Esasy prosesSiCKristal ösüşi çig malyň ýokary temperaturada sublimasiýa we parçalanmagyna, temperatura gradientiniň täsiri astynda gaz faza maddalarynyň daşalmagyna we tohum kristalynda gaz faza maddalarynyň gaýtadan kristallaşma ösüşine bölünýär. Şuňa esaslanyp, tigeliň içi üç bölege bölünýär: çig mal meýdany, ösüş kamerasy we tohum kristaly. Hakyky garşylyk esasynda sanly simulýasiýa modeli çekildi.SiCmonokristal ösdüriji enjamlar (1-nji surata serediň). Hasaplamada: aşaky bölegikrestgapdal gyzdyryjynyň aşagyndan 90 mm uzaklykda ýerleşýär, tigeliň ýokarky temperaturasy 2100 ℃, çig mal bölejiginiň diametri 1000 μm, gözenekliligi 0.6, ösüş basyşy 300 Pa we ösüş wagty 100 sagat. PG galyňlygy 5 mm, diametri tigeliň içki diametrine deňdir we çig maldan 30 mm ýokarda ýerleşýär. Çig mal zolagynyň sublimasiýa, kömürleşme we gaýtadan kristallaşma prosesleri hasaplamada göz öňünde tutulýar we PG bilen gaz fazasynyň maddalarynyň arasyndaky reaksiýa göz öňünde tutulmaýar. Hasaplama bilen baglanyşykly fiziki häsiýet parametrleri 1-nji tablisada görkezilen.
1-nji surat Simulýasiýa hasaplama modeli. (a) Kristallaryň ösüşini simulýasiýa etmek üçin termal meýdan modeli; (b) Tigeliň içki meýdanynyň bölünmegi we degişli fiziki meseleler
1-nji tablisa Hasaplamada ulanylan käbir fiziki parametrler
2(a) suratda PG saklaýan gurluşyň (1-nji gurluş hökmünde görkezilýär) temperaturasynyň PG-den aşakda PG-siz gurluşyň (0-njy gurluş hökmünde görkezilýär) temperaturasyndan ýokary we PG-den ýokarda 0-njy gurluşyň temperaturasyndan pesdigi görkezilýär. Umumy temperatura gradienti artýar we PG ýylylyk izolýasiýa ediji serişde hökmünde hereket edýär. 2(b) we 2(c) suratlaryna görä, çig mal zolagyndaky 1-nji gurluşyň ok we radial temperatura gradientleri kiçi, temperatura paýlanyşy has deň we materialyň sublimasiýa has doly. Çig mal zolagyndan tapawutlylykda, 2(c) suratda 1-nji gurluşyň tohum kristalyndaky radial temperatura gradientiniň has ulydygy görkezilýär, bu bolsa dürli ýylylyk geçirijilik režimleriniň dürli proporsiýalary sebäpli bolup biler, bu bolsa kristalyň konwert serhet bilen ösmegine kömek edýär. 2(d) suratda, tigelde dürli ýerlerde temperatura ösüş dowam edende artýan meýli görkezýär, ýöne 0-njy gurluş bilen 1-nji gurluşyň arasyndaky temperatura tapawudy çig mal zolagynda kem-kemden azalýar we ösüş kamerasynda kem-kemden artýar.
2-nji surat Temperaturanyň paýlanyşy we tigelde üýtgeşmeler. (a) 0-njy gurluşyň (çepde) we 1-nji gurluşyň (sagda) tigeliniň içinde 0 sagatda temperatura paýlanyşy, birlik: ℃; (b) 0 sagatda 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň tigeliniň merkezi çyzygy boýunça çig malyň aşagyndan tohum kristalyna çenli temperatura paýlanyşy; (c) 0 sagatda tohum kristalynyň ýüzünde (A) we çig malyň ýüzünde (B), ortasynda (C) we aşagynda (D) merkezden tigeliň gyrasyna çenli temperatura paýlanyşy, gorizontal ok r A üçin tohum kristalynyň radiusy we B~D üçin çig malyň meýdanynyň radiusydyr; (d) 0, 30, 60 we 100 sagatda 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň ösüş kamerasynyň ýokarky böleginiň (A), çig malyň ýüzüniň (B) we ortasynda (C) temperatura üýtgeşmeleri.
