In u prucessu di crescita di u carburu di silicuu, u trasportu fisicu di vapore hè u metudu di industrializazione attuale. Per u metudu di crescita PVT,polvere di carburu di siliciumhà una grande influenza in u prucessu di crescita. Tutti i paràmetri dipolvere di carburu di siliciuminfluenza direttamente a qualità di a crescita di cristalli unicu è e proprietà elettriche. In l'applicazioni industriali currenti, l'usu cumunipolvere di carburu di siliciumprucessu di sintesi hè u mètudu self-propagating high-temperatur sintesi.
U mètudu self-propagating high-temperatur sintesi usa alta temperatura à dà i reactants u calore iniziale à principiatu riazzioni chimichi, e poi usa u so propriu reazzione chimica calori à permette à i sustanzi unreacted à cuntinuà à compie a reazzione chimica. In ogni casu, postu chì a reazzione chimica di Si è C libera menu calore, altri reactanti deve esse aghjuntu per mantene a reazione. Per quessa, assai studiosi anu prupostu un metudu di sintesi autopropagante perfezionatu nantu à questa basa, introducendu un attivatore. U metudu di autopropagazione hè relativamente faciule da implementà, è parechji paràmetri di sintesi sò faciuli à cuntrullà stabilmente. A sintesi à grande scala risponde à i bisogni di l'industrializazione.
Dapoi u 1999, Bridgeport hà utilizatu u metudu di sintesi à alta temperatura autopropagante per sintetizàpolvere di SiC, ma hà utilizatu etossisilane è resina fenolica cum'è materie prime, chì era caru. Gao Pan è altri anu utilizatu polvere di Si d'alta purezza è polvera C cum'è materie prime per sintetizàpolvere di SiCper reazione à alta temperatura in una atmosfera di argon. Ning Lina hà preparatu una grande particellapolvere di SiCper sintesi secundaria.
U furnace di riscaldamentu à induzione di freccia media sviluppatu da u Second Institute Research of China Electronics Technology Group Corporation mischia uniformemente a polvera di siliciu è a polvera di carbone in un certu rapportu stechiometricu è li mette in un crucible di grafite. Ucrogiolo di grafitehè piazzatu in un furnace di riscaldamentu induzione di freccia media per u riscaldamentu, è u cambiamentu di a temperatura hè utilizatu per sintetizà è trasfurmà a fase di bassa temperatura è di carburu di siliciu di a fase di alta temperatura rispettivamente. Siccomu a temperatura di a reazzione di sintesi β-SiC in a fase di bassa temperatura hè più bassu di a temperatura di volatilizazione di Si, a sintesi di β-SiC sottu vacuum altu pò assicurà bè l'autopropagazione. U metudu di introduzzione di gas argon, idrogenu è HCl in a sintesi di α-SiC impedisce a decomposizione dipolvere di SiCin u stadiu high-temperature, è pò effittivamenti riduce u cuntenutu di nitrogenu in α-SiC puddaru.
Shandong Tianyue hà cuncepitu un furnace di sintesi, utilizendu gasu silanu cum'è materia prima di siliciu è polvere di carbone cum'è materia prima di carbone. A quantità di gas di materia prima introdutta hè stata aghjustata da un metudu di sintesi in dui tappe, è a dimensione di particella di carburu di siliciu sintetizatu finali era trà 50 è 5 000 um.
1 Fattori di cuntrollu di u prucessu di sintesi di polveri
1.1 Effettu di a dimensione di particella di polvere nantu à a crescita di cristalli
A dimensione di particella di u polu di carburu di siliciu hà una influenza assai impurtante nantu à a crescita di cristalli unichi sussegwente. A crescita di SiC unicu cristallu per u metudu PVT hè principarmenti ottenuta cambiendu u rapportu molare di siliciu è di carbone in u cumpunente di a fase di gasu, è u rapportu molare di u siliciu è di u carbonu in u cumpunente di a fase di gas hè ligatu à a dimensione di particella di u polu di carburu di siliciu. . A pressione totale è u rapportu di silicium-carbonu di u sistema di crescita aumentanu cù a diminuzione di a dimensione di particella. Quandu a dimensione di particella diminuite da 2-3 mm à 0,06 mm, u rapportu di silicium-carbonu aumenta da 1,3 à 4,0. Quandu i particeddi sò chjuchi à un certu puntu, a pressione parziale Si aumenta, è una strata di film Si hè furmatu nantu à a superficia di u cristallu crescente, inducendu una crescita di gas-liquidu-solidu, chì affetta u polimorfismu, i difetti puntuali è i difetti di linea. in u cristallu. Per quessa, a dimensione di particella di u polu di carburu di siliciu d'alta purezza deve esse cuntrullata bè.
