Silizio karburo kristal bakarreko hazkuntza-prozesuan, lurrun-garraio fisikoa da egungo industrializazio-metodo nagusia. PVT hazkunde metodorako,silizio karburo hautsahazkunde-prozesuan eragin handia du. -ren parametro guztiaksilizio karburo hautsazuzenean eragiten dute kristal bakarreko hazkundearen eta propietate elektrikoen kalitatean. Gaur egungo industria-aplikazioetan, erabili ohi denasilizio karburo hautsasintesi prozesua tenperatura altuko sintesi metodo auto-hedatzailea da.
Tenperatura altuko sintesi-metodoak tenperatura altua erabiltzen du erreaktiboei hasierako beroa emateko erreakzio kimikoak hasteko, eta, ondoren, bere erreakzio kimikoko beroa erabiltzen du erreakzionatu gabeko substantziek erreakzio kimikoa osatzen jarrai dezaten. Hala ere, Si eta C-ren erreakzio kimikoak bero gutxiago askatzen duenez, beste erreaktibo batzuk gehitu behar dira erreakzioa mantentzeko. Hori dela eta, jakintsu askok auto-hedapen-metodo hobetu bat proposatu dute oinarri honetan, aktibatzaile bat sartuz. Auto-hedatzeko metodoa nahiko erraza da inplementatzen, eta hainbat sintesi-parametro erraz kontrolatzen dira modu egonkorrean. Eskala handiko sintesiak industrializazioaren beharrak asetzen ditu.
1999. urtea baino lehen, Bridgeport-ek tenperatura altuko sintesi-metodoa erabili zuen sintetizatzeko.SiC hautsa, baina etoxisilanoa eta fenol erretxina erabiltzen zituen lehengai gisa, eta hori garestia zen. Gao Pan eta beste batzuek purutasun handiko Si hautsa eta C hautsa erabili zituzten sintetizatzeko lehengai gisaSiC hautsatenperatura altuko erreakzioaren bidez argon atmosfera batean. Ning Linak partikula handiak prestatu zituenSiC hautsabigarren mailako sintesiaren bidez.
Txinako Electronics Technology Group Corporation-eko Bigarren Ikerketa Institutuak garatutako maiztasun ertaineko indukzio-labeak silizio-hautsa eta karbono-hautsa uniformeki nahasten ditu erlazio estekiometriko jakin batean eta grafitozko arragoa batean jartzen ditu. Thegrafitozko arragoamaiztasun ertaineko indukziozko berogailu-labe batean jartzen da berotzeko, eta tenperatura-aldaketa tenperatura baxuko fasea eta tenperatura altuko fasea silizio-karburoa sintetizatzeko eta eraldatzeko erabiltzen da. Tenperatura baxuko fasean β-SiC sintesi-erreakzioaren tenperatura Si-ren hegazkortasun-tenperatura baino baxuagoa denez, huts handipean β-SiC-ren sintesiak auto-hedapena berma dezake. α-SiC-aren sintesian argon, hidrogeno eta HCl gasa sartzeko metodoak deskonposizioa eragozten du.SiC hautsatenperatura altuko fasean, eta α-SiC hautsaren nitrogeno-edukia modu eraginkorrean murrizten du.
Shandong Tianyue-k sintesi labe bat diseinatu zuen, silano gasa siliziozko lehengai gisa eta karbono hautsa karbono lehengai gisa erabiliz. Sartutako lehengaien gas-kantitatea bi urratseko sintesi-metodo baten bidez egokitu zen, eta sintetizatutako azken silizio-karburoaren partikulen tamaina 50 eta 5 000 um artekoa izan zen.
1 Hauts-sintesi-prozesuaren kontrol-faktoreak
1.1 Hauts partikulen tamainaren eragina kristalen hazkundean
Silizio karburo hautsaren partikulen tamainak eragin handia du ondorengo kristal bakarreko hazkundean. SiC kristal bakarreko hazkuntza PVT metodoaren bidez lortzen da batez ere silizioaren eta karbonoaren proportzio molarra aldatuz gas faseko osagaian, eta silizioaren eta karbonoaren proportzio molarra gas faseko osagaian silizio karburoaren hautsaren partikulen tamainarekin lotuta dago. . Hazkuntza-sistemaren presio osoa eta silizio-karbonoaren erlazioa handitzen da partikulen tamaina txikitzean. Partikulen tamaina 2-3 mm-tik 0,06 mm-ra jaisten denean, silizio-karbono erlazioa 1,3-tik 4,0-ra igotzen da. Partikulak neurri batean txikiak direnean, Si-ren presio partziala handitzen da, eta hazten ari den kristalaren gainazalean Si film geruza bat sortzen da, gas-likido-solido hazkuntza eraginez, eta horrek polimorfismoari, puntu-akatsei eta lerro-akatsei eragiten die. kristalean. Hori dela eta, purutasun handiko silizio karburo hautsaren partikulen tamaina ondo kontrolatu behar da.
