Στη διαδικασία ανάπτυξης μονοκρυστάλλου καρβιδίου του πυριτίου, η φυσική μεταφορά ατμών είναι η τρέχουσα μέθοδος εκβιομηχάνισης. Για τη μέθοδο ανάπτυξης PVT,σκόνη καρβιδίου του πυριτίουέχει μεγάλη επίδραση στη διαδικασία ανάπτυξης. Όλες οι παράμετροι τουσκόνη καρβιδίου του πυριτίουεπηρεάζουν άμεσα την ποιότητα της ανάπτυξης μονοκρυστάλλων και τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Στις τρέχουσες βιομηχανικές εφαρμογές, το ευρέως χρησιμοποιούμενοσκόνη καρβιδίου του πυριτίουη διαδικασία σύνθεσης είναι η αυτο-πολλαπλασιαζόμενη μέθοδος σύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία.
Η αυτο-πολλαπλασιαζόμενη μέθοδος σύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιεί υψηλή θερμοκρασία για να δώσει στα αντιδρώντα αρχική θερμότητα για να ξεκινήσουν χημικές αντιδράσεις και στη συνέχεια χρησιμοποιεί τη δική της θερμότητα χημικής αντίδρασης για να επιτρέψει στις ουσίες που δεν αντέδρασαν να συνεχίσουν να ολοκληρώσουν τη χημική αντίδραση. Ωστόσο, δεδομένου ότι η χημική αντίδραση του Si και του C απελευθερώνει λιγότερη θερμότητα, πρέπει να προστεθούν άλλα αντιδραστήρια για να διατηρηθεί η αντίδραση. Ως εκ τούτου, πολλοί μελετητές έχουν προτείνει μια βελτιωμένη μέθοδο αυτο-πολλαπλασιαστικής σύνθεσης σε αυτή τη βάση, εισάγοντας έναν ενεργοποιητή. Η μέθοδος αυτοδιάδοσης είναι σχετικά εύκολη στην εφαρμογή και διάφορες παράμετροι σύνθεσης είναι εύκολο να ελεγχθούν σταθερά. Η σύνθεση μεγάλης κλίμακας καλύπτει τις ανάγκες της εκβιομηχάνισης.
Ήδη από το 1999, η Bridgeport χρησιμοποίησε την αυτο-πολλαπλασιαζόμενη μέθοδο σύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία για να συνθέσειSiC σκόνη, αλλά χρησιμοποίησε αιθοξυσιλάνιο και ρητίνη φαινόλης ως πρώτες ύλες, κάτι που ήταν δαπανηρό. Ο Gao Pan και άλλοι χρησιμοποίησαν σκόνη Si υψηλής καθαρότητας και σκόνη C ως πρώτες ύλες για τη σύνθεσηSiC σκόνημε αντίδραση σε υψηλή θερμοκρασία σε ατμόσφαιρα αργού. Η Ning Lina ετοίμασε μεγάλα σωματίδιαSiC σκόνημε δευτερογενή σύνθεση.
Ο κλίβανος επαγωγικής θέρμανσης μέσης συχνότητας που αναπτύχθηκε από το Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation αναμιγνύει ομοιόμορφα σκόνη πυριτίου και σκόνη άνθρακα σε μια συγκεκριμένη στοιχειομετρική αναλογία και τα τοποθετεί σε ένα χωνευτήριο γραφίτη. Οχωνευτήριο γραφίτητοποθετείται σε κλίβανο επαγωγικής θέρμανσης μέσης συχνότητας για θέρμανση και η αλλαγή θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για τη σύνθεση και τον μετασχηματισμό της φάσης χαμηλής θερμοκρασίας και της φάσης υψηλής θερμοκρασίας καρβιδίου του πυριτίου αντίστοιχα. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία της αντίδρασης σύνθεσης β-SiC στη φάση χαμηλής θερμοκρασίας είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία εξαέρωσης του Si, η σύνθεση του β-SiC υπό υψηλό κενό μπορεί κάλλιστα να εξασφαλίσει την αυτοδιάδοση. Η μέθοδος εισαγωγής αργού, υδρογόνου και αερίου HCl στη σύνθεση του α-SiC αποτρέπει την αποσύνθεση τουSiC σκόνηστο στάδιο της υψηλής θερμοκρασίας και μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε άζωτο στη σκόνη α-SiC.
