Quá trình cơ bản củaSiCQuá trình tăng trưởng tinh thể được chia thành ba giai đoạn: thăng hoa và phân hủy nguyên liệu thô ở nhiệt độ cao, vận chuyển các chất ở pha khí dưới tác động của gradient nhiệt độ, và sự kết tinh lại của các chất ở pha khí tại tinh thể mầm. Dựa trên điều này, bên trong nồi nấu kim loại được chia thành ba phần: khu vực nguyên liệu thô, buồng tăng trưởng và tinh thể mầm. Một mô hình mô phỏng số đã được xây dựng dựa trên điện trở thực tế.SiCThiết bị nuôi cấy tinh thể đơn (xem Hình 1). Trong phép tính: đáy củanồi nấu chảyKhoảng cách từ đáy bộ phận gia nhiệt bên đến điểm nung là 90 mm, nhiệt độ đỉnh của nồi nung là 2100 ℃, đường kính hạt nguyên liệu là 1000 μm, độ xốp là 0,6, áp suất tăng trưởng là 300 Pa, và thời gian tăng trưởng là 100 giờ. Lớp PG có độ dày 5 mm, đường kính bằng đường kính trong của nồi nung, và nằm cách nguyên liệu 30 mm. Quá trình thăng hoa, cacbon hóa và kết tinh lại của vùng nguyên liệu được xem xét trong tính toán, nhưng phản ứng giữa PG và các chất ở pha khí không được xem xét. Các thông số tính chất vật lý liên quan đến tính toán được thể hiện trong Bảng 1.
Hình 1. Mô hình tính toán mô phỏng. (a) Mô hình trường nhiệt cho mô phỏng sự phát triển tinh thể; (b) Phân chia khu vực bên trong nồi nấu kim loại và các vấn đề vật lý liên quan.
Bảng 1 Một số thông số vật lý được sử dụng trong tính toán
Hình 2(a) cho thấy nhiệt độ của cấu trúc chứa PG (ký hiệu là cấu trúc 1) cao hơn nhiệt độ của cấu trúc không chứa PG (ký hiệu là cấu trúc 0) ở phía dưới PG, và thấp hơn nhiệt độ của cấu trúc 0 ở phía trên PG. Độ dốc nhiệt độ tổng thể tăng lên, và PG hoạt động như một chất cách nhiệt. Theo Hình 2(b) và 2(c), độ dốc nhiệt độ theo trục và theo bán kính của cấu trúc 1 trong vùng nguyên liệu thô nhỏ hơn, sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn, và quá trình thăng hoa của vật liệu hoàn thiện hơn. Không giống như vùng nguyên liệu thô, Hình 2(c) cho thấy độ dốc nhiệt độ theo bán kính tại tinh thể mầm của cấu trúc 1 lớn hơn, điều này có thể do tỷ lệ khác nhau của các chế độ truyền nhiệt khác nhau, giúp tinh thể phát triển với giao diện lồi. Trong Hình 2(d), nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong nồi nấu cho thấy xu hướng tăng lên khi quá trình phát triển diễn ra, nhưng sự chênh lệch nhiệt độ giữa cấu trúc 0 và cấu trúc 1 giảm dần trong vùng nguyên liệu thô và tăng dần trong buồng tăng trưởng.
Hình 2. Phân bố và thay đổi nhiệt độ trong nồi nung. (a) Phân bố nhiệt độ bên trong nồi nung cấu trúc 0 (trái) và cấu trúc 1 (phải) ở thời điểm 0 giờ, đơn vị: ℃; (b) Phân bố nhiệt độ trên đường tâm của nồi nung cấu trúc 0 và cấu trúc 1 từ đáy nguyên liệu đến tinh thể mầm ở thời điểm 0 giờ; (c) Phân bố nhiệt độ từ tâm đến mép nồi nung trên bề mặt tinh thể mầm (A) và bề mặt nguyên liệu (B), phần giữa (C) và đáy (D) ở thời điểm 0 giờ, trục hoành r là bán kính tinh thể mầm đối với A, và bán kính vùng nguyên liệu đối với B~D; (d) Thay đổi nhiệt độ tại tâm phần trên (A), bề mặt nguyên liệu (B) và phần giữa (C) của buồng tăng trưởng cấu trúc 0 và cấu trúc 1 ở các thời điểm 0, 30, 60 và 100 giờ.
