Asosiy jarayonSiCKristal o'sishi yuqori haroratda xom ashyoning sublimatsiyasi va parchalanishi, harorat gradiyenti ta'sirida gaz fazasidagi moddalarni tashish va urug' kristalida gaz fazasidagi moddalarning qayta kristallanish o'sishiga bo'linadi. Bunga asoslanib, tigelning ichki qismi uch qismga bo'linadi: xom ashyo maydoni, o'sish kamerasi va urug' kristalli. Haqiqiy qarshilikka asoslangan holda raqamli simulyatsiya modeli chizilgan.SiCmonokristalli o'sish uskunasi (1-rasmga qarang). Hisoblashda: pastki qismitigelyon isitgichning pastki qismidan 90 mm uzoqlikda, tigelning yuqori harorati 2100 ℃, xom ashyo zarrachasining diametri 1000 mkm, g'ovakliligi 0,6, o'sish bosimi 300 Pa va o'sish vaqti 100 soat. PG qalinligi 5 mm, diametri tigelning ichki diametriga teng va u xom ashyodan 30 mm yuqorida joylashgan. Xom ashyo zonasining sublimatsiya, karbonizatsiya va qayta kristallanish jarayonlari hisoblashda hisobga olinadi va PG va gaz fazasidagi moddalar o'rtasidagi reaksiya hisobga olinmaydi. Hisoblash bilan bog'liq fizik xususiyat parametrlari 1-jadvalda keltirilgan.
1-rasm. Simulyatsiya hisoblash modeli. (a) Kristall o'sishini simulyatsiya qilish uchun issiqlik maydoni modeli; (b) Tigelning ichki maydonini bo'lish va unga bog'liq fizik muammolar
1-jadval. Hisoblashda ishlatiladigan ba'zi fizik parametrlar
2(a)-rasmda PG o'z ichiga olgan strukturaning (1-struktura deb ataladi) harorati PG dan pastda PGsiz strukturaning (0-struktura deb ataladi) haroratidan yuqori va PG dan yuqorida 0-strukturaning haroratidan pastroq ekanligi ko'rsatilgan. Umumiy harorat gradiyenti oshadi va PG issiqlik izolyatsiyalovchi vosita vazifasini bajaradi. 2(b) va 2(c)-rasmlarga ko'ra, xom ashyo zonasida 1-strukturaning eksenel va radial harorat gradiyentlari kichikroq, harorat taqsimoti bir tekisroq va materialning sublimatsiyasi to'liqroq. Xom ashyo zonasidan farqli o'laroq, 2(c)-rasmda 1-strukturaning urug' kristalidagi radial harorat gradiyenti kattaroq ekanligi ko'rsatilgan, bu turli xil issiqlik uzatish rejimlarining turli nisbatlari tufayli yuzaga kelishi mumkin, bu esa kristalning qavariq interfeys bilan o'sishiga yordam beradi. 2(d)-rasmda, tigeldagi turli pozitsiyalardagi harorat o'sish davom etar ekan, ortib borayotgan tendentsiyani ko'rsatadi, ammo 0-struktura va 1-struktura o'rtasidagi harorat farqi xom ashyo zonasida asta-sekin kamayadi va o'sish kamerasida asta-sekin oshadi.
2-rasm. Tegeldagi harorat taqsimoti va o'zgarishlari. (a) 0 (chapda) struktura va 1 (o'ngda) tegel ichidagi harorat taqsimoti, 0 soatda, birlik: ℃; (b) 0 soatda 0 struktura va 1 struktura tegelining markaziy chizig'i bo'ylab xom ashyoning pastki qismidan urug' kristalligacha bo'lgan harorat taqsimoti; (c) 0 soatda urug' kristalli yuzasida (A) va xom ashyo yuzasida (B), o'rtada (C) va pastki qismida (D) markazdan tegel chetigacha harorat taqsimoti, r gorizontal o'qi A uchun urug' kristalli radiusi va B~D uchun xom ashyo maydoni radiusi; (d) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 0 struktura va 1 struktura o'sish kamerasining yuqori qismi (A), xom ashyo yuzasi (B) va o'rtada (C) harorat o'zgarishi.
