נומערישע סימולאציע שטודיע אויף דער ווירקונג פון פּאָרעזער גראַפיט אויף סיליקאָן קאַרבייד קריסטאַל וווּקס

דער גרונט־פּראָצעס פֿוןסיקקריסטאַל וואוקס ווערט צעטיילט אין סובלימאַציע און דעקאָמפּאָזיציע פון ​​רוי מאַטעריאַלן ביי הויכער טעמפּעראַטור, טראַנספּאָרטאַציע פון ​​גאַז פאַזע סאַבסטאַנסעס אונטער דער ווירקונג פון טעמפּעראַטור גראַדיענט, און רעקריסטאַליזאַציע וואוקס פון גאַז פאַזע סאַבסטאַנסעס ביי די זוימען קריסטאַל. באַזירט אויף דעם, איז די אינעווייניק פון די קרוציבל צעטיילט אין דריי טיילן: רוי מאַטעריאַל געגנט, וואוקס קאַמער און זוימען קריסטאַל. א נומערישע סימיאַליישאַן מאָדעל איז געצייכנט באַזירט אויף די פאַקטישע קעגנשטעל.סיקאיין-קריסטאל וואוקס עקוויפּמענט (זעה בילד 1). אין דער חשבון: דער דנאָ פון דיטיגלאיז 90 מ״מ אוועק פון דעם דנאָ פון דעם זייט כיטער, די שפּיץ טעמפּעראַטור פון דעם קרוסיבל איז 2100 ℃, דער רוי מאַטעריאַל פּאַרטיקל דיאַמעטער איז 1000 מיקראָמעטער, די פּאָראָסיטי איז 0.6, דער וווּקס דרוק איז 300 פּאַ, און די וווּקס צייט איז 100 שעה. די PG גרעב איז 5 מ״מ, דער דיאַמעטער איז גלייך צו דעם ינער דיאַמעטער פון דעם קרוסיבל, און עס איז ליגן 30 מ״מ העכער דעם רוי מאַטעריאַל. די סובלימאַציע, קאַרבאָניזאַציע, און רעקריסטאַליזאַציע פּראָצעסן פון דער רוי מאַטעריאַל זאָנע ווערן באַטראַכט אין דער חשבון, און די רעאַקציע צווישן PG און גאַז פאַזע סאַבסטאַנסיז ווערט נישט באַטראַכט. די חשבון-פֿאַרבונדענע גשמיות פאַרמאָג פּאַראַמעטערס זענען געוויזן אין טיש 1.

פיגור 1 סימולאציע קאלקולאציע מאדעל. (א) טערמיש פעלד מאדעל פאר קריסטאל וואוקס סימולאציע; (ב) צעטיילונג פון די אינעווייניגסטע שטח פון די קרוציבל און פארבונדענע פיזישע פראבלעמען

טאַבעלע 1 עטלעכע פיזישע פּאַראַמעטערס געניצט אין דער קאַלקולאַציע

פיגור 2(א) ווייזט אז די טעמפעראטור פון דער PG-אנטהאלטנדיקער סטרוקטור (באצייכנט אלס סטרוקטור 1) איז העכער ווי די פון דער PG-פרייער סטרוקטור (באצייכנט אלס סטרוקטור 0) אונטער PG, און נידעריגער ווי די פון סטרוקטור 0 העכער PG. דער אלגעמיינער טעמפעראטור גראדיענט פארגרעסערט זיך, און PG אקטירט אלס א היץ-איזאלירנדיקער אגענט. לויט פיגורן 2(ב) און 2(ג), זענען די אקסיאלע און ראדיאלע טעמפעראטור גראדיענטן פון סטרוקטור 1 אין דער רוי-מאטעריאל זאנע קלענער, די טעמפעראטור פארטיילונג איז מער אייניג, און די סובלימאציע פון ​​דעם מאטעריאל איז מער פולשטענדיג. אנדערש ווי דער רוי-מאטעריאל זאנע, ווייזט פיגור 2(ג) אז דער ראדיאלער טעמפעראטור גראדיענט ביים זוימען קריסטאל פון סטרוקטור 1 איז גרעסער, וואס קען זיין געפֿירט דורך די פארשידענע פראפארציעס פון פארשידענע היץ טראנספער מאָדעס, וואס העלפט דעם קריסטאל וואקסן מיט א קאנוועקסן אינטערפייס. אין פיגור 2(ד), ווייזט די טעמפעראטור ביי פארשידענע פאזיציעס אין דעם קרוציבל א פארגרעסערנדיקע טענדענץ ווי דער וואוקס גייט פאראויס, אבער דער טעמפעראטור אונטערשייד צווישן סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 פארמינערט זיך ביסלעכווייז אין דער רוי-מאטעריאל זאנע און פארגרעסערט זיך ביסלעכווייז אין דער וואוקס קאמער.

