Төп процессSiCКристалл үсеше чималның югары температурада сублимацияләнүе һәм таркалуы, температура градиенты тәэсирендә газ фазасындагы матдәләрне ташу һәм орлык кристаллында газ фазасындагы матдәләрнең яңадан кристаллашуы үсешенә бүленә. Моңа нигезләнеп, тигельнең эчке өлеше өч өлешкә бүленә: чимал мәйданы, үсеш камерасы һәм орлык кристаллы. Чын каршылык нигезендә санлы симуляция моделе төзелде.SiCмонокристалл үстерү җиһазлары (1 нче рәсемне карагыз). Исәпләүдә: аскы өлешетигельян җылыткычның төбеннән 90 мм ераклыкта урнашкан, тигельнең өске температурасы 2100 ℃, чимал кисәкчәсенең диаметры 1000 мкм, мәсамәлелеге 0,6, үсеш басымы 300 Па, һәм үсеш вакыты 100 сәгать. PG калынлыгы 5 мм, диаметры тигельнең эчке диаметрына тигез, һәм ул чималдан 30 мм өстәрәк урнашкан. Чимал зонасының сублимация, карбонизация һәм яңадан кристаллашу процесслары исәпләүдә карала, ә PG һәм газ фазасы матдәләре арасындагы реакция исәпкә алынмый. Исәпләүгә бәйле физик үзлек параметрлары 1 нче таблицада күрсәтелгән.
1 нче рәсем. Симуляцияне исәпләү моделе. (а) Кристалл үсешен симуляцияләү өчен җылылык кыры моделе; (б) Тигельнең эчке мәйданын бүлү һәм аңа бәйле физик мәсьәләләр.
1 нче таблица. Исәпләүдә кулланылган кайбер физик параметрлар
2(а) рәсемдә күрсәтелгәнчә, PG булган структураның (1 нче структура дип билгеләнә) температурасы PG астындагы PGсыз структурага (0 нче структура дип билгеләнә) караганда югарырак, ә PG өстендәге 0 нче структурага караганда түбәнрәк. Гомуми температура градиенты арта, һәм PG җылылык изоляцияләүче агент булып эшли. 2(b) һәм 2(c) рәсемнәренә караганда, чимал зонасындагы 1 нче структураның күчәр һәм радиаль температура градиентлары кечерәк, температура бүленеше тигезрәк, һәм материалның сублимациясе тулырак. Чимал зонасыннан аермалы буларак, 2(c) рәсемдә 1 нче структураның орлык кристаллындагы радиаль температура градиенты зуррак, бу төрле җылылык тапшыру режимнарының төрле пропорцияләре аркасында килеп чыгарга мөмкин, бу кристаллның кабарынкы интерфейс белән үсүенә ярдәм итә. 2(d) рәсемдә, тигельдәге төрле позицияләрдәге температура үсеш алга барган саен арту тенденциясен күрсәтә, ләкин 0 нче структура һәм 1 нче структура арасындагы температура аермасы чимал зонасында әкренләп кими һәм үсеш камерасында әкренләп арта.
2 нче рәсем. Тигельдәге температура бүленеше һәм үзгәрешләре. (a) 0 сәгатьтә 0 структурасының (сулда) һәм 1 структурасының (уңда) тигеле эчендәге температура бүленеше, берәмлек: ℃; (b) 0 сәгатьтә 0 структурасының һәм 1 структурасының тигеленең үзәк сызыгы буенча чимал төбеннән орлык кристалына кадәр температура бүленеше; (c) 0 сәгатьтә орлык кристалы өслегендә (A) һәм чимал өслегендә (B), уртасында (C) һәм аскы өлешендә (D) үзәктән тигель кырыена кадәр температура бүленеше, r горизонталь күчәре - A өчен орлык кристалы радиусы, ә B~D өчен чимал мәйданы радиусы; (d) 0, 30, 60 һәм 100 сәгатьтә 0 структурасының һәм 1 структурасының үсеш камерасының өске өлешенең (A), чимал өслегенең (B) һәм уртасында (C) температура үзгәрешләре.