Hình 3 thể hiện sự vận chuyển vật liệu ở các thời điểm khác nhau trong nồi nấu kim loại có cấu trúc 0 và cấu trúc 1. Tốc độ dòng chảy vật liệu pha khí trong khu vực nguyên liệu thô và buồng tăng trưởng tăng lên khi vị trí tăng, và sự vận chuyển vật liệu yếu đi khi quá trình tăng trưởng diễn ra. Hình 3 cũng cho thấy rằng dưới điều kiện mô phỏng, nguyên liệu thô đầu tiên bị graphit hóa trên thành bên của nồi nấu kim loại và sau đó là ở đáy nồi. Ngoài ra, có sự tái kết tinh trên bề mặt nguyên liệu thô và nó dần dày lên khi quá trình tăng trưởng diễn ra. Hình 4(a) và 4(b) cho thấy tốc độ dòng chảy vật liệu bên trong nguyên liệu thô giảm khi quá trình tăng trưởng diễn ra, và tốc độ dòng chảy vật liệu ở thời điểm 100 giờ chỉ còn khoảng 50% so với thời điểm ban đầu; tuy nhiên, tốc độ dòng chảy tương đối lớn ở rìa do sự graphit hóa của nguyên liệu thô, và tốc độ dòng chảy ở rìa lớn hơn 10 lần so với tốc độ dòng chảy ở khu vực giữa ở thời điểm 100 giờ; Ngoài ra, tác dụng của PG trong cấu trúc 1 làm cho tốc độ dòng vật liệu trong khu vực nguyên liệu thô của cấu trúc 1 thấp hơn so với cấu trúc 0. Trong Hình 4(c), dòng vật liệu trong cả khu vực nguyên liệu thô và buồng tăng trưởng đều giảm dần khi quá trình tăng trưởng diễn ra, và dòng vật liệu trong khu vực nguyên liệu thô tiếp tục giảm, điều này là do sự mở ra của kênh dẫn khí ở mép nồi nấu và sự cản trở quá trình tái kết tinh ở phía trên; trong buồng tăng trưởng, tốc độ dòng vật liệu của cấu trúc 0 giảm nhanh chóng trong 30 giờ đầu xuống còn 16%, và chỉ giảm 3% trong thời gian tiếp theo, trong khi cấu trúc 1 vẫn tương đối ổn định trong suốt quá trình tăng trưởng. Do đó, PG giúp ổn định tốc độ dòng vật liệu trong buồng tăng trưởng. Hình 4(d) so sánh tốc độ dòng vật liệu tại mặt trước tăng trưởng tinh thể. Tại thời điểm ban đầu và sau 100 giờ, sự vận chuyển vật chất trong vùng tăng trưởng của cấu trúc 0 mạnh hơn so với cấu trúc 1, nhưng luôn có một vùng có tốc độ dòng chảy cao ở rìa của cấu trúc 0, dẫn đến sự tăng trưởng quá mức ở rìa. Sự hiện diện của PG trong cấu trúc 1 giúp ngăn chặn hiệu quả hiện tượng này.
Hình 3. Luồng vật chất trong nồi nung. Đường dòng (trái) và vectơ vận tốc (phải) của quá trình vận chuyển vật chất dạng khí trong cấu trúc 0 và 1 tại các thời điểm khác nhau, đơn vị vectơ vận tốc: m/s.
Hình 4. Thay đổi tốc độ dòng chảy vật liệu. (a) Thay đổi phân bố tốc độ dòng chảy vật liệu ở giữa nguyên liệu thô của cấu trúc 0 tại các thời điểm 0, 30, 60 và 100 giờ, r là bán kính của vùng nguyên liệu thô; (b) Thay đổi phân bố tốc độ dòng chảy vật liệu ở giữa nguyên liệu thô của cấu trúc 1 tại các thời điểm 0, 30, 60 và 100 giờ, r là bán kính của vùng nguyên liệu thô; (c) Thay đổi tốc độ dòng chảy vật liệu bên trong buồng tăng trưởng (A, B) và bên trong nguyên liệu thô (C, D) của cấu trúc 0 và 1 theo thời gian; (d) Phân bố tốc độ dòng chảy vật liệu gần bề mặt tinh thể mầm của cấu trúc 0 và 1 tại thời điểm 0 và 100 giờ, r là bán kính của tinh thể mầm.