Ο Shandong Tianyue σχεδίασε έναν φούρνο σύνθεσης, χρησιμοποιώντας αέριο σιλανίου ως πρώτη ύλη πυριτίου και σκόνη άνθρακα ως πρώτη ύλη άνθρακα. Η ποσότητα του αερίου πρώτης ύλης που εισήχθη προσαρμόστηκε με μια μέθοδο σύνθεσης δύο σταδίων και το τελικό μέγεθος σωματιδίων καρβιδίου του πυριτίου που συντέθηκε ήταν μεταξύ 50 και 5 000 μm.
1 Παράγοντες ελέγχου της διαδικασίας σύνθεσης σκόνης
1.1 Επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων σκόνης στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου έχει πολύ σημαντική επίδραση στην επακόλουθη ανάπτυξη μονοκρυστάλλου. Η ανάπτυξη του μονοκρυστάλλου SiC με τη μέθοδο PVT επιτυγχάνεται κυρίως με την αλλαγή της μοριακής αναλογίας πυριτίου και άνθρακα στο συστατικό αέριας φάσης και η μοριακή αναλογία πυριτίου και άνθρακα στο συστατικό αέριας φάσης σχετίζεται με το μέγεθος σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου . Η συνολική πίεση και η αναλογία πυριτίου-άνθρακα του συστήματος ανάπτυξης αυξάνονται με τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων. Όταν το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται από 2-3 mm σε 0,06 mm, η αναλογία πυριτίου-άνθρακα αυξάνεται από 1,3 σε 4,0. Όταν τα σωματίδια είναι μικρά σε κάποιο βαθμό, η μερική πίεση Si αυξάνεται και σχηματίζεται ένα στρώμα μεμβράνης Si στην επιφάνεια του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου, προκαλώντας ανάπτυξη αερίου-υγρού-στερεού, που επηρεάζει τον πολυμορφισμό, τα σημειακά ελαττώματα και τα ελαττώματα γραμμής στο κρύσταλλο. Επομένως, το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας πρέπει να ελέγχεται καλά.
Επιπλέον, όταν το μέγεθος των σωματιδίων σκόνης SiC είναι σχετικά μικρό, η σκόνη αποσυντίθεται ταχύτερα, με αποτέλεσμα την υπερβολική ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC. Από τη μία πλευρά, στο περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας της μονοκρυσταλλικής ανάπτυξης SiC, οι δύο διαδικασίες σύνθεσης και αποσύνθεσης πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου θα αποσυντεθεί και θα σχηματίσει άνθρακα στην αέρια φάση και στη στερεά φάση, όπως Si, Si2C, SiC2, με αποτέλεσμα τη σοβαρή ενανθράκωση της πολυκρυσταλλικής σκόνης και το σχηματισμό εγκλεισμάτων άνθρακα στον κρύσταλλο. Από την άλλη πλευρά, όταν ο ρυθμός αποσύνθεσης της σκόνης είναι σχετικά γρήγορος, η κρυσταλλική δομή του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου SiC είναι επιρρεπής σε αλλαγές, καθιστώντας δύσκολο τον έλεγχο της ποιότητας του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου SiC.
1.2 Επίδραση της μορφής κρυστάλλου σκόνης στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Η ανάπτυξη μονοκρυστάλλου SiC με τη μέθοδο PVT είναι μια διαδικασία εξάχνωσης-ανακρυστάλλωσης σε υψηλή θερμοκρασία. Η κρυσταλλική μορφή της πρώτης ύλης SiC έχει σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη των κρυστάλλων. Στη διαδικασία σύνθεσης σκόνης, θα παραχθεί κυρίως η φάση σύνθεσης χαμηλής θερμοκρασίας (β-SiC) με κυβική δομή της μονάδας κυψέλης και η φάση σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας (α-SiC) με εξαγωνική δομή της μονάδας κυψέλης. . Υπάρχουν πολλές μορφές κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου και ένα στενό εύρος ελέγχου θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, το 3C-SiC θα μετατραπεί σε εξαγωνικό πολύμορφο καρβίδιο του πυριτίου, δηλαδή 4H/6H-SiC, σε θερμοκρασίες πάνω από 1900°C.
Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης ενός κρυστάλλου, όταν η σκόνη β-SiC χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η μοριακή αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από 5,5, ενώ όταν η σκόνη α-SiC χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η μοριακή αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι 1,2. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης στο χωνευτήριο. Αυτή τη στιγμή, η μοριακή αναλογία στην αέρια φάση γίνεται μεγαλύτερη, κάτι που δεν ευνοεί την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Επιπλέον, άλλες ακαθαρσίες αέριας φάσης, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, του πυριτίου και του διοξειδίου του πυριτίου, δημιουργούνται εύκολα κατά τη διαδικασία μετάβασης φάσης. Η παρουσία αυτών των ακαθαρσιών αναγκάζει τον κρύσταλλο να δημιουργήσει μικροσωλήνες και κενά. Επομένως, η μορφή κρυστάλλου σκόνης πρέπει να ελέγχεται με ακρίβεια.
1.3 Επίδραση ακαθαρσιών σκόνης στην ανάπτυξη κρυστάλλων
Η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες στη σκόνη SiC επηρεάζει τον αυθόρμητο σχηματισμό πυρήνων κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, τόσο λιγότερο πιθανό είναι ο κρύσταλλος να πυρηνωθεί αυθόρμητα. Για το SiC, οι κύριες ακαθαρσίες μετάλλων περιλαμβάνουν τα B, Al, V και Ni, τα οποία μπορούν να εισαχθούν με εργαλεία επεξεργασίας κατά την επεξεργασία σκόνης πυριτίου και σκόνης άνθρακα. Μεταξύ αυτών, το B και το Al είναι οι κύριες ακαθαρσίες δέκτη ρηχής ενέργειας σε SiC, με αποτέλεσμα τη μείωση της ειδικής αντίστασης του SiC. Άλλες ακαθαρσίες μετάλλων θα εισαγάγουν πολλά ενεργειακά επίπεδα, με αποτέλεσμα ασταθείς ηλεκτρικές ιδιότητες των μονοκρυστάλλων SiC σε υψηλές θερμοκρασίες και θα έχουν μεγαλύτερη επίδραση στις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιμονωτικών μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων υψηλής καθαρότητας, ιδιαίτερα στην ειδική ειδική αντίσταση. Επομένως, η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας πρέπει να συντίθεται όσο το δυνατόν περισσότερο.
1.4 Επίδραση της περιεκτικότητας σε άζωτο στη σκόνη στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Το επίπεδο περιεκτικότητας σε άζωτο καθορίζει την ειδική αντίσταση του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος. Οι μεγάλοι κατασκευαστές πρέπει να προσαρμόσουν τη συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου στο συνθετικό υλικό σύμφωνα με τη διαδικασία ανάπτυξης ώριμων κρυστάλλων κατά τη σύνθεση σκόνης. Ημιμονωτικά υποστρώματα μονοκρύσταλλου καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας είναι τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά για ηλεκτρονικά εξαρτήματα στρατιωτικού πυρήνα. Για την ανάπτυξη ημιμονωτικών μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων υψηλής καθαρότητας με υψηλή ειδική αντίσταση και εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, η περιεκτικότητα του κύριου αζώτου ακαθαρσιών στο υπόστρωμα πρέπει να ελέγχεται σε χαμηλό επίπεδο. Τα αγώγιμα μονοκρυσταλλικά υποστρώματα απαιτούν τον έλεγχο της περιεκτικότητας σε άζωτο σε σχετικά υψηλή συγκέντρωση.
2 Τεχνολογία βασικού ελέγχου για σύνθεση σκόνης
Λόγω των διαφορετικών περιβαλλόντων χρήσης των υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου, η τεχνολογία σύνθεσης για σκόνες ανάπτυξης έχει επίσης διαφορετικές διαδικασίες. Για αγώγιμες σκόνες ανάπτυξης μονοκρυστάλλου τύπου Ν, απαιτείται υψηλή καθαρότητα ακαθαρσιών και μονοφασική. ενώ για ημιμονωτικές σκόνες ανάπτυξης μονοκρυστάλλου απαιτείται αυστηρός έλεγχος της περιεκτικότητας σε άζωτο.