Horrez gain, SiC hauts partikulen tamaina nahiko txikia denean, hautsa azkarrago deskonposatzen da, eta SiC kristal bakarren gehiegizko hazkuntza eragiten du. Alde batetik, SiC kristal bakarreko hazkuntzaren tenperatura altuko ingurunean, bi sintesi eta deskonposizio prozesuak aldi berean egiten dira. Silizio-karburoaren hautsak karbonoa deskonposatuko du eta gas fasean eta fase solidoan Si, Si2C, SiC2 bezalako karbonoa sortuko du, hauts polikristalinoaren karbono larria eta kristalean karbono-inklusioak sortuz; bestalde, hautsaren deskonposizio-tasa nahiko azkarra denean, hazitako SiC kristal bakarrearen kristal-egitura aldatzeko joera dago, eta hazitako SiC kristal bakarrearen kalitatea kontrolatzea zaila da.
1.2 Hauts kristal formak kristalen hazkundean duen eragina
SiC kristal bakarreko hazkuntza PVT metodoaren bidez sublimazio-birkristalizazio prozesu bat da tenperatura altuan. SiC lehengaiaren kristal formak eragin handia du kristalen hazkundean. Hauts-sintesi-prozesuan, tenperatura baxuko sintesi-fasea (β-SiC) zelula unitarioaren egitura kubikoa eta tenperatura altuko sintesi-fasea (α-SiC) zelula unitarioaren egitura hexagonalarekin ekoitziko dira batez ere. . Silizio karburozko kristal forma asko daude eta tenperatura kontrolatzeko tarte estua. Adibidez, 3C-SiC silizio-karburo polimorfo hexagonal bihurtuko da, hau da, 4H/6H-SiC, 1900°C-tik gorako tenperaturan.
Kristal bakarreko hazkuntza prozesuan, β-SiC hautsa kristalak hazteko erabiltzen denean, silizio-karbono erlazio molarra 5,5 baino handiagoa da, eta α-SiC hautsa kristalak hazteko erabiltzen denean, silizio-karbono erlazio molarra 1,2 da. Tenperatura igotzen denean, fase-trantsizioa gertatzen da arragoan. Une honetan, gas fasean proportzio molarra handiagoa da, eta hori ez da kristalen hazkuntzarako lagungarria. Gainera, faseko trantsizio prozesuan erraz sortzen dira gas faseko beste ezpurutasun batzuk, karbonoa, silizioa eta silizio dioxidoa barne. Ezpurutasun hauen presentziak kristalak mikrohodiak eta hutsuneak sortzen ditu. Hori dela eta, hauts kristalaren forma zehatz kontrolatu behar da.
1.3 Hautsaren ezpurutasunen eragina kristalen hazkundean
SiC hautsaren ezpurutasun edukiak berezko nukleazioari eragiten dio kristalen hazkundean. Zenbat eta ezpurutasun-eduki handiagoa izan, orduan eta probabilitate gutxiago izango du kristalak berez nukleatzeko. SiC-rako, metalezko ezpurutasun nagusiak B, Al, V eta Ni dira, silizio-hautsa eta karbono-hautsa prozesatzeko tresnen bidez sar daitezkeenak. Horien artean, B eta Al dira SiC-ko energia maila baxuko hartzaileen ezpurutasun nagusiak, SiC-ren erresistentzia gutxitzea eraginez. Beste metal ezpurutasun batzuek energia-maila asko sartuko dituzte, SiC kristal bakarren propietate elektriko ezegonkorrak eraginez tenperatura altuetan, eta eragin handiagoa izango dute kristal bakarreko substratu purutasun handiko erdi isolatzaileen propietate elektrikoetan, batez ere erresistentzian. Hori dela eta, purutasun handiko silizio-karburo hautsa ahalik eta gehien sintetizatu behar da.