Tỷ lệ C/Si ảnh hưởng đến độ ổn định tinh thể và mật độ khuyết tật của quá trình phát triển tinh thể SiC. Hình 5(a) so sánh sự phân bố tỷ lệ C/Si của hai cấu trúc ở thời điểm ban đầu. Tỷ lệ C/Si giảm dần từ đáy lên đỉnh nồi nấu, và tỷ lệ C/Si của cấu trúc 1 luôn cao hơn cấu trúc 0 ở các vị trí khác nhau. Hình 5(b) và 5(c) cho thấy tỷ lệ C/Si tăng dần theo quá trình phát triển, điều này liên quan đến sự tăng nhiệt độ bên trong ở giai đoạn sau của quá trình phát triển, sự tăng cường quá trình graphit hóa nguyên liệu thô và phản ứng của các thành phần Si trong pha khí với nồi nấu graphit. Trong Hình 5(d), tỷ lệ C/Si của cấu trúc 0 và cấu trúc 1 khá khác nhau ở dưới PG (0, 25 mm), nhưng chỉ khác nhau một chút ở trên PG (50 mm), và sự khác biệt tăng dần khi tiến gần đến tinh thể. Nhìn chung, tỷ lệ C/Si của cấu trúc 1 cao hơn, giúp ổn định hình dạng tinh thể và giảm xác suất chuyển pha.
Hình 5. Phân bố và thay đổi tỷ lệ C/Si. (a) Phân bố tỷ lệ C/Si trong nồi nấu chảy cấu trúc 0 (trái) và cấu trúc 1 (phải) ở thời điểm 0 giờ; (b) Tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau từ đường tâm của nồi nấu chảy cấu trúc 0 tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 giờ); (c) Tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau từ đường tâm của nồi nấu chảy cấu trúc 1 tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 giờ); (d) So sánh tỷ lệ C/Si ở các khoảng cách khác nhau (0, 25, 50, 75, 100 mm) từ đường tâm của nồi nấu chảy cấu trúc 0 (đường liền nét) và cấu trúc 1 (đường nét đứt) tại các thời điểm khác nhau (0, 30, 60, 100 giờ).
Hình 6 thể hiện sự thay đổi đường kính hạt và độ xốp của vùng nguyên liệu thô trong hai cấu trúc. Hình vẽ cho thấy đường kính nguyên liệu thô giảm và độ xốp tăng gần thành nồi nấu, trong khi độ xốp ở rìa tiếp tục tăng và đường kính hạt tiếp tục giảm khi quá trình tăng trưởng diễn ra. Độ xốp ở rìa đạt tối đa khoảng 0,99 ở 100 giờ, và đường kính hạt tối thiểu khoảng 300 μm. Đường kính hạt tăng và độ xốp giảm trên bề mặt trên của nguyên liệu thô, tương ứng với quá trình tái kết tinh. Độ dày của vùng tái kết tinh tăng lên khi quá trình tăng trưởng diễn ra, và kích thước hạt cũng như độ xốp tiếp tục thay đổi. Đường kính hạt tối đa đạt hơn 1500 μm, và độ xốp tối thiểu là 0,13. Ngoài ra, do PG làm tăng nhiệt độ của vùng nguyên liệu thô và độ bão hòa khí nhỏ, nên độ dày tái kết tinh của phần trên nguyên liệu thô trong cấu trúc 1 nhỏ, giúp cải thiện tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô.
Hình 6. Sự thay đổi đường kính hạt (trái) và độ xốp (phải) của vùng nguyên liệu thô của cấu trúc 0 và cấu trúc 1 ở các thời điểm khác nhau, đơn vị đường kính hạt: μm.