פיגור 2 טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג און ענדערונגען אין דעם קרוגל. (א) טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג אינעווייניק אין דעם קרוגל פון סטרוקטור 0 (לינקס) און סטרוקטור 1 (רעכטס) ביי 0 שעה, איינהייט: ℃; (ב) טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג אויף דער צענטער ליניע פון ​​דעם קרוגל פון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 פון דעם דנאָ פון דעם רוי מאַטעריאַל ביז דעם זוימען קריסטאַל ביי 0 שעה; (ג) טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג פון דעם צענטער ביז דעם ברעג פון דעם קרוגל אויף דער זוימען קריסטאַל ייבערפלאַך (A) און דער רוי מאַטעריאַל ייבערפלאַך (B), מיטל (C) און דנאָ (D) ביי 0 שעה, די האָריזאָנטאַלע אַקס r איז דער זוימען קריסטאַל ראַדיוס פֿאַר A, און דער רוי מאַטעריאַל שטח ראַדיוס פֿאַר B~D; (ד) טעמפּעראַטור ענדערונגען אין דעם צענטער פון דעם אויבערשטן טייל (A), רוי מאַטעריאַל ייבערפלאַך (B) און מיטל (C) פון דער וווּקס קאַמער פון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 ביי 0, 30, 60, און 100 שעה.