Inoltre, quandu a dimensione di e particelle di polvere di SiC hè relativamente chjuca, u polveru si decompone più veloce, risultatu in una crescita eccessiva di cristalli unichi di SiC. Da una banda, in l'ambienti à alta temperatura di a crescita di cristalli unichi di SiC, i dui prucessi di sintesi è di descomposizione sò realizati simultaneamente. U pulveru di carburu di silicu si decompone è forma carbone in a fase di gasu è a fase solida, cum'è Si, Si2C, SiC2, risultatu in una carbonizazione seria di u polu policristalinu è a furmazione di inclusioni di carbone in u cristallu; per d 'altra banda, quandu a tarifa di descomposizione di u polveru hè relativamente veloce, a struttura di cristalli di u cristallu SiC cultivatu hè propensu à cambià, facendu difficiuli di cuntrullà a qualità di u cristallu SiC cultivatu.
1.2 Effettu di a forma di cristalli in polvere nantu à a crescita di cristalli
A crescita di un cristallu SiC per u metudu PVT hè un prucessu di sublimazione-ricristalizazione à alta temperatura. A forma di cristallu di a materia prima SiC hà una influenza impurtante in a crescita di cristalli. In u prucessu di sintesi di polveri, a fase di sintesi à bassa temperatura (β-SiC) cù una struttura cubica di a cellula unitaria è a fase di sintesi à alta temperatura (α-SiC) cù una struttura hexagonale di a cellula unitaria saranu principalmente prodotte. . Ci sò parechje forme di cristalli di carburu di siliciu è un intervallu ristrettu di cuntrollu di temperatura. Per esempiu, 3C-SiC si trasfurmerà in polimorfu di carburu di siliciu esagonale, vale à dì 4H/6H-SiC, à a temperatura sopra 1900 ° C.
Duranti u prucessu di crescita di cristalli unicu, quandu u polveru β-SiC hè adupratu per cultivà cristalli, u rapportu molare di silicu-carbonu hè più grande di 5,5, mentre chì quandu u polveru α-SiC hè utilizzatu per cultivà i cristalli, u rapportu molare di silicu-carbonu hè 1,2. Quandu a temperatura aumenta, una transizione di fasa si faci in u crucible. À questu tempu, u rapportu molar in a fase di gasu diventa più grande, chì ùn hè micca favurevule à a crescita di cristalli. Inoltre, altre impurità di a fase di gasu, cumprese u carbonu, u siliciu è u diossidu di siliciu, sò facilmente generati durante u prucessu di transizione di fase. A prisenza di sti impurità face chì u cristallu riproduce microtubi è vuoti. Per quessa, a forma di cristallu in polvere deve esse cuntrullata precisamente.
1.3 Effettu di impurità in polvere nantu à u crescita di cristalli
U cuntenutu di impurità in u polu di SiC affetta a nucleazione spontanea durante a crescita di cristalli. Quantu più altu hè u cuntenutu di impurità, u menu prubabile chì u cristallu si nucleate spontaneamente. Per SiC, i principali impurità di metalli includenu B, Al, V, è Ni, chì ponu esse introduttu da l'arnesi di trasfurmazioni durante u processu di u polu di siliciu è di carbone. Frà elli, B è Al sò i principali impurità di accettore di livellu d'energia superficiale in SiC, risultatu in una diminuzione di a resistività di SiC. L'altri impurità di metallu intruduceranu assai livelli d'energia, risultatu in proprietà elettriche inestabile di i cristalli unichi di SiC à alte temperature, è avè un impattu maiò nantu à e proprietà elettriche di sustrati di cristalli unichi semi-insulanti d'alta purezza, in particulare a resistività. Per quessa, a polvera di carburu di silicium d'alta purezza deve esse sintetizzata quant'è pussibule.
1.4 Effettu di u cuntenutu di nitrogenu in u polu nantu à a crescita di cristalli
U nivellu di cuntenutu di nitrogenu determina a resistività di u sustrato unicu cristallu. I principali pruduttori anu bisognu di aghjustà a cuncentrazione di doping di nitrogenu in u materiale sinteticu secondu u prucessu di crescita di cristalli maturi durante a sintesi di polveri. I sustrati monocristalli di carburu di siliciu di alta purezza sò i materiali più promettenti per i cumpunenti elettronichi di u core militare. Per cultivà sustrati monocristalli semi-insulanti d'alta purezza cù alta resistività è proprietà elettriche eccellenti, u cuntenutu di u nitrogenu impurità principali in u sustrato deve esse cuntrullatu à un livellu bassu. I sustrati monocristalli cunduttivi necessitanu u cuntenutu di nitrogenu per esse cuntrullati à una cuncentrazione relativamente alta.