Hình 7 cho thấy cấu trúc 0 bị biến dạng ở giai đoạn đầu phát triển, điều này có thể liên quan đến tốc độ dòng chảy vật liệu quá mức do quá trình graphit hóa cạnh nguyên liệu thô gây ra. Mức độ biến dạng giảm dần trong quá trình phát triển tiếp theo, tương ứng với sự thay đổi tốc độ dòng chảy vật liệu ở phía trước quá trình phát triển tinh thể của cấu trúc 0 trong Hình 4 (d). Trong cấu trúc 1, do tác dụng của PG, giao diện tinh thể không bị biến dạng. Ngoài ra, PG cũng làm cho tốc độ phát triển của cấu trúc 1 thấp hơn đáng kể so với cấu trúc 0. Độ dày tâm của tinh thể cấu trúc 1 sau 100 giờ chỉ bằng 68% so với cấu trúc 0.
Hình 7. Sự thay đổi giao diện của tinh thể cấu trúc 0 và cấu trúc 1 ở các thời điểm 30, 60 và 100 giờ.
Quá trình phát triển tinh thể được thực hiện dưới các điều kiện mô phỏng số. Các tinh thể được nuôi cấy bằng cấu trúc 0 và cấu trúc 1 được thể hiện trong Hình 8(a) và Hình 8(b) tương ứng. Tinh thể của cấu trúc 0 cho thấy giao diện lõm, với các gợn sóng ở vùng trung tâm và sự chuyển pha ở rìa. Độ lồi bề mặt thể hiện mức độ không đồng nhất nhất định trong quá trình vận chuyển vật liệu pha khí, và sự xuất hiện của chuyển pha tương ứng với tỷ lệ C/Si thấp. Giao diện của tinh thể được nuôi cấy bằng cấu trúc 1 hơi lồi, không tìm thấy sự chuyển pha, và độ dày bằng 65% so với tinh thể không có PG. Nhìn chung, kết quả phát triển tinh thể tương ứng với kết quả mô phỏng, với sự chênh lệch nhiệt độ xuyên tâm lớn hơn tại giao diện tinh thể của cấu trúc 1, sự phát triển nhanh ở rìa bị ức chế, và tốc độ dòng chảy vật liệu tổng thể chậm hơn. Xu hướng tổng thể phù hợp với kết quả mô phỏng số.
Hình 8. Tinh thể SiC được nuôi cấy theo cấu trúc 0 và cấu trúc 1.
Phần kết luận
PG có tác dụng cải thiện nhiệt độ tổng thể của vùng nguyên liệu và cải thiện độ đồng đều nhiệt độ theo trục và hướng tâm, thúc đẩy quá trình thăng hoa và sử dụng tối đa nguyên liệu; sự chênh lệch nhiệt độ giữa đỉnh và đáy tăng lên, và độ dốc hướng tâm của bề mặt tinh thể mầm tăng lên, giúp duy trì sự phát triển giao diện lồi. Về mặt truyền khối, việc đưa PG vào làm giảm tốc độ truyền khối tổng thể, tốc độ dòng vật liệu trong buồng tăng trưởng có chứa PG thay đổi ít hơn theo thời gian, và toàn bộ quá trình tăng trưởng ổn định hơn. Đồng thời, PG cũng ức chế hiệu quả sự xuất hiện của quá trình truyền khối quá mức ở rìa. Ngoài ra, PG cũng làm tăng tỷ lệ C/Si của môi trường tăng trưởng, đặc biệt là ở rìa phía trước của giao diện tinh thể mầm, giúp giảm sự xuất hiện của sự thay đổi pha trong quá trình tăng trưởng. Đồng thời, hiệu ứng cách nhiệt của PG làm giảm sự xuất hiện của quá trình tái kết tinh ở phần trên của nguyên liệu đến một mức độ nhất định. Đối với sự phát triển tinh thể, PG làm chậm tốc độ tăng trưởng tinh thể, nhưng giao diện tăng trưởng lồi hơn. Do đó, PG là một phương pháp hiệu quả để cải thiện môi trường phát triển của tinh thể SiC và tối ưu hóa chất lượng tinh thể.
Thời gian đăng bài: 18/06/2024