פיגור 3 ווייזט דעם מאַטעריאַל טראַנספּאָרט אין פֿאַרשידענע צייטן אין דעם קרוציבל פֿון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1. די גאַז-פֿאַזע מאַטעריאַל פֿלוס ראַטע אין דעם רוי מאַטעריאַל געגנט און דער וואוקס קאַמער וואַקסט מיטן פֿאַרגרעסערן די פּאָזיציע, און דער מאַטעריאַל טראַנספּאָרט ווערט שוואַכער ווי דער וואוקס גייט פֿאָרויס. פיגור 3 ווייזט אויך אַז אונטער די סימולאַציע באַדינגונגען, גראַפֿיטיזירט דער רוי מאַטעריאַל ערשט אויף דער זייט וואַנט פֿון דעם קרוציבל און דערנאָך אויף דעם דנאָ פֿון דעם קרוציבל. אין דערצו, איז דאָ רעקריסטאַליזאַציע אויף דער ייבערפֿלאַך פֿון דעם רוי מאַטעריאַל און עס ווערט ביסלעכווייַז פֿאַרדיקער ווי דער וואוקס גייט פֿאָרויס. פֿיגורן 4(אַ) און 4(ב) ווייַזן אַז די מאַטעריאַל פֿלוס ראַטע אינעווייניק פֿון דעם רוי מאַטעריאַל פֿאַרקלענערט זיך ווי דער וואוקס גייט פֿאָרויס, און די מאַטעריאַל פֿלוס ראַטע ביי 100 שעה איז אַרום 50% פֿון דעם אָנהייב מאָמענט; אָבער, די פֿלוס ראַטע איז רעלאַטיוו גרויס ביים ברעג צוליב דער גראַפֿיטיזאַציע פֿון דעם רוי מאַטעריאַל, און די פֿלוס ראַטע ביים ברעג איז מער ווי 10 מאָל אַזוי גרויס ווי די פֿלוס ראַטע אין דעם מיטל געגנט ביי 100 שעה; דערצו, דער עפעקט פון PG אין סטרוקטור 1 מאכט דעם מאַטעריאַל שטראָם ראַטע אין דער רוי מאַטעריאַל געגנט פון סטרוקטור 1 נידעריקער ווי יענע פון ​​סטרוקטור 0. אין פיגור 4(c), ווערט דער מאַטעריאַל שטראָם אין ביידע דער רוי מאַטעריאַל געגנט און דער וואוקס קאַמער ביסלעכווייַז שוואַכער ווי דער וואוקס פּראָגרעסירט, און דער מאַטעריאַל שטראָם אין דער רוי מאַטעריאַל געגנט פאָרזעצט צו פאַרקלענערן, וואָס איז געפֿירט דורך דער עפענונג פון דעם לופט שטראָם קאַנאַל ביים ברעג פון דער קרוציבל און דער שטערונג פון רעקריסטאַליזאַציע ביים שפּיץ; אין דער וואוקס קאַמער, פאַרקלענערט זיך דער מאַטעריאַל שטראָם ראַטע פון ​​סטרוקטור 0 שנעל אין די ערשטע 30 שעה צו 16%, און פאַרקלענערט זיך בלויז מיט 3% אין דער שפּעטערדיקער צייט, בשעת סטרוקטור 1 בלייבט רעלאַטיוו סטאַביל איבער דעם גאַנצן וואוקס פּראָצעס. דעריבער, העלפט PG צו סטאַביליזירן דעם מאַטעריאַל שטראָם ראַטע אין דער וואוקס קאַמער. פיגור 4(d) פאַרגלייכט דעם מאַטעריאַל שטראָם ראַטע ביים קריסטאַל וואוקס פראָנט. אין דעם ערשטן מאָמענט און נאָך 100 שעה, איז דער מאַטעריאַל טראַנספּאָרט אין דער וואוקס זאָנע פון ​​סטרוקטור 0 שטאַרקער ווי אין סטרוקטור 1, אָבער עס איז שטענדיק אַ געגנט מיט אַ הויך שטראָם ראַטע ביים ברעג פון סטרוקטור 0, וואָס פירט צו איבערגעטריבענעם וואוקס ביים ברעג. די אנוועזנהייט פון PG אין סטרוקטור 1 אונטערדריקט עפעקטיוו דעם פענאמען.

פיגור 3 מאַטעריאַל פלוס אין די טיגל. סטריםליינז (לינקס) און גיכקייט וועקטאָרן (רעכטס) פון גאַז מאַטעריאַל טראַנספּאָרט אין סטרוקטורן 0 און 1 אין פאַרשידענע צייטן, גיכקייט וועקטאָר אַפּאַראַט: מ/ס

פיגור 4 ענדערונגען אין מאַטעריאַל שטראָם ראַטע. (א) ענדערונגען אין דער מאַטעריאַל שטראָם ראַטע פאַרשפּרייטונג אין מיטן פון די רוי מאַטעריאַל פון סטרוקטור 0 ביי 0, 30, 60, און 100 שעה, r איז דער ראַדיוס פון די רוי מאַטעריאַל געגנט; (ב) ענדערונגען אין דער מאַטעריאַל שטראָם ראַטע פאַרשפּרייטונג אין מיטן פון די רוי מאַטעריאַל פון סטרוקטור 1 ביי 0, 30, 60, און 100 שעה, r איז דער ראַדיוס פון די רוי מאַטעריאַל געגנט; (ג) ענדערונגען אין דער מאַטעריאַל שטראָם ראַטע אין דער וווּקס קאַמער (A, B) און אין די רוי מאַטעריאַל (C, D) פון סטרוקטורן 0 און 1 איבער צייט; (ד) מאַטעריאַל שטראָם ראַטע פאַרשפּרייטונג לעבן די זוימען קריסטאַל ייבערפלאַך פון סטרוקטורן 0 און 1 ביי 0 און 100 שעה, r איז דער ראַדיוס פון די זוימען קריסטאַל