2 Tecnulugia di cuntrollu chjave per a sintesi di polveri
A causa di i diversi ambienti di usu di sustrati di carburu di siliciu, a tecnulugia di sintesi per i polveri di crescita hà ancu prucessi diffirenti. Per i polveri di crescita di cristalli unichi conductivi di tipu N, sò richieste una purezza elevata di impurità è una sola fase; mentre chì per i polveri di crescita di cristalli unichi semi-insulanti, hè necessariu un cuntrollu strettu di u cuntenutu di nitrogenu.
2.1 Controlu di a dimensione di particella di polvere
2.1.1 Temperature di sintesi
Mantenendu altre cundizioni di prucessu invariate, i polveri di SiC generati à temperature di sintesi di 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ è 2200 ℃ sò stati campionati è analizati. Comu mostra in a Figura 1, si pò vede chì a dimensione di particella hè 250 ~ 600 μm à 1900 ℃, è a dimensione di particella aumenta à 600 ~ 850 μm à 2000 ℃, è a dimensione di particella cambia significativamente. Quandu a temperatura cuntinueghja à cuntinuà à 2100 ℃, a dimensione di particella di SiC in polvere hè 850 ~ 2360 μm, è l'aumentu tende à esse dolce. A dimensione di particella di SiC à 2200 ℃ hè stabile à circa 2360 μm. L'aumentu di a temperatura di sintesi da 1900 ℃ hà un effettu pusitivu nantu à a dimensione di particella SiC. Quandu a temperatura di sintesi cuntinueghja à aumentà da 2100 ℃, a dimensione di particella ùn cambia più significativamente. Dunque, quandu a temperatura di sintesi hè stabilita à 2100 ℃, una dimensione di particella più grande pò esse sintetizzata à un cunsumu energeticu più bassu.
2.1.2 U tempu di sintesi
L'altri cundizioni di prucessu restanu invariati, è u tempu di sintesi hè stabilitu à 4 h, 8 h è 12 h rispettivamente. L'analisi di campionamentu di polvere SiC generata hè mostrata in a Figura 2. Si trova chì u tempu di sintesi hà un effettu significativu nantu à a particella di SiC. Quandu u tempu di sintesi hè 4 h, a dimensione di particella hè principalmente distribuita à 200 μm; quandu u tempu di sintesi hè 8 h, a dimensione di particella sintetica aumenta significativamente, distribuita principalmente à circa 1 000 μm; cum'è u tempu di sintesi cuntinueghja à aumentà, a dimensione di particella aumenta più, distribuita principalmente à circa 2 000 μm.
2.1.3 Influenza di a dimensione di particella di materia prima
Siccomu a catena di produzzione di materiale di siliciu domesticu hè gradualmente migliurata, a purità di i materiali di siliciu hè ancu megliu. Attualmente, i materiali di siliciu utilizati in a sintesi sò principarmenti divisi in siliciu granulare è siliciu in polvere, cum'è mostra in Figura 3.
Diverse materie prime di siliciu sò state aduprate per fà esperimenti di sintesi di carburu di siliciu. U paraguni di i prudutti sintetici hè mostratu in a Figura 4. L'analisi mostra chì quandu si usanu materie prime di siliciu di bloccu, una grande quantità di elementi Si sò prisenti in u pruduttu. Dopu chì u bloccu di siliciu hè struitu per a seconda volta, l'elementu Si in u pruduttu sinteticu hè significativamente ridutta, ma esiste sempre. Infine, u polu di siliciu hè utilizatu per a sintesi, è solu SiC hè presente in u pruduttu. Questu hè chì in u prucessu di produzzione, u silicu granulare di grande dimensione hà bisognu di sottumette a reazzione di sintesi di a superficia prima, è u carburu di siliciu hè sintetizatu nantu à a superficia, chì impedisce à u polveru di Si internu di più cumminendu cù u polveru C. Per quessa, se u siliciu di bloccu hè utilizatu cum'è materia prima, deve esse sfracicatu è dopu sottumessu à un prucessu di sintesi secundariu per ottene u polu di carburu di siliciu per a crescita di cristalli.