3-rasmda 0-struktura va 1-strukturaning tigelida turli vaqtlarda material tashish ko'rsatilgan. Xom ashyo sohasida va o'sish kamerasida gaz fazasi material oqim tezligi pozitsiyaning oshishi bilan ortadi va o'sish davom etgan sari material tashish susayadi. 3-rasmda shuningdek, simulyatsiya sharoitida xom ashyo avval tigelning yon devorida, keyin esa tigelning pastki qismida grafitlanishi ko'rsatilgan. Bundan tashqari, xom ashyo yuzasida qayta kristallanish mavjud va o'sish davom etgan sari u asta-sekin qalinlashadi. 4(a) va 4(b)-rasmlarda xom ashyo ichidagi material oqim tezligi o'sish davom etgan sari kamayishi va 100 soatlik material oqim tezligi boshlang'ich momentning taxminan 50% ni tashkil etishi ko'rsatilgan; ammo, xom ashyoning grafitlanishi tufayli chekkada oqim tezligi nisbatan katta va chekkadagi oqim tezligi 100 soatlik o'rta sohadagi oqim tezligidan 10 baravardan ko'proq; Bundan tashqari, PG ning 1-tuzilmadagi ta'siri 1-tuzilmaning xom ashyo sohasidagi material oqimi tezligini 0-tuzilmadagiga qaraganda pastroq qiladi. 4(c)-rasmda, xom ashyo sohasidagi ham, o'sish kamerasidagi ham material oqimi o'sish davom etar ekan, asta-sekin susayadi va xom ashyo sohasidagi material oqimi pasayishda davom etadi, bu esa tigel chetida havo oqimi kanalining ochilishi va yuqori qismida qayta kristallanishning to'sqinlik qilishi bilan bog'liq; o'sish kamerasida 0-tuzilmaning material oqimi tezligi dastlabki 30 soat ichida 16% gacha tez pasayadi va keyingi vaqt ichida atigi 3% ga kamayadi, 1-tuzilma esa o'sish jarayonida nisbatan barqaror bo'lib qoladi. Shuning uchun, PG o'sish kamerasidagi material oqimi tezligini barqarorlashtirishga yordam beradi. 4(d)-rasmda kristall o'sish frontidagi material oqimi tezligi taqqoslanadi. Dastlabki momentda va 100 soatda 0-strukturaning o'sish zonasida material tashish 1-strukturadagiga qaraganda kuchliroq, ammo 0-strukturaning chekkasida har doim yuqori oqim tezligi maydoni mavjud bo'lib, bu chekkada ortiqcha o'sishga olib keladi. 1-strukturada PG mavjudligi bu hodisani samarali ravishda bostiradi.