C/Si באַאיינפלוסט די קריסטאַלינע סטאַביליטעט און דעפעקט געדיכטקייט פון SiC קריסטאַל וווּקס. פיגור 5(a) פאַרגלייכט די C/Si פאַרהעלטעניש פאַרשפּרייטונג פון די צוויי סטרוקטורן אין דעם אָנהייב מאָמענט. די C/Si פאַרהעלטעניש פאַרקלענערט זיך ביסלעכווייַז פון אונטן צו שפּיץ פון די קרוציבל, און די C/Si פאַרהעלטעניש פון סטרוקטור 1 איז שטענדיק העכער ווי די פון סטרוקטור 0 אין פאַרשידענע פּאָזיציעס. פיגורן 5(b) און 5(c) ווייַזן אַז די C/Si פאַרהעלטעניש פאַרגרעסערט זיך ביסלעכווייַז מיט וווּקס, וואָס איז פֿאַרבונדן מיט דער פאַרגרעסערונג אין ינערלעך טעמפּעראַטור אין די שפּעטער בינע פון ​​וווּקס, די פֿאַרבעסערונג פון רוי מאַטעריאַל גראַפיטיזאַטיאָן, און די רעאַקציע פון ​​Si קאַמפּאָונאַנץ אין די גאַז פאַסע מיט די גראַפיט קרוציבל. אין פיגור 5(d), די C/Si פאַרהעלטענישן פון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 זענען גאַנץ אַנדערש אונטער PG (0, 25 מם), אָבער אַ ביסל אַנדערש העכער PG (50 מם), און דער חילוק פאַרגרעסערט זיך ביסלעכווייַז ווי עס דערנענטערט זיך צו די קריסטאַל. אין אַלגעמיין, די C/Si פאַרהעלטעניש פון סטרוקטור 1 איז העכער, וואָס העלפּס סטאַביליזירן די קריסטאַל פאָרעם און רעדוצירן די וואַרשיינלעכקייט פון פאַסע יבערגאַנג.

פיגור 5 פארטיילונג און ענדערונגען פון C/Si פארהעלטעניש. (א) C/Si פארהעלטעניש פארטיילונג אין קרוציבלען פון סטרוקטור 0 (לינקס) און סטרוקטור 1 (רעכטס) ביי 0 שעה; (ב) C/Si פארהעלטעניש ביי פארשידענע דיסטאנצן פון דער צענטער ליניע פון ​​קרוציבל פון סטרוקטור 0 אין פארשידענע צייטן (0, 30, 60, 100 שעה); (ג) C/Si פארהעלטעניש ביי פארשידענע דיסטאנצן פון דער צענטער ליניע פון ​​קרוציבל פון סטרוקטור 1 אין פארשידענע צייטן (0, 30, 60, 100 שעה); (ד) פארגלייך פון C/Si פארהעלטעניש ביי פארשידענע דיסטאנצן (0, 25, 50, 75, 100 מ"מ) פון דער צענטער ליניע פון ​​קרוציבל פון סטרוקטור 0 (פולע ליניע) און סטרוקטור 1 (געשטריכלטע ליניע) אין פארשידענע צייטן (0, 30, 60, 100 שעה).