1.4 Hautseko nitrogeno-edukiaren eragina kristalen hazkundean
Nitrogeno-edukiaren mailak kristal bakarreko substratuaren erresistentzia zehazten du. Fabrikatzaile nagusiek nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa egokitu behar dute material sintetikoan kristal helduen hazkuntza-prozesuaren arabera hautsaren sintesian. Garbitasun handiko silizio karburozko kristal bakarreko substratu erdi isolatzaileak dira nukleo militarreko osagai elektronikoetarako material itxaropentsuenak. Garbitasun handiko kristal bakarreko substratu erdi isolatzaileak hazteko, erresistentzia handiko eta propietate elektriko bikainak dituzten substratuko ezpurutasun-nitrogeno nagusiaren edukia maila baxuan kontrolatu behar da. Kristal bakarreko substratu eroaleek nitrogeno-edukia kontzentrazio altu samarrean kontrolatu behar da.
2 Hauts-sintesirako giltza-kontrol-teknologia
Silizio-karburoko substratuen erabilera-ingurune desberdinak direla eta, hazteko hautsetarako sintesi-teknologiak prozesu desberdinak ere baditu. N motako kristal bakarreko hauts eroaleetarako, ezpurutasun handiko purutasuna eta fase bakarra behar dira; Kristal bakarreko hazkuntza hauts erdi-isolatzaileetarako, berriz, nitrogeno-edukiaren kontrol zorrotza behar da.
2.1 Hauts partikulen tamaina kontrola
2.1.1 Sintesi-tenperatura
Beste prozesu-baldintzak aldatu gabe mantenduz, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ eta 2200 ℃-ko sintesi-tenperaturetan sortutako SiC hautsak lagintu eta aztertu ziren. 1. Irudian ikusten den bezala, ikus daiteke partikulen tamaina 250 ~ 600 μm dela 1900 ℃-tan, eta partikulen tamaina 600-850 μm-ra igotzen dela 2000 ℃-tan, eta partikulen tamaina nabarmen aldatzen da. Tenperaturak 2100 ℃-ra igotzen jarraitzen duenean, SiC hautsaren partikulen tamaina 850 ~ 2360 μm da, eta igoera leuna izan ohi da. SiC-ren partikulen tamaina 2200 ℃-tan egonkorra da 2360 μm-tan. Sintesi-tenperaturaren igoerak 1900 ℃-tik aurrera eragin positiboa du SiC partikulen tamainan. Sintesi-tenperatura 2100 ℃tik aurrera hazten jarraitzen denean, partikulen tamaina ez da nabarmen aldatzen. Hori dela eta, sintesi-tenperatura 2100 ℃-n ezartzen denean, partikula tamaina handiagoa sintetiza daiteke energia-kontsumo txikiagoarekin.
2.1.2 Sintesi-denbora
Prozesuaren beste baldintza batzuk ez dira aldatu, eta sintesi-denbora 4 h, 8 h eta 12 h-ra ezartzen da hurrenez hurren. Sortutako SiC hautsaren laginketaren analisia 2. Irudian ageri da. Sintesi-denborak SiC-ren partikulen tamainan eragin handia duela ikusten da. Sintesi-denbora 4 h-koa denean, partikulen tamaina batez ere 200 μm-tan banatzen da; sintesi-denbora 8 h-koa denean, partikula sintetikoen tamaina nabarmen handitzen da, batez ere 1 000 μm ingurutan banatuta; sintesi-denbora handitzen doan heinean, partikulen tamaina gehiago handitzen da, batez ere 2 000 μm-tan banatuta.
2.1.3 Lehengaien partikulen tamainaren eragina
Etxeko siliziozko materialen ekoizpen-katea pixkanaka hobetzen den heinean, siliziozko materialen purutasuna ere hobetzen da. Gaur egun, sintesian erabiltzen diren silizio-materialak silizio granularra eta silizio-hautsean banatzen dira, 3. Irudian ikusten den moduan.
Siliziozko lehengai desberdinak erabili ziren silizio karburoaren sintesia esperimentuak egiteko. Produktu sintetikoen konparaketa 4. Irudian ageri da. Analitikak erakusten du bloke-siliziozko lehengaiak erabiltzean, produktuan Si elementu kopuru handia dagoela. Siliziozko blokea bigarren aldiz birrindu ondoren, produktu sintetikoko Si elementua nabarmen murrizten da, baina oraindik existitzen da. Azkenik, silizio hautsa erabiltzen da sintesirako, eta SiC bakarrik dago produktuan. Hau da, ekoizpen-prozesuan, tamaina handiko silizio pikortsuak gainazaleko sintesia erreakzioa jasan behar duelako lehenik, eta silizio karburoa gainazalean sintetizatzen da, eta horrek barneko Si hautsa C hautsarekin gehiago konbinatzea eragozten du. Hori dela eta, lehengai gisa bloke silizioa erabiltzen bada, birrindu egin behar da eta, ondoren, bigarren mailako sintesi-prozesua jasan behar da silizio-karburoaren hautsa lortzeko kristalak hazteko.
