG โดยทั่วไป ผลการเจริญเติบโตของผลึกสอดคล้องกับผลการจำลอง โดยความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวรัศมีที่มากขึ้นที่อินเทอร์เฟซผลึกของโครงสร้าง 1 การเติบโตอย่างรวดเร็วที่ขอบจะถูกระงับ และอัตราการไหลของวัสดุโดยรวมจะช้าลง แนวโน้มโดยรวมสอดคล้องกับผลการจำลองเชิงตัวเลข

รูปที่ 8 ผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้โครงสร้าง 0 และโครงสร้าง 1

บทสรุป

PG เอื้อต่อการปรับปรุงอุณหภูมิโดยรวมของพื้นที่วัตถุดิบและการปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิแนวแกนและแนวรัศมี ส่งเสริมการระเหิดและการใช้ประโยชน์จากวัตถุดิบอย่างเต็มที่ ความแตกต่างของอุณหภูมิด้านบนและด้านล่างเพิ่มขึ้น และการไล่ระดับรัศมีของพื้นผิวผลึกเมล็ดพืชเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยรักษาการเติบโตของอินเทอร์เฟซนูน ในแง่ของการถ่ายเทมวล การนำ PG เข้ามาช่วยลดอัตราการถ่ายโอนมวลโดยรวม อัตราการไหลของวัสดุในห้องการเจริญเติบโตที่มี PG เปลี่ยนแปลงน้อยลงตามเวลา และกระบวนการเติบโตทั้งหมดมีเสถียรภาพมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน PG ยังยับยั้งการเกิดการถ่ายเทมวลขอบที่มากเกินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ PG ยังเพิ่มอัตราส่วน C/Si ของสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโต โดยเฉพาะที่ขอบด้านหน้าของอินเทอร์เฟซผลึกเมล็ดพืช ซึ่งช่วยลดการเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสในระหว่างกระบวนการเติบโต ในเวลาเดียวกัน ผลของฉนวนกันความร้อนของ PG ลดการเกิดการตกผลึกใหม่ในส่วนบนของวัตถุดิบในระดับหนึ่ง สำหรับการเติบโตของผลึก PG จะทำให้การเติบโตของผลึกช้าลง แต่อินเทอร์เฟซการเติบโตนั้นนูนมากขึ้น ดังนั้น PG จึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตของผลึก SiC และปรับให้คุณภาพผลึกเหมาะสมที่สุด