3 нче рәсемдә 0 нче структура һәм 1 нче структураның тигельендә төрле вакытларда материал ташу күрсәтелгән. Чимал өлкәсендә һәм үсеш камерасында газ фазасы материал агымы тизлеге позиция арту белән арта, һәм үсеш алга барган саен материал ташу көчсезләнә. 3 нче рәсемдә шулай ук симуляция шартларында чимал башта тигельнең ян стенасында, аннары тигельнең аскы өлешендә графитлашуы күрсәтелгән. Моннан тыш, чимал өслегендә яңадан кристаллашу була һәм үсеш алга барган саен ул әкренләп калыная. 4(а) һәм 4(б) рәсемнәрдә чимал эчендәге материал агымы тизлеге үсеш алга барган саен кими, һәм 100 сәгатьтә материал агымы тизлеге башлангыч моментның якынча 50% тәшкил итә; шулай да, чималның графитлашуы аркасында кырыйда агым тизлеге чагыштырмача зур, һәм кырыйдагы агым тизлеге 100 сәгатьтә урта өлкәдәге агым тизлегеннән 10 тапкырдан артык; Моннан тыш, PGның 1 нче структурадагы йогынтысы 1 нче структураның чимал өлкәсендәге материал агымы тизлеген 0 нче структурага караганда түбәнрәк итә. 4(c) рәсемдә, үсеш алга барган саен, чимал өлкәсендә дә, үсеш камерасында да материал агымы әкренләп кими, һәм чимал өлкәсендәге материал агымы кими бара, бу тигель кырыенда һава агымы каналы ачылу һәм өске өлешендә яңадан кристаллашуның тоткарлануы белән бәйле; үсеш камерасында 0 нче структураның материал агымы тизлеге башлангыч 30 сәгать эчендә тиз кими һәм 16% ка кадәр кими, һәм аннан соңгы вакытта бары тик 3% ка гына кими, ә 1 нче структура үсеш процессы дәвамында чагыштырмача тотрыклы булып кала. Шуңа күрә PG үсеш камерасындагы материал агымы тизлеген тотрыклыландырырга ярдәм итә. 4(d) рәсемдә кристалл үсеш фронтындагы материал агымы тизлеге чагыштырыла. Башлангыч моментта һәм 100 сәгатьтә 0 структурасының үсеш зонасында материал ташу 1 структурасындагыга караганда көчлерәк, ләкин 0 структурасы кырыенда һәрвакыт югары агым тизлеге мәйданы була, бу кырыенда артык үсешкә китерә. 1 структурасында PG булуы бу күренешне нәтиҗәле рәвештә баса.