2.1 Έλεγχος μεγέθους σωματιδίων σκόνης
2.1.1 Θερμοκρασία σύνθεσης
Διατηρώντας αμετάβλητες τις άλλες συνθήκες διεργασίας, δειγματολήφθηκαν και αναλύθηκαν σκόνες SiC που δημιουργήθηκαν σε θερμοκρασίες σύνθεσης 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ και 2200 ℃. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, μπορεί να φανεί ότι το μέγεθος των σωματιδίων είναι 250~600 μm στους 1900 ℃ και το μέγεθος σωματιδίων αυξάνεται στα 600~850 μm στους 2000 ℃ και το μέγεθος των σωματιδίων αλλάζει σημαντικά. Όταν η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται στους 2100 ℃, το μέγεθος σωματιδίων της σκόνης SiC είναι 850~2360 μm και η αύξηση τείνει να είναι ήπια. Το μέγεθος σωματιδίων του SiC στους 2200 ℃ είναι σταθερό περίπου στα 2360 μm. Η αύξηση της θερμοκρασίας σύνθεσης από τους 1900 ℃ έχει θετική επίδραση στο μέγεθος των σωματιδίων SiC. Όταν η θερμοκρασία σύνθεσης συνεχίζει να αυξάνεται από τους 2100 ℃, το μέγεθος των σωματιδίων δεν αλλάζει πλέον σημαντικά. Επομένως, όταν η θερμοκρασία σύνθεσης έχει ρυθμιστεί στους 2100 ℃, μπορεί να συντεθεί μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
2.1.2 Χρόνος σύνθεσης
Άλλες συνθήκες διεργασίας παραμένουν αμετάβλητες και ο χρόνος σύνθεσης ορίζεται σε 4 ώρες, 8 ώρες και 12 ώρες αντίστοιχα. Η παραγόμενη ανάλυση δειγματοληψίας σκόνης SiC φαίνεται στο Σχήμα 2. Βρέθηκε ότι ο χρόνος σύνθεσης έχει σημαντική επίδραση στο μέγεθος σωματιδίων του SiC. Όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 4 ώρες, το μέγεθος των σωματιδίων κατανέμεται κυρίως στα 200 μm. όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 8 ώρες, το μέγεθος των συνθετικών σωματιδίων αυξάνεται σημαντικά, κυρίως κατανεμημένο σε περίπου 1 000 μm. Καθώς ο χρόνος σύνθεσης συνεχίζει να αυξάνεται, το μέγεθος των σωματιδίων αυξάνεται περαιτέρω, κυρίως κατανεμημένο σε περίπου 2 000 μm.
2.1.3 Επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων της πρώτης ύλης
Καθώς η εγχώρια αλυσίδα παραγωγής υλικού πυριτίου βελτιώνεται σταδιακά, βελτιώνεται περαιτέρω και η καθαρότητα των υλικών πυριτίου. Προς το παρόν, τα υλικά πυριτίου που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση χωρίζονται κυρίως σε κοκκώδες πυρίτιο και πυρίτιο σε σκόνη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.
Για τη διεξαγωγή πειραμάτων σύνθεσης καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές πρώτες ύλες πυριτίου. Η σύγκριση των συνθετικών προϊόντων φαίνεται στο Σχήμα 4. Η ανάλυση δείχνει ότι όταν χρησιμοποιούνται πρώτες ύλες πυριτίου μπλοκ, υπάρχει μεγάλη ποσότητα στοιχείων Si στο προϊόν. Αφού το μπλοκ πυριτίου συνθλίβεται για δεύτερη φορά, το στοιχείο Si στο συνθετικό προϊόν μειώνεται σημαντικά, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει. Τέλος, η σκόνη πυριτίου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση και μόνο SiC υπάρχει στο προϊόν. Αυτό συμβαίνει επειδή στη διαδικασία παραγωγής, το κοκκώδες πυρίτιο μεγάλου μεγέθους πρέπει να υποβληθεί πρώτα σε αντίδραση σύνθεσης επιφάνειας και το καρβίδιο του πυριτίου συντίθεται στην επιφάνεια, το οποίο εμποδίζει την εσωτερική σκόνη Si από τον περαιτέρω συνδυασμό με τη σκόνη C. Επομένως, εάν το μπλοκ πυρίτιο χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη, πρέπει να συνθλιβεί και στη συνέχεια να υποβληθεί σε διαδικασία δευτερογενούς σύνθεσης για να ληφθεί σκόνη καρβιδίου του πυριτίου για ανάπτυξη κρυστάλλων.