פיגור 6 ווייזט די ענדערונגען אין פּאַרטיקל דיאַמעטער און פּאָראָזיטי פון רוי מאַטעריאַל געביטן פון די צוויי סטרוקטורן. די פיגור ווייזט אַז דער רוי מאַטעריאַל דיאַמעטער פאַרקלענערט זיך און די פּאָראָזיטי וואַקסט לעבן דער קרוציבל וואַנט, און די ראַנד פּאָראָזיטי פאָרזעצט צו וואַקסן און דער פּאַרטיקל דיאַמעטער פאָרזעצט צו פאַרקלענערן ווי דער וווּקס פּראָגרעסירט. די מאַקסימום ראַנד פּאָראָזיטי איז וועגן 0.99 ביי 100 שעה, און דער מינימום פּאַרטיקל דיאַמעטער איז וועגן 300 מיקראָמעטער. דער פּאַרטיקל דיאַמעטער וואַקסט און די פּאָראָזיטי פאַרקלענערט זיך אויף דער אויבערשטער ייבערפלאַך פון דעם רוי מאַטעריאַל, וואָס קאָרעספּאָנדירט צו רעקריסטאַליזאַציע. די גרעב פון דער רעקריסטאַליזאַציע געגנט וואַקסט ווי דער וווּקס פּראָגרעסירט, און די פּאַרטיקל גרייס און פּאָראָזיטי פאָרזעצן צו טוישן. דער מאַקסימום פּאַרטיקל דיאַמעטער דערגרייכט מער ווי 1500 מיקראָמעטער, און די מינימום פּאָראָזיטי איז 0.13. אין דערצו, ווייַל PG פאַרגרעסערט די טעמפּעראַטור פון דער רוי מאַטעריאַל געגנט און די גאַז סופּערסאַטוראַציע איז קליין, די רעקריסטאַליזאַציע גרעב פון דעם אויבערשטן טייל פון דעם רוי מאַטעריאַל פון סטרוקטור 1 איז קליין, וואָס פֿאַרבעסערט די רוי מאַטעריאַל נוצן קורס.

פיגור 6 ענדערונגען אין פּאַרטיקל דיאַמעטער (לינקס) און פּאָראָסיטי (רעכטס) פון די רוי מאַטעריאַל שטח פון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 אין פאַרשידענע צייטן, פּאַרטיקל דיאַמעטער אַפּאַראַט: μm

פיגור 7 ווייזט אז סטרוקטור 0 ווערט קרומער ביים אנהייב פון וואוקס, וואס קען זיין פארבונדן מיט דער איבערגעטריבענער מאטעריאל-פלוס ראטע וואס ווערט געפֿארזאַכט דורך דער גראַפֿיטיזאַציע פֿון דעם רוי-מאטעריאל ברעג. דער גראַד פֿון קרומען ווערט פֿאַרשוואכט בעת דעם שפּעטערדיקן וואוקס פּראָצעס, וואס קאָרעספּאָנדירט צו דער ענדערונג אין מאַטעריאַל-פלוס ראטע ביים פֿראָנט פֿון דעם קריסטאַל וואוקס פֿון סטרוקטור 0 אין פיגור 4 (ד). אין סטרוקטור 1, צוליב דעם עפֿעקט פֿון PG, ווייזט דער קריסטאַל אינטערפֿייס נישט קיין קרומען. דערצו, מאַכט PG אויך דעם וואוקס ראטע פֿון סטרוקטור 1 באַדייטנד נידעריגער ווי יענע פֿון סטרוקטור 0. די צענטער גרעב פֿון דעם קריסטאַל פֿון סטרוקטור 1 נאָך 100 שעה איז בלויז 68% פֿון יענער פֿון סטרוקטור 0.

פיגור 7 אינטערפייס ענדערונגען פון סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 קריסטאלן ביי 30, 60, און 100 שעה