3 нче рәсем. Тигельдәге материал агымы. 0 һәм 1 корылмаларында төрле вакытларда газ материалы ташуның агым сызыклары (сулда) һәм тизлек векторлары (уңда), тизлек векторы берәмлеге: м/с
4 нче рәсем. Материал агымы тизлегендәге үзгәрешләр. (a) 0, 30, 60 һәм 100 сәгатьләрдә 0 структурасының чимал уртасындагы материал агымы тизлеге бүленешенең үзгәрешләре, r - чимал мәйданының радиусы; (b) 0, 30, 60 һәм 100 сәгатьләрдә 1 структурасының чимал уртасындагы материал агымы тизлеге бүленешенең үзгәрешләре, r - чимал мәйданының радиусы; (c) 0 һәм 1 структураларының үсеш камерасы эчендәге (A, B) һәм чимал эчендәге (C, D) материал агымы тизлегенең вакыт узу белән үзгәрешләре; (d) 0 һәм 1 структураларының орлык кристалл өслеге янында 0 һәм 100 сәгатьләрдә материал агымы тизлеге бүленеше, r - орлык кристаллының радиусы
C/Si кристалл тотрыклылыгына һәм SiC кристалл үсешенең кимчелек тыгызлыгына тәэсир итә. 5(a) рәсемдә башлангыч моментта ике структураның C/Si нисбәте бүленеше чагыштырыла. C/Si нисбәте тигельнең астан өскә таба әкренләп кими, һәм 1 структураның C/Si нисбәте төрле позицияләрдә һәрвакыт 0 структураныкыннан югарырак була. 5(b) һәм 5(c) рәсемнәрендә C/Si нисбәте үсеш белән әкренләп арта, бу үсешнең соңгы этабында эчке температураның артуы, чимал графитизациясенең көчәюе һәм газ фазасындагы Si компонентларының графит тигель белән реакциясе белән бәйле. 5(d) рәсемдә 0 структура һәм 1 структураның C/Si нисбәте PG (0, 25 мм) астында шактый аерылып тора, ләкин PG (50 мм) өстендә бераз аерылып тора, һәм аерма кристаллга якынлашкан саен әкренләп арта. Гомумән алганда, 1 структураның C/Si нисбәте югарырак, бу кристалл формасын тотрыклыландырырга һәм фаза күчү ихтималын киметергә ярдәм итә.
5 нче рәсем. C/Si нисбәтенең бүленеше һәм үзгәрешләре. (а) 0 сәгатьтә 0 структурасының (сулда) һәм 1 структурасының (уңда) тигельләрендә C/Si нисбәте бүленеше; (б) 0 структурасының тигеленең үзәк сызыгыннан төрле вакытларда (0, 30, 60, 100 сәгать) төрле ераклыктагы C/Si нисбәте; (в) 1 структурасының тигеленең үзәк сызыгыннан төрле вакытларда (0, 30, 60, 100 сәгать) төрле ераклыктагы C/Si нисбәте; (г) 0 структурасының (тоташ сызык) һәм 1 структурасының (үзәк сызык) тигеленең үзәк сызыгыннан төрле вакытларда (0, 30, 60, 100 сәгать) төрле ераклыктагы (0, 25, 50, 75, 100 мм) C/Si нисбәтен чагыштыру.
6 нчы рәсемдә ике структураның чимал өлкәләренең кисәкчә диаметры һәм күзәнәклелеге үзгәрүе күрсәтелгән. Рәсемдә чимал диаметры кими һәм тигель стенасы янында күзәнәклелек арта, ә кырый күзәнәклелеге үсә бара һәм кисәкчә диаметры үсеш алга барган саен кими бара. 100 сәгатьтә максималь кырый күзәнәклелеге якынча 0,99, ә минималь кисәкчә диаметры якынча 300 мкм. Чималның өске өслегендә кисәкчә диаметры арта һәм күзәнәклелек кими, бу яңадан кристаллашуга туры килә. Үсеш алга барган саен яңадан кристаллашу өлкәсенең калынлыгы арта, һәм кисәкчә зурлыгы һәм күзәнәклелеге үзгәрүен дәвам итә. Кисәкчәнең максималь диаметры 1500 мкм дан артып китә, ә минималь күзәнәклелек 0,13. Моннан тыш, PG чимал өлкәсенең температурасын арттырганга һәм газның артык туендырылуы аз булганга, 1 нче структура чималның өске өлешенең яңадан кристаллашу калынлыгы аз, бу чимал куллану дәрәҗәсен яхшырта.