3-nji suratda 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň tigelinde dürli wagtlarda material daşalyş görkezilýär. Çig mal meýdanynda we ösüş kamerasynda gaz fazasynyň material akymynyň tizligi ýagdaýyň ýokarlanmagy bilen artýar we ösüş dowam edende material daşalyşynyň gowşaýandygy görkezilýär. 3-nji suratda şeýle hem simulýasiýa şertlerinde çig malyň ilki tigeliň gapdal diwarynda, soňra bolsa tigeliň aşagynda grafitlenýändigi görkezilýär. Mundan başga-da, çig malyň ýüzünde gaýtadan kristallaşma bolýar we ösüş dowam edende ol kem-kemden goýalýar. 4(a) we 4(b) suratlarda çig malyň içindäki material akymynyň tizliginiň ösüş dowam edende peselýändigi we 100 sagatda material akymynyň tizliginiň başlangyç momentiň takmynan 50% -ine deňdigi görkezilýär; ýöne çig malyň grafitlenmegi sebäpli gyrasynda akym tizligi deňeşdirme boýunça uly we gyrasyndaky akym tizligi 100 sagatda orta meýdandaky akym tizliginden 10 esseden gowrakdyr; Mundan başga-da, PG-niň 1-nji gurluşdaky täsiri 1-nji gurluşyň çig mal meýdanyndaky material akymynyň tizligini 0-njy gurluşdakydan pes edýär. 4(c)-nji suratda, çig mal meýdanyndaky we ösüş kamerasyndaky material akymy ösüş dowam edende kem-kemden gowşaýar we çig mal meýdanyndaky material akymy azalmagyny dowam etdirýär, bu bolsa tigeliň gyrasyndaky howa akymynyň kanalynyň açylmagy we ýokarky böleginde gaýtadan kristallaşmanyň bökdençligi bilen baglanyşyklydyr; ösüş kamerasynda 0-njy gurluşyň material akymynyň tizligi başlangyç 30 sagatda çalt 16% -e çenli azalýar we soňraky wagtda diňe 3% azalýar, 1-nji gurluş bolsa ösüş prosesinde deňeşdirme boýunça durnukly galýar. Şonuň üçin PG ösüş kamerasyndaky material akymynyň tizligini durnuklaşdyrmaga kömek edýär. 4(d)-nji suratda kristal ösüş frontundaky material akymynyň tizligi deňeşdirilýär. Ilkinji pursatda we 100 sagatda 0-njy gurluşyň ösüş zolagyndaky materiallaryň daşalmagy 1-nji gurluşdakydan has güýçli, ýöne 0-njy gurluşyň gyrasynda hemişe ýokary akym tizligi bolan meýdan bar, bu bolsa gyrada aşa köp ösüşe getirýär. 1-nji gurluşda PG-niň bolmagy bu hadysany netijeli basyp ýatyrýar.