2.2 Έλεγχος μορφής κρυστάλλου σκόνης
2.2.1 Επίδραση της θερμοκρασίας σύνθεσης
Διατηρώντας αμετάβλητες άλλες συνθήκες διεργασίας, η θερμοκρασία σύνθεσης είναι 1500℃, 1700℃, 1900℃ και 2100℃, και η παραγόμενη σκόνη SiC δειγματοληπτείται και αναλύεται. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, το β-SiC είναι γήινο κίτρινο και το α-SiC είναι πιο ανοιχτό χρώμα. Παρατηρώντας το χρώμα και τη μορφολογία της συντιθέμενης σκόνης, μπορεί να προσδιοριστεί ότι το συντιθέμενο προϊόν είναι β-SiC σε θερμοκρασίες 1500℃ και 1700℃. Στους 1900℃, το χρώμα γίνεται πιο ανοιχτό και εμφανίζονται εξαγωνικά σωματίδια, υποδεικνύοντας ότι μετά την άνοδο της θερμοκρασίας στους 1900℃, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης και μέρος του β-SiC μετατρέπεται σε α-SiC. όταν η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται στους 2100℃, διαπιστώνεται ότι τα συντιθέμενα σωματίδια είναι διαφανή και το α-SiC έχει βασικά μετατραπεί.
2.2.2 Επίδραση του χρόνου σύνθεσης
Άλλες συνθήκες διεργασίας παραμένουν αμετάβλητες και ο χρόνος σύνθεσης ορίζεται σε 4h, 8h και 12h, αντίστοιχα. Η παραγόμενη σκόνη SiC δειγματοληπτείται και αναλύεται με περιθλασίμετρο (XRD). Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 6. Ο χρόνος σύνθεσης έχει κάποια επίδραση στο προϊόν που συντίθεται από σκόνη SiC. Όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 4 ώρες και 8 ώρες, το συνθετικό προϊόν είναι κυρίως 6H-SiC. όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 12 ώρες, εμφανίζεται 15R-SiC στο προϊόν.
2.2.3 Επιρροή της αναλογίας πρώτων υλών
Άλλες διεργασίες παραμένουν αμετάβλητες, αναλύεται η ποσότητα ουσιών πυριτίου-άνθρακα και οι αναλογίες είναι 1,00, 1,05, 1,10 και 1,15 αντίστοιχα για πειράματα σύνθεσης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 7.
Από το φάσμα XRD, μπορεί να φανεί ότι όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από 1,05, εμφανίζεται περίσσεια Si στο προϊόν και όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μικρότερη από 1,05, εμφανίζεται περίσσεια C. Όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι 1,05, ο ελεύθερος άνθρακας στο συνθετικό προϊόν ουσιαστικά εξαλείφεται και δεν εμφανίζεται ελεύθερο πυρίτιο. Επομένως, η αναλογία ποσότητας πυριτίου-άνθρακα θα πρέπει να είναι 1,05 για να συντεθεί SiC υψηλής καθαρότητας.