6 нчы рәсем. Төрле вакытларда 0 нче структура һәм 1 нче структураның чимал мәйданының кисәкчә диаметры (сулда) һәм мәсамәлелеге (уңда) үзгәрүе, кисәкчә диаметры берәмлеге: мкм
7 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, 0 нче структура үсеш башында кәкреләнә, бу чимал кырыеның графитлашуы аркасында материал агымының артык тизлеге белән бәйле булырга мөмкин. Кыбырдау дәрәҗәсе аннан соңгы үсеш процессында әкренәйә, бу 4 нче рәсемдә (d) күрсәтелгән 0 нче структураның кристалл үсешенең алгы ягындагы материал агымы тизлегенең үзгәрүенә туры килә. 1 нче структурада, PG йогынтысы аркасында, кристалл интерфейсы кәкреләнү күрсәтми. Моннан тыш, PG шулай ук 1 нче структураның үсеш тизлеген 0 нче структурага караганда күпкә түбәнрәк итә. 100 сәгатьтән соң 1 нче структура кристалының үзәк калынлыгы 0 нче структураның калынлыгының нибары 68% тәшкил итә.
7 нче рәсем. 30, 60 һәм 100 сәгатьләрдә 0 структурасы һәм 1 структурасы кристалларының интерфейс үзгәрешләре
Кристалл үсеше санлы симуляция процессы шартларында башкарылды. 0 структурасы һәм 1 структурасы белән үстерелгән кристаллар 8(а) һәм 8(б) рәсемнәрдә күрсәтелгән. 0 структурасы кристалы үзәк өлкәдә дулкыннар һәм кырыйда фаза күчеше белән батынкы интерфейсны күрсәтә. Өслек кабарынкылыгы газ фазасы материалларын ташуда билгеле бер дәрәҗәдәге бертөрле булмауны күрсәтә, һәм фаза күчешенең барлыкка килүе түбән C/Si нисбәтенә туры килә. 1 структурасы белән үстерелгән кристаллның интерфейсы бераз кабарынкы, фаза күчеше табылмый, һәм калынлыгы PG булмаганда кристаллның 65% тәшкил итә. Гомумән алганда, кристалл үсеше нәтиҗәләре симуляция нәтиҗәләренә туры килә, 1 структурасы кристалл интерфейсында зуррак радиаль температура аермасы булганда, кырыйда тиз үсеш бастырыла, һәм гомуми материал агымы тизлеге акрынрак. Гомуми тенденция санлы симуляция нәтиҗәләренә туры килә.
8 нче рәсем 0 һәм 1 нче структура астында үстерелгән SiC кристаллары
Йомгак
PG чимал мәйданының гомуми температурасын яхшыртуга һәм күчәр һәм радиаль температура тигезлеген яхшыртуга ярдәм итә, чималның тулысынча сублимациясен һәм кулланылышын тәэмин итә; өске һәм аскы температура аермасы арта, һәм орлык кристалл өслегенең радиаль градиенты арта, бу кабарынкы интерфейс үсешен сакларга ярдәм итә. Масса күчерү ягыннан, PG кертү гомуми масса күчерү тизлеген киметә, PG булган үсеш камерасындагы материал агымы тизлеге вакыт узу белән азрак үзгәрә, һәм бөтен үсеш процессы тотрыклырак була. Шул ук вакытта, PG шулай ук артык кырыйлы масса күчерүнең барлыкка килүен нәтиҗәле рәвештә тоткарлый. Моннан тыш, PG шулай ук үсеш мохитенең C/Si нисбәтен арттыра, бигрәк тә орлык кристалл интерфейсының алгы кырыенда, бу үсеш процессында фаза үзгәрешенең барлыкка килүен киметергә ярдәм итә. Шул ук вакытта, PGның җылылык изоляциясе эффекты чималның өске өлешендә яңадан кристаллашу барлыкка килүен билгеле бер дәрәҗәдә киметә. Кристалл үсеше өчен PG кристалл үсеш тизлеген әкренәйтә, ләкин үсеш интерфейсы кабарынкырак. Шуңа күрә, PG SiC кристалларының үсеш мохитен яхшырту һәм кристалл сыйфатын оптимальләштерү өчен нәтиҗәле чара булып тора.
Бастырылган вакыты: 2024 елның 18 июне