2.2 Hauts-kristalen forma kontrola
2.2.1 Sintesi-tenperaturaren eragina
Beste prozesu-baldintzak aldatu gabe mantenduz, sintesi-tenperatura 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ eta 2100 ℃ da, eta sortutako SiC hautsa lagintzen eta aztertzen da. 5. Irudian ikusten den bezala, β-SiC lur horia da, eta α-SiC kolore argiagoa. Sintetizatutako hautsaren kolorea eta morfologia behatuz, sintetizatutako produktua β-SiC dela zehaztu daiteke 1500 ℃ eta 1700 ℃ tenperaturan. 1900 ℃-tan, kolorea argiago bihurtzen da, eta partikula hexagonalak agertzen dira, tenperatura 1900 ℃-ra igo ondoren, fase-trantsizioa gertatzen dela eta β-SiC-ren zati bat α-SiC bihurtzen dela; tenperatura 2100 ℃-ra igotzen jarraitzen duenean, sintetizatutako partikulak gardenak direla eta α-SiC funtsean bihurtu da.
2.2.2 Sintesi denboraren eragina
Beste prozesu-baldintzek aldatu gabe jarraitzen dute, eta sintesi-denbora 4h, 8h eta 12h-tan ezartzen da, hurrenez hurren. Sortutako SiC hautsa difraktometroarekin (XRD) lagintzen eta aztertzen da. Emaitzak 6. Irudian ageri dira. Sintesi-denborak nolabaiteko eragina du SiC hautsak sintetizatzen duen produktuan. Sintesi-denbora 4 h eta 8 h denean, produktu sintetikoa 6H-SiC da batez ere; sintesi-denbora 12 h denean, 15R-SiC agertzen da produktuan.
2.2.3 Lehengaien ratioaren eragina
Beste prozesu batzuk aldatu gabe jarraitzen dute, silizio-karbono substantzien kantitatea aztertzen da eta ratioak 1,00, 1,05, 1,10 eta 1,15 dira hurrenez hurren sintesi esperimentuetarako. Emaitzak 7. irudian ageri dira.
XRD espektrotik, ikus daiteke silizio-karbono erlazioa 1,05 baino handiagoa denean produktuan Si soberakoa agertzen dela, eta silizio-karbono erlazioa 1,05 baino txikiagoa denean, C gehiegizkoa agertzen dela. Silizio-karbono erlazioa 1,05 denean, produktu sintetikoko karbono librea ezabatzen da funtsean, eta ez da silizio askerik agertzen. Beraz, silizio-karbono erlazioaren kantitatea 1,05 izan behar da purutasun handiko SiC sintetizatzeko.
2.3 Hautsetan nitrogeno-eduki baxuaren kontrola
2.3.1 Lehengai sintetikoak
Esperimentu honetan erabilitako lehengaiak purutasun handiko karbono-hautsa eta purutasun handiko silizio-hautsa dira 20 μm-ko diametro mediana dutenak. Partikulen tamaina txikia eta azalera espezifiko handia direla eta, erraz xurgatzen dute N2 airean. Hautsa sintetizatzean, hautsaren kristal formara eramango da. N motako kristalen hazkuntzarako, hautsean N2-ren doping irregularrak kristalaren erresistentzia irregularra eta kristalaren forman aldaketak ere eragiten ditu. Hidrogenoa sartu ondoren sintetizatutako hautsaren nitrogeno-edukia nabarmen baxua da. Hau da, hidrogeno molekulen bolumena txikia delako. Karbono-hautsean eta silizio-hautsean xurgatzen den N2-a gainazaletik berotzen eta deskonposatzen denean, H2 hautsen arteko hutsunean guztiz hedatzen da bere bolumen txikiarekin, N2-ren posizioa ordezkatuz, eta N2 arragotik ihes egiten da huts-prozesuan zehar, nitrogeno-edukia kentzeko helburua lortuz.