3-nji surat. Tizlikdäki material akymy. 0 we 1 gurluşlarynda dürli wagtlarda gaz material daşamagynyň akymlary (çepde) we tizlik wektorlary (sagda), tizlik wektor birligi: m/s
4-nji surat Material akymynyň tizligindäki üýtgeşmeler. (a) 0, 30, 60 we 100 sagatda 0 gurluşyň çig malynyň ortasyndaky material akymynyň tizliginiň paýlanyşyndaky üýtgeşmeler, r çig mal meýdanynyň radiusydyr; (b) 0, 30, 60 we 100 sagatda 1 gurluşyň çig malynyň ortasyndaky material akymynyň tizliginiň paýlanyşyndaky üýtgeşmeler, r çig mal meýdanynyň radiusydyr; (c) 0 we 1 gurluşlaryň ösüş kamerasynyň içinde (A, B) we çig malyň içinde (C, D) material akymynyň tizliginiň wagtyň geçmegi bilen üýtgeşmeleri; (d) 0 we 1 gurluşlaryň tohum kristalynyň ýüzüne golaý material akymynyň tizliginiň 0 we 100 sagatda paýlanyşy, r tohum kristalynyň radiusydyr
C/Si SiC kristal ösüşiniň kristal durnuklylygyna we kemçilik dykyzlygyna täsir edýär. 5(a) suratda başlangyç pursatda iki gurluşyň C/Si gatnaşygynyň paýlanyşy deňeşdirilýär. C/Si gatnaşygy tigeliň aşagyndan ýokarsyna çenli kem-kemden azalýar we 1-nji gurluşyň C/Si gatnaşygy dürli ýerlerde hemişe 0-njy gurluşyňkydan ýokary bolýar. 5(b) we 5(c) suratlarda C/Si gatnaşygynyň ösüş bilen kem-kemden artýandygy görkezilýär, bu bolsa ösüşiň soňky tapgyrynda içki temperaturanyň ýokarlanmagy, çig malyň grafitleşmesiniň güýçlenmegi we gaz fazasyndaky Si komponentleriniň grafit tigel bilen reaksiýasy bilen baglanyşyklydyr. 5(d) suratda 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň C/Si gatnaşyklary PG-den (0, 25 mm) aşakda düýpli tapawutlanýar, ýöne PG-den (50 mm) ýokarda birneme tapawutlanýar we tapawut kristala golaýlaşdygyça kem-kemden artýar. Umuman, 1-nji gurluşyň C/Si gatnaşygy ýokarydyr, bu bolsa kristal görnüşini durnuklaşdyrmaga we faza geçişiniň ähtimallygyny azaltmaga kömek edýär.
5-nji surat C/Si gatnaşygynyň paýlanyşy we üýtgeşmeleri. (a) 0-njy gurluşyň (çepde) we 1-nji gurluşyň (sagda) tigellerinde 0 sagatda C/Si gatnaşygynyň paýlanyşy; (b) 0-njy gurluşyň tigeliniň merkezi çyzygyndan dürli wagtlarda (0, 30, 60, 100 sagat) dürli aralykda C/Si gatnaşygy; (c) 1-nji gurluşyň tigeliniň merkezi çyzygyndan dürli wagtlarda (0, 30, 60, 100 sagat) dürli aralykda C/Si gatnaşygy; (d) 0-njy gurluşyň (berk çyzyk) we 1-nji gurluşyň (kesik çyzyk) tigeliniň merkezi çyzygyndan dürli wagtlarda (0, 30, 60, 100 sagat) dürli aralykda (0, 25, 50, 75, 100 mm) C/Si gatnaşygynyň deňeşdirilmegi.
6-njy suratda iki gurluşyň çig mal sebitleriniň bölejikleriniň diametriniň we gözenekliliginiň üýtgemeleri görkezilýär. Suratda çig malyň diametriniň kiçelýändigi we gözenekliligiň tigel diwarynyň golaýynda artýandygy, şeýle hem gyra gözenekliliginiň ösüş dowam edende artýandygyny we bölejikleriň diametriniň azalýandygyny görkezilýär. Maksimum gyra gözenekliligi 100 sagatda takmynan 0,99, iň pes bölejik diametri bolsa takmynan 300 μm. Bölejikleriň diametri artýar we çig malyň ýokarky ýüzünde gözeneklilik azalýar, bu bolsa gaýtadan kristallaşmaga laýyk gelýär. Ösüş dowam edende gaýtadan kristallaşma meýdanynyň galyňlygy artýar we bölejikleriň ölçegi we gözenekliligi üýtgeýär. Maksimum bölejik diametri 1500 μm-den gowrak bolýar we iň pes gözeneklilik 0,13. Mundan başga-da, PG çig mal meýdanynyň temperaturasyny ýokarlandyrýandygy we gazyň artykmaç doýgunlygy az bolandygy sebäpli, 1-nji gurluşyň çig malynyň ýokarky böleginiň gaýtadan kristallaşma galyňlygy az bolýar, bu bolsa çig malyň ulanylyş tizligini ýokarlandyrýar.