3-rasm. Tigeldagi material oqimi. 0 va 1 inshootlarida turli vaqtlarda gaz materiali tashishning oqim chiziqlari (chapda) va tezlik vektorlari (o'ngda), tezlik vektor birligi: m/s
4-rasm. Materiallar oqimi tezligining o'zgarishi. (a) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 0 strukturasining xom ashyosi o'rtasidagi material oqimi tezligi taqsimotining o'zgarishi, r xom ashyo maydonining radiusi; (b) 0, 30, 60 va 100 soatlarda 1 strukturasining xom ashyosi o'rtasidagi material oqimi tezligi taqsimotining o'zgarishi, r xom ashyo maydonining radiusi; (c) 0 va 1 strukturalarining o'sish kamerasi ichidagi (A, B) va xom ashyo (C, D) ichidagi material oqimi tezligining vaqt o'tishi bilan o'zgarishi; (d) 0 va 1 strukturalarining urug' kristalli yuzasi yaqinidagi material oqimi tezligining 0 va 100 soatlarda taqsimoti, r urug' kristallining radiusi
C/Si SiC kristall o'sishining kristall barqarorligi va nuqson zichligiga ta'sir qiladi. 5(a)-rasmda dastlabki momentda ikkita strukturaning C/Si nisbati taqsimoti taqqoslanadi. C/Si nisbati asta-sekin tigelning pastki qismidan yuqorisiga pasayadi va 1-strukturaning C/Si nisbati har doim turli pozitsiyalarda 0-strukturanikidan yuqori bo'ladi. 5(b) va 5(c)-rasmlarda C/Si nisbati o'sish bilan asta-sekin oshib borishi ko'rsatilgan, bu o'sishning keyingi bosqichida ichki haroratning oshishi, xom ashyo grafitlanishining kuchayishi va gaz fazasidagi Si komponentlarining grafit tigel bilan reaksiyasi bilan bog'liq. 5(d)-rasmda 0-struktura va 1-strukturaning C/Si nisbatlari PG (0, 25 mm) dan pastda ancha farq qiladi, lekin PG (50 mm) dan yuqorida biroz farq qiladi va farq kristallga yaqinlashganda asta-sekin ortadi. Umuman olganda, 1-strukturaning C/Si nisbati yuqoriroq, bu kristall shaklini barqarorlashtirishga va fazaviy o'tish ehtimolini kamaytirishga yordam beradi.
5-rasm. C/Si nisbatining taqsimlanishi va o'zgarishi. (a) 0-inshoot (chapda) va 1-inshoot (o'ngda) tigellarida 0 soatda C/Si nisbatining taqsimlanishi; (b) 0-inshoot tigelining markaziy chizig'idan turli vaqtlarda (0, 30, 60, 100 soat) turli masofalarda joylashgan C/Si nisbati; (c) 1-inshoot tigelining markaziy chizig'idan turli vaqtlarda (0, 30, 60, 100 soat) turli masofalarda joylashgan C/Si nisbati; (d) 0-inshoot (qattiq chiziq) va 1-inshoot (uzuk chiziq) tigelining markaziy chizig'idan turli vaqtlarda (0, 30, 60, 100 soat) turli masofalarda (0, 25, 50, 75, 100 mm) joylashgan C/Si nisbatini taqqoslash.
6-rasmda ikkita strukturaning xom ashyo mintaqalarining zarracha diametri va g'ovakliligidagi o'zgarishlar ko'rsatilgan. Rasmda xom ashyo diametri kamayib, tigel devori yaqinida g'ovaklilik oshib borishi, o'sish davom etar ekan, chekka g'ovakliligi oshib borishi va zarracha diametri kamayib borishi ko'rsatilgan. Maksimal chekka g'ovakliligi 100 soatda taxminan 0,99 ni, minimal zarracha diametri esa taxminan 300 mkm ni tashkil qiladi. Zarracha diametri ortadi va xom ashyoning yuqori yuzasida g'ovaklilik pasayadi, bu esa qayta kristallanishga mos keladi. O'sish davom etar ekan, qayta kristallanish maydonining qalinligi oshadi va zarracha hajmi va g'ovakliligi o'zgarishda davom etadi. Maksimal zarracha diametri 1500 mkm dan oshadi va minimal g'ovaklilik 0,13 ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, PG xom ashyo maydonining haroratini oshirganligi va gazning to'yinganligi kichik bo'lganligi sababli, 1-struktura xom ashyosining yuqori qismining qayta kristallanish qalinligi kichik bo'lib, bu xom ashyodan foydalanish tezligini yaxshilaydi.