קריסטאַל וואוקס איז דורכגעפירט געוואָרן אונטער די פּראָצעס באַדינגונגען פון נומערישער סימולאַציע. די קריסטאַלן וואָס זענען געוואַקסן לויט סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1 ווערן געוויזן אין פיגור 8(א) און פיגור 8(ב), ריספּעקטיוולי. דער קריסטאַל פון סטרוקטור 0 ווייזט אַ קאָנקאַווע אינטערפאַס, מיט כוואַליעס אין דעם צענטראַלן געגנט און אַ פאַזע איבערגאַנג ביים ברעג. די ייבערפלאַך קאָנוועקסיטי רעפּרעזענטירט אַ געוויסן גראַד פון נישט-האָמאָגענייטי אין דעם טראַנספּאָרט פון גאַז-פאַזע מאַטעריאַלן, און די פֿאָרקומען פון פאַזע איבערגאַנג קאָרעספּאָנדירט צו דעם נידעריקן C/Si פאַרהעלטעניש. די אינטערפאַס פון דעם קריסטאַל וואָס איז געוואַקסן דורך סטרוקטור 1 איז אַ ביסל קאָנוועקס, קיין פאַזע איבערגאַנג איז נישט געפֿונען, און די גרעב איז 65% פון דעם קריסטאַל אָן PG. אין אַלגעמיין, די קריסטאַל וואוקס רעזולטאַטן קאָרעספּאָנדירן צו די סימולאַציע רעזולטאַטן, מיט אַ גרעסערן ראַדיאַלן טעמפּעראַטור חילוק ביים קריסטאַל אינטערפאַס פון סטרוקטור 1, דער שנעלער וואוקס ביים ברעג איז סאַפּרעסט, און די קוילעלדיקע מאַטעריאַל פֿלוס ראַטע איז שטייטער. די קוילעלדיקע טענדענץ איז קאָנסיסטענט מיט די נומערישע סימולאַציע רעזולטאַטן.

פיגור 8 SiC קריסטאַלן געוואַקסן אונטער סטרוקטור 0 און סטרוקטור 1

מסקנא

פּי-דזשי איז גוט פֿאַר דער פֿאַרבעסערונג פֿון דער אַלגעמיינער טעמפּעראַטור פֿון דער רוי-מאַטעריאַל געגנט און דער פֿאַרבעסערונג פֿון אַקסיאַל און ראַדיאַל טעמפּעראַטור איינהייטלעכקייט, וואָס פֿאַרבעסערט די פֿולע סובלימאַציע און נוצן פֿון דעם רוי-מאַטעריאַל; דער אויבערשטער און אונטערשטער טעמפּעראַטור אונטערשייד פֿאַרגרעסערט זיך, און דער ראַדיאַל גראַדיענט פֿון דער זוימען קריסטאַל ייבערפלאַך פֿאַרגרעסערט זיך, וואָס העלפֿט צו האַלטן דעם קאָנוועקסן אינטערפֿייס וווּקס. אין טערמינען פֿון מאַסע איבערפֿירונג, די הקדמה פֿון פּי-דזשי רעדוצירט די אַלגעמיינע מאַסע איבערפֿירונג קורס, די מאַטעריאַל פֿלוס קורס אין דער וווּקס קאַמער וואָס כּולל פּי-דזשי ענדערט זיך ווייניקער מיט דער צייט, און דער גאַנצער וווּקס פּראָצעס איז מער סטאַביל. אין דער זעלבער צייט, פּי-דזשי אויך עפֿעקטיוו ינכיבאַץ די אויפֿטרעטן פֿון איבערגעטריבענער ברעג מאַסע איבערפֿירונג. אין דערצו, פּי-דזשי אויך פֿאַרגרעסערט די C/Si פאַרהעלטעניש פֿון דער וווּקס סביבה, ספּעציעל ביים פֿראָנט ברעג פֿון דער זוימען קריסטאַל אינטערפֿייס, וואָס העלפֿט צו רעדוצירן די אויפֿטרעטן פֿון פֿאַזע ענדערונג בעת דעם וווּקס פּראָצעס. אין דער זעלבער צייט, די טערמישע איזאָלאַציע ווירקונג פֿון פּי-דזשי רעדוצירט די אויפֿטרעטן פֿון רעקריסטאַליזאַציע אין דעם אויבערשטן טייל פֿון דעם רוי-מאַטעריאַל צו אַ געוויסן גראַד. פֿאַר קריסטאַל וווּקס, פּי-דזשי פֿאַרלאַנגזאַמט די קריסטאַל וווּקס קורס, אָבער די וווּקס אינטערפֿייס איז מער קאָנוועקס. דעריבער, PG איז אַן עפעקטיוו מיטל צו פֿאַרבעסערן די וווּקס סוויווע פון ​​SiC קריסטאַלן און אָפּטימיזירן קריסטאַל קוואַליטעט.