2.3 Έλεγχος χαμηλής περιεκτικότητας σε άζωτο σε σκόνη
2.3.1 Συνθετικές πρώτες ύλες
Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται σε αυτό το πείραμα είναι σκόνη άνθρακα υψηλής καθαρότητας και σκόνη πυριτίου υψηλής καθαρότητας με μέση διάμετρο 20 μm. Λόγω του μικρού μεγέθους σωματιδίων τους και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας, απορροφούν εύκολα το N2 στον αέρα. Κατά τη σύνθεση της σκόνης, θα μεταφερθεί στην κρυσταλλική μορφή της σκόνης. Για την ανάπτυξη κρυστάλλων τύπου Ν, το ανομοιόμορφο ντόπινγκ του Ν2 στη σκόνη οδηγεί σε ανομοιόμορφη αντίσταση του κρυστάλλου και ακόμη και αλλαγές στην κρυσταλλική μορφή. Η περιεκτικότητα σε άζωτο της συντιθέμενης σκόνης μετά την εισαγωγή του υδρογόνου είναι σημαντικά χαμηλή. Αυτό συμβαίνει επειδή ο όγκος των μορίων του υδρογόνου είναι μικρός. Όταν το N2 που προσροφάται στη σκόνη άνθρακα και τη σκόνη πυριτίου θερμαίνεται και αποσυντίθεται από την επιφάνεια, το H2 διαχέεται πλήρως στο κενό μεταξύ των σκονών με τον μικρό του όγκο, αντικαθιστώντας τη θέση του N2 και το N2 διαφεύγει από το χωνευτήριο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κενού. επίτευξη του σκοπού της αφαίρεσης της περιεκτικότητας σε άζωτο.
2.3.2 Διαδικασία σύνθεσης
Κατά τη σύνθεση της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου, δεδομένου ότι η ακτίνα των ατόμων άνθρακα και των ατόμων αζώτου είναι παρόμοια, το άζωτο θα αντικαταστήσει τις κενές θέσεις άνθρακα στο καρβίδιο του πυριτίου, αυξάνοντας έτσι την περιεκτικότητα σε άζωτο. Αυτή η πειραματική διαδικασία υιοθετεί τη μέθοδο εισαγωγής Η2 και το Η2 αντιδρά με στοιχεία άνθρακα και πυριτίου στο χωνευτήριο σύνθεσης για να δημιουργήσει αέρια C2H2, C2H και SiH. Η περιεκτικότητα σε στοιχεία άνθρακα αυξάνεται μέσω της μετάδοσης της αέριας φάσης, μειώνοντας έτσι τις κενές θέσεις άνθρακα. Ο σκοπός της απομάκρυνσης του αζώτου επιτυγχάνεται.
2.3.3 Έλεγχος περιεκτικότητας σε άζωτο υποβάθρου διεργασίας
Χωνευτήρια γραφίτη με μεγάλο πορώδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόσθετες πηγές C για την απορρόφηση του ατμού Si στα συστατικά της αέριας φάσης, τη μείωση του Si στα συστατικά της αέριας φάσης και συνεπώς την αύξηση του C/Si. Ταυτόχρονα, τα χωνευτήρια γραφίτη μπορούν επίσης να αντιδράσουν με την ατμόσφαιρα Si για να δημιουργήσουν Si2C, SiC2 και SiC, που είναι ισοδύναμο με την ατμόσφαιρα Si φέρνοντας την πηγή C από το χωνευτήριο γραφίτη στην ατμόσφαιρα ανάπτυξης, αυξάνοντας την αναλογία C και επίσης αυξάνοντας την αναλογία άνθρακα-πυριτίου . Επομένως, η αναλογία άνθρακα-πυριτίου μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας χωνευτήρια γραφίτη με μεγάλο πορώδες, μειώνοντας τις κενές θέσεις άνθρακα και επιτυγχάνοντας τον σκοπό της απομάκρυνσης του αζώτου.
3 Ανάλυση και σχεδιασμός διαδικασίας σύνθεσης σκόνης μονοκρυστάλλου
3.1 Αρχή και σχεδιασμός της διαδικασίας σύνθεσης
Μέσα από την προαναφερθείσα ολοκληρωμένη μελέτη για τον έλεγχο του μεγέθους των σωματιδίων, της κρυσταλλικής μορφής και της περιεκτικότητας σε άζωτο της σύνθεσης σκόνης, προτείνεται μια διαδικασία σύνθεσης. Επιλέγονται σκόνη C υψηλής καθαρότητας και σκόνη Si, και αναμειγνύονται ομοιόμορφα και φορτώνονται σε χωνευτήριο γραφίτη σύμφωνα με αναλογία πυριτίου-άνθρακα 1,05. Τα βήματα της διαδικασίας χωρίζονται κυρίως σε τέσσερα στάδια:
1) Διαδικασία απονιτροποίησης σε χαμηλή θερμοκρασία, σκούπισμα με ηλεκτρική σκούπα στα 5×10-4 Pa, στη συνέχεια εισαγωγή υδρογόνου, καθιστώντας την πίεση του θαλάμου περίπου 80 kPa, διατηρώντας για 15 λεπτά και επαναλαμβάνοντας τέσσερις φορές. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφαιρέσει στοιχεία αζώτου στην επιφάνεια της σκόνης άνθρακα και της σκόνης πυριτίου.