6-njy surat 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň çig mal meýdanynyň dürli wagtlarda bölejikleriň diametriniň (çepde) we gözenekliliginiň (sagda) üýtgemegi, bölejikleriň diametriniň birligi: μm
7-nji suratda 0-njy gurluşyň ösüşiň başynda egrilýändigi görkezilýär, bu bolsa çig malyň gyrasynyň grafitleşmegi sebäpli ýüze çykýan aşa köp material akymynyň tizligi bilen baglanyşykly bolup biler. Egrilme derejesi soňraky ösüş prosesinde gowşaýar, bu bolsa 4-nji suratda (d) görkezilen 0-njy gurluşyň kristal ösüşiniň öň tarapyndaky material akymynyň tizliginiň üýtgemegine gabat gelýär. 1-nji gurluşda, PG-niň täsiri sebäpli, kristall serheti egrilme görkezmeýär. Mundan başga-da, PG 1-nji gurluşyň ösüş tizligini 0-njy gurluşyňkydan has pes edýär. 100 sagatdan soň 1-nji gurluşyň kristalynyň merkezi galyňlygy 0-njy gurluşyňkydan diňe 68% -e deňdir.
7-nji surat 0-njy gurluşyň we 1-nji gurluşyň kristallarynyň 30, 60 we 100 sagatda serhet üýtgeşmeleri
Kristallaryň ösüşi sanly simulýasiýa proses şertlerinde amala aşyryldy. 0-njy gurluş we 1-nji gurluş tarapyndan ösdürilen kristallar degişlilikde 8(a) we 8(b) suratlarda görkezilen. 0-njy gurluşyň kristaly merkezi meýdanda tolkunlar we gyrasynda faza geçişi bolan içbükeý serheti görkezýär. Ýüziň konweksligi gaz fazasynyň materiallarynyň daşalmagynda belli bir derejede deň dälligi görkezýär we faza geçişiniň ýüze çykmagy pes C/Si gatnaşygyna gabat gelýär. 1-nji gurluş tarapyndan ösdürilen kristalyň serheti biraz konweks, faza geçişi tapylmaýar we galyňlygy PG-siz kristalyň 65% -ine deňdir. Umuman, kristallaryň ösüş netijeleri simulýasiýa netijelerine gabat gelýär, 1-nji gurluşyň kristal serhetinde has uly radial temperatura tapawudy bilen gyrasyndaky çalt ösüş basylýar we umumy material akymynyň tizligi haýal bolýar. Umumy meýil sanly simulýasiýa netijelerine gabat gelýär.
8-nji surat 0-njy gurluşda we 1-nji gurluşda ösdürilen SiC kristallary
Netije
PG çig mal meýdanynyň umumy temperaturasynyň gowulanmagyna we ok boýunça we radial temperatura deňliginiň gowulanmagyna ýardam edýär, çig malyň doly sublimasiýasyny we ulanylyşyny höweslendirýär; ýokarky we aşaky temperatura tapawudy artýar we tohum kristalynyň ýüzüniň radial gradienti artýar, bu bolsa konweks serhet ösüşini saklamaga kömek edýär. Massa geçişi babatda PG-niň girizilmegi umumy massa geçiş tizligini peseldýär, PG-ni öz içine alýan ösüş kamerasyndaky material akymynyň tizligi wagtyň geçmegi bilen az üýtgeýär we tutuş ösüş prosesi has durnukly bolýar. Şol bir wagtyň özünde, PG şeýle hem aşa köp gyra massa geçişiniň ýüze çykmagynyň öňüni netijeli alýar. Mundan başga-da, PG ösüş gurşawynyň, esasanam tohum kristalynyň serhetiniň öň gyrasynda C/Si gatnaşygyny ýokarlandyrýar, bu bolsa ösüş prosesinde faza üýtgemeleriniň ýüze çykmagyny azaltmaga kömek edýär. Şol bir wagtyň özünde, PG-niň ýylylyk izolýasiýa täsiri çig malyň ýokarky böleginde gaýtadan kristallaşmanyň ýüze çykmagyny belli bir derejede azaldýar. Kristal ösüşi üçin PG kristal ösüş tizligini haýalladýar, ýöne ösüş serheti has konweksdir. Şonuň üçin PG SiC kristallarynyň ösüş gurşawyny gowulandyrmak we kristallaryň hilini optimizirlemek üçin netijeli serişdedir.
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 18-nji iýuny