2.2 U cuntrollu di forma di cristalli in polvere
2.2.1 Influenza di a temperatura di sintesi
Mantenendu altre cundizioni di prucessu invariate, a temperatura di sintesi hè 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ è 2100 ℃, è a polvera SiC generata hè campionata è analizata. Cum'è mostra in a Figura 5, β-SiC hè giallu terrosu, è α-SiC hè di culore più chjaru. Osservendu u culore è a morfologia di a polvera sintetizzata, pò esse determinata chì u pruduttu sintetizatu hè β-SiC à a temperatura di 1500 ℃ è 1700 ℃. À 1900 ℃, u culore diventa più chjaru, è appariscenu particelle hexagonali, chì indicanu chì dopu chì a temperatura s'eleva à 1900 ℃, una transizione di fase si faci, è una parte di β-SiC hè cunvertita in α-SiC; quandu a temperatura cuntinueghja à cullà à 2100 ℃, si trova chì i particeddi sintetizzati sò trasparenti, è l'α-SiC hè stata cunvertita.
2.2.2 Effettu di u tempu di sintesi
L'altri cundizioni di prucessu restanu invariati, è u tempu di sintesi hè stabilitu à 4h, 8h è 12h, rispettivamente. U polu SiC generatu hè campionatu è analizatu da diffractometru (XRD). I risultati sò mostrati in a Figura 6. U tempu di sintesi hà una certa influenza nantu à u pruduttu sintetizatu da u polu SiC. Quandu u tempu di sintesi hè 4 h è 8 h, u pruduttu sinteticu hè principalmente 6H-SiC; quandu u tempu di sintesi hè 12 h, 15R-SiC appare in u pruduttu.
2.2.3 Influenza di a ratio di materia prima
L'altri prucessi restanu invariati, a quantità di sustanzi di silicu-carbonu hè analizata, è i rapporti sò 1.00, 1.05, 1.10 è 1.15 rispettivamente per esperimenti di sintesi. I risultati sò mostrati in a Figura 7.
Da u spettru XRD, si pò vede chì quandu u rapportu di silicium-carbonu hè più grande di 1,05, l'excedente Si appare in u pruduttu, è quandu u rapportu di siliciu-carbonu hè menu di 1,05, l'excedente C appare. Quandu u rapportu di silicu-carbonu hè 1,05, u carbonu liberu in u pruduttu sinteticu hè basicamente eliminatu, è ùn si vede micca siliciu liberu. Dunque, u rapportu quantità di u rapportu di silicu-carbonu deve esse 1,05 per sintetizà SiC d'alta purezza.
2.3 Cuntrolla di u cuntenutu di nitrogenu bassu in polvere
2.3.1 Materia prima sintetica
A materia prima utilizata in questu esperimentu hè u polu di carbone di alta purezza è u polu di siliciu d'alta purezza cù un diametru medianu di 20 μm. A causa di a so piccula dimensione di particella è di una grande superficie specifica, sò faciuli d'assorbà N2 in l'aria. Quandu si sintetizza u polu, serà purtatu in a forma di cristallu di u polu. Per a crescita di cristalli di tipu N, u doping irregolare di N2 in u polveru porta à a resistenza irregolare di u cristallu è ancu cambiamenti in a forma di cristallo. U cuntenutu di nitrogenu di u polu sintetizatu dopu l'idrogenu hè introduttu hè significativamente bassu. Questu hè chì u voluminu di molécule d'idrogenu hè chjucu. Quandu l'N2 adsorbitu in a polvera di carbone è u polveru di siliciu hè riscaldatu è decompostu da a superficia, H2 si diffonde cumplettamente in u spaziu trà e polveri cù u so picculu voluminu, rimpiazzà a pusizione di N2, è N2 scappa da u crucible durante u prucessu di vacuum. ghjunghje u scopu di caccià u cuntenutu di nitrogenu.
2.3.2 Prucessu di sintesi
Duranti a sintesi di u polu di carburu di siliciu, postu chì u raghju di l'atomi di carbonu è l'atomi di nitrogenu hè simile, u nitrogenu rimpiazzà i vacanti di carbone in u carburu di siliciu, aumentendu cusì u cuntenutu di nitrogenu. Stu prucessu sperimentale adopra u metudu di intruduce H2, è H2 reagisce cù elementi di carbone è di siliciu in u crucible di sintesi per generà gasi C2H2, C2H è SiH. U cuntenutu di l'elementu di carbone aumenta attraversu a trasmissione di a fase di gasu, riducendu cusì i vacanti di carbone. U scopu di caccià u nitrogenu hè ottinutu.