2) Διαδικασία απονιτροποίησης σε υψηλή θερμοκρασία, σκούπισμα με ηλεκτρική σκούπα στα 5×10-4 Pa, στη συνέχεια θέρμανση στους 950 ℃, και στη συνέχεια εισαγωγή υδρογόνου, καθιστώντας την πίεση του θαλάμου περίπου 80 kPa, διατηρώντας για 15 λεπτά και επαναλαμβάνοντας τέσσερις φορές. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφαιρέσει στοιχεία αζώτου στην επιφάνεια της σκόνης άνθρακα και της σκόνης πυριτίου και να οδηγήσει το άζωτο στο θερμικό πεδίο.
3) Σύνθεση της διαδικασίας φάσης χαμηλής θερμοκρασίας, εκκενώστε σε 5×10-4 Pa, στη συνέχεια θερμάνετε στους 1350℃, διατηρήστε για 12 ώρες, στη συνέχεια εισάγετε υδρογόνο για να κάνετε την πίεση του θαλάμου περίπου 80 kPa, διατηρήστε για 1 ώρα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφαιρέσει το άζωτο που εξατμίζεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης.
4) Σύνθεση της διαδικασίας φάσης υψηλής θερμοκρασίας, γεμίστε με μια ορισμένη αναλογία ροής όγκου αερίου υψηλής καθαρότητας υδρογόνου και μικτού αερίου αργού, κάντε την πίεση του θαλάμου περίπου 80 kPa, αυξήστε τη θερμοκρασία στους 2100℃, διατηρήστε για 10 ώρες. Αυτή η διαδικασία ολοκληρώνει τον μετασχηματισμό της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου από β-SiC σε α-SiC και ολοκληρώνει την ανάπτυξη των κρυσταλλικών σωματιδίων.
Τέλος, περιμένετε να κρυώσει η θερμοκρασία του θαλάμου σε θερμοκρασία δωματίου, γεμίστε μέχρι την ατμοσφαιρική πίεση και αφαιρέστε τη σκόνη.
3.2 Διαδικασία μετα-επεξεργασίας σε σκόνη
Αφού η σκόνη συντεθεί με την παραπάνω διαδικασία, πρέπει να υποβληθεί σε μετα-επεξεργασία για να αφαιρεθεί ο ελεύθερος άνθρακας, το πυρίτιο και άλλες ακαθαρσίες μετάλλων και να διακριθεί το μέγεθος των σωματιδίων. Αρχικά, η συντιθέμενη σκόνη τοποθετείται σε ένα μύλο με σφαιρίδια για σύνθλιψη και η θρυμματισμένη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου τοποθετείται σε κλίβανο σιγαστήρα και θερμαίνεται στους 450°C με οξυγόνο. Ο ελεύθερος άνθρακας στη σκόνη οξειδώνεται με τη θερμότητα για να δημιουργήσει αέριο διοξείδιο του άνθρακα που διαφεύγει από τον θάλαμο, επιτυγχάνοντας έτσι την απομάκρυνση του ελεύθερου άνθρακα. Στη συνέχεια, παρασκευάζεται ένα όξινο καθαριστικό υγρό και τοποθετείται σε μηχανή καθαρισμού σωματιδίων καρβιδίου του πυριτίου για καθαρισμό ώστε να αφαιρεθεί ο άνθρακας, το πυρίτιο και οι υπολειμματικές ακαθαρσίες μετάλλων που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία σύνθεσης. Μετά από αυτό, το υπολειμματικό οξύ πλένεται σε καθαρό νερό και ξηραίνεται. Η αποξηραμένη σκόνη κοσκινίζεται σε ένα δονούμενο κόσκινο για επιλογή μεγέθους σωματιδίων για ανάπτυξη κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-08-2024