6-rasm. 0-struktura va 1-strukturaning xom ashyo maydonining zarracha diametri (chapda) va g'ovakliligining (o'ngda) turli vaqtlarda o'zgarishi, zarracha diametri birligi: μm
7-rasmda 0-struktura o'sish boshida egri chiziq hosil qilishi ko'rsatilgan, bu xom ashyo chetining grafitlanishi natijasida yuzaga keladigan ortiqcha material oqimi tezligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Keyingi o'sish jarayonida egri chiziq darajasi zaiflashadi, bu 4-rasmda (d) ko'rsatilgan 0-strukturaning kristall o'sishi oldidagi material oqimi tezligining o'zgarishiga mos keladi. 1-strukturada, PG ta'siri tufayli kristall interfeysi egri chiziq hosil qilmaydi. Bundan tashqari, PG 1-strukturaning o'sish tezligini 0-strukturaga qaraganda sezilarli darajada pastroq qiladi. 100 soatdan keyin 1-struktura kristalining markaziy qalinligi 0-struktura qalinligining atigi 68% ni tashkil qiladi.
7-rasm. 0-tuzilma va 1-tuzilma kristallarining 30, 60 va 100 soatlik interfeysdagi o'zgarishlari
Kristall o'sishi raqamli simulyatsiya jarayon sharoitida amalga oshirildi. 0-tuzilma va 1-tuzilma tomonidan o'stirilgan kristallar mos ravishda 8(a) va 8(b)-rasmlarda ko'rsatilgan. 0-tuzilma kristalli markaziy sohada to'lqinlar va chekkada fazaviy o'tish bilan botiq interfeysni ko'rsatadi. Sirt qavariqligi gaz fazali materiallarning tashishida ma'lum darajada bir xil emaslikni ifodalaydi va fazaviy o'tishning paydo bo'lishi past C/Si nisbatiga mos keladi. 1-tuzilma tomonidan o'stirilgan kristallning interfeysi biroz qavariq, fazaviy o'tish topilmaydi va qalinligi PGsiz kristallning 65% ni tashkil qiladi. Umuman olganda, kristall o'sishi natijalari simulyatsiya natijalariga mos keladi, 1-tuzilmaning kristall interfeysida katta radial harorat farqi bilan chekkada tez o'sish bostiriladi va umumiy material oqimi tezligi sekinroq. Umumiy tendentsiya raqamli simulyatsiya natijalariga mos keladi.
8-rasm. 0-tuzilma va 1-tuzilma ostida o'stirilgan SiC kristallari
Xulosa
PG xom ashyo maydonining umumiy haroratini yaxshilashga va eksenel va radial harorat bir xilligini yaxshilashga yordam beradi, xom ashyoning to'liq sublimatsiyasi va ishlatilishini rag'batlantiradi; yuqori va pastki harorat farqi oshadi va urug' kristalli yuzasining radial gradiyenti oshadi, bu esa qavariq interfeys o'sishini saqlab qolishga yordam beradi. Massa uzatish nuqtai nazaridan, PG ning kiritilishi umumiy massa uzatish tezligini pasaytiradi, PG ni o'z ichiga olgan o'sish kamerasidagi material oqimi tezligi vaqt o'tishi bilan kamroq o'zgaradi va butun o'sish jarayoni barqarorroq bo'ladi. Shu bilan birga, PG shuningdek, haddan tashqari chekka massa uzatishining paydo bo'lishini samarali ravishda inhibe qiladi. Bundan tashqari, PG shuningdek, o'sish muhitining C/Si nisbatini, ayniqsa urug' kristalli interfeysining old chetida oshiradi, bu o'sish jarayonida faza o'zgarishining paydo bo'lishini kamaytirishga yordam beradi. Shu bilan birga, PG ning issiqlik izolyatsiyasi ta'siri xom ashyoning yuqori qismida qayta kristallanishning paydo bo'lishini ma'lum darajada kamaytiradi. Kristall o'sishi uchun PG kristall o'sish tezligini sekinlashtiradi, ammo o'sish interfeysi ko'proq qavariqdir. Shuning uchun, PG SiC kristallarining o'sish muhitini yaxshilash va kristall sifatini optimallashtirishning samarali vositasidir.
Nashr vaqti: 2024-yil 18-iyun