2.3.3 Prucessu u cuntrollu di u cuntenutu di nitrogenu di fondu
I crogioli di grafite cù una grande porosità ponu esse aduprati cum'è fonti C supplementari per assorbe u vapore di Si in i cumpunenti di a fase di gas, riducendu u Si in i cumpunenti di a fase di gas, è cusì cresce C / Si. À u listessu tempu, i crucibles di grafite ponu ancu reagisce cù l'atmosfera di Si per generà Si2C, SiC2 è SiC, chì hè equivalente à l'atmosfera di Si purtendu C fonte da crucible di grafite in l'atmosfera di crescita, aumentendu u rapportu C, è ancu cresce u rapportu di carbonu-siliciu. . Dunque, u rapportu di carbonu-silicuu pò esse aumentatu cù l'usu di crucibles di grafite cù una grande porosità, riducendu i vacanti di carbone, è ghjunghje à u scopu di sguassà u nitrogenu.
3 Analisi è cuncepimentu di u prucessu di sintesi di polvere di cristallo unicu
3.1 Principiu è disignu di u prucessu di sintesi
Per mezu di u studiu cumpletu sopra citatu nantu à u cuntrollu di a dimensione di particella, a forma di cristalli è u cuntenutu di nitrogenu di a sintesi di polveri, hè prupostu un prucessu di sintesi. U polveru C d'alta purezza è u polveru Si sò selezziunati, è sò mischiati uniformemente è carricati in un crucible di grafite secondu un rapportu di silicium-carbonu di 1,05. I passi di u prucessu sò principalmente divisu in quattru tappe:
1) Prucessu di denitrification Low-temperature, vacuuming à 5 × 10-4 Pa, tandu intruduce l'idrogenu, facennu a prissioni di a camera circa 80 kPa, mantene per 15 min, è ripetendu quattru volte. Stu prucessu pò sguassà l'elementi di nitrogenu nantu à a superficia di u polu di carbone è u polu di siliciu.
2) Prucessu di denitrification high-temperature, vacuuming à 5 × 10-4 Pa, tandu riscalda à 950 ℃, e poi intruduce l 'idrogenu, facennu la prissioni di a camera circa 80 kPa, mantene per 15 min, è ripetiri quattru volte. Stu prucessu pò sguassà l'elementi di nitrogenu nantu à a superficia di u polu di carbone è u polu di siliciu, è cunduce u nitrogenu in u campu di calore.
3) Sintesi di u prucessu di fase di bassa temperatura, evacuate à 5 × 10-4 Pa, poi riscaldate à 1350 ℃, mantene per 12 ore, dopu introduci l'idrogenu per fà a pressione di a camera circa 80 kPa, mantene per 1 ora. Stu prucessu pò sguassà u nitrogenu volatilized durante u prucessu di sintesi.
4) Sintesi di u prucessu di a fase di alta temperatura, riempia cù un certu rapportu di flussu di volume di gasu di gasu mistu d'idrogenu è argon di alta purezza, fate a pressione di a camera di circa 80 kPa, elevà a temperatura à 2100 ℃, mantene per 10 ore. Ce processus complète la transformation de la poudre de carbure de silicium de β-SiC à α-SiC et complète la croissance des particules cristallines.
Infine, aspittà chì a temperatura di a camera rinfriscà à a temperatura di l'ambienti, riempia à a pressione atmosferica, è caccià u polu.
3.2 Prucessu di post-processamentu in polvere
Dopu chì u polu hè sintetizatu da u prucessu di sopra, deve esse post-processatu per caccià u carbonu liberu, u siliciu è altre impurità metalliche è schermu a dimensione di particella. Prima, a polvera sintetizzata hè posta in un mulinu di bola per sfracicà, è u polveru di carburu di silicium sfracicatu si mette in un furnace di muffle è calatu à 450 ° C da l'ossigenu. U carbonu liberu in u polu hè oxidatu da u calore per generà gasu di diossidu di carbonu chì scappa da a camera, ottenendu cusì a rimuzione di carbone liberu. In seguitu, un liquidu di pulizia acidu hè preparatu è piazzatu in una macchina di pulizia di particelle di carburu di siliciu per a pulizia per caccià l'impurità di carbone, siliciu è metalli residuali generati durante u prucessu di sintesi. Dopu questu, l'acidu residuale hè lavatu in acqua pura è secca. U polveru seccu hè schermu in una schermu vibrante per a selezzione di particella per a crescita di cristalli.
Tempu di Postu: Aug-08-2024