2.3.2 Sintesi-prozesua
Silizio-karburoaren hautsaren sintesian, karbono-atomoen eta nitrogeno-atomoen erradioa antzekoa denez, nitrogenoak karbono-hutsak ordezkatuko ditu silizio-karburoan, eta horrela nitrogeno-edukia handituz. Prozesu esperimental honek H2 sartzeko metodoa hartzen du, eta H2-k karbono eta silizioko elementuekin erreakzionatzen du sintesi-arragoan C2H2, C2H eta SiH gasak sortzeko. Karbono-elementuaren edukia gas-fasearen transmisioaren bidez handitzen da, eta horrela karbono hutsuneak murrizten dira. Nitrogenoa kentzeko helburua lortzen da.
2.3.3 Prozesuaren atzeko planoko nitrogeno-edukiaren kontrola
Porositate handia duten grafitozko arragoa C iturri osagarri gisa erabil daitezke gas faseko osagaietan Si lurruna xurgatzeko, gas faseko osagaietan Si murrizteko eta, horrela, C/Si handitzeko. Aldi berean, grafitozko arragoak Si atmosferarekin ere erreakzionatu dezakete Si2C, SiC2 eta SiC sortzeko, hau da, Si atmosferaren baliokidea den grafitozko arragotik C iturria hazteko atmosferara ekartzea, C erlazioa handituz eta karbono-silizio erlazioa areagotuz. . Horregatik, karbono-silizio erlazioa handitu daiteke porositate handiko grafitozko arragoa erabiliz, karbono hutsuneak murriztuz eta nitrogenoa kentzeko helburua lortuz.
3 Kristal bakarreko hautsaren sintesi prozesuaren analisia eta diseinua
3.1 Sintesi-prozesuaren printzipioa eta diseinua
Hautsaren sintesiaren partikulen tamainaren, kristalaren formaren eta nitrogenoaren edukiaren kontrolari buruz aipatutako azterketa integralaren bidez, sintesi prozesu bat proposatzen da. Garbitasun handiko C hautsa eta Si hautsa hautatzen dira, eta uniformeki nahasten dira eta grafitozko arragoa batean kargatzen dira 1,05 silizio-karbono erlazioaren arabera. Prozesuaren urratsak lau fasetan banatzen dira nagusiki:
1) Tenperatura baxuko desnitrifikazio-prozesua, 5 × 10-4 Pa-ra hutsean jarri, gero hidrogenoa sartuz, ganbararen presioa 80 kPa ingurukoa eginez, 15 minutuz mantenduz eta lau aldiz errepikatuz. Prozesu honek karbono-hautsaren eta silizio-hautsaren gainazaleko nitrogeno-elementuak kendu ditzake.
2) Tenperatura handiko desnitrifikazio-prozesua, 5 × 10-4 Pa-ra xurgatuz, ondoren 950 ℃-ra berotuz, eta ondoren hidrogenoa sartuz, ganbararen presioa 80 kPa ingurukoa eginez, 15 minutuz mantenduz eta lau aldiz errepikatuz. Prozesu honek karbono-hautsaren eta silizio-hautsaren gainazaleko nitrogeno-elementuak ken ditzake, eta nitrogenoa eragin dezake bero-eremuan.
3) Tenperatura baxuko fasearen prozesuaren sintesia, ebakuatu 5 × 10-4 Pa-ra, gero berotu 1350 ℃-ra, mantendu 12 orduz, ondoren hidrogenoa sartu ganbararen presioa 80 kPa ingurukoa izan dadin, mantendu ordubetez. Prozesu honek sintesi-prozesuan hegaztitutako nitrogenoa kendu dezake.
4) Tenperatura altuko fasearen prozesuaren sintesia, bete garbitasun handiko hidrogenoaren eta argon gas nahastuaren gas bolumen-fluxuaren erlazio jakin batekin, egin ganbararen presioa 80 kPa ingurukoa, igo tenperatura 2100 ℃-ra, mantendu 10 orduz. Prozesu honek β-SiC-tik α-SiC-ra silizio-karburoaren hautsaren eraldaketa amaitzen du eta kristal partikulen hazkuntza osatzen du.
Azkenik, itxaron ganberaren tenperatura giro-tenperaturara hozten arte, bete presio atmosferikoa arte eta atera hautsa.
3.2 Hautsaren postprozesatzeko prozesua
Hautsa goiko prozesuaren bidez sintetizatu ondoren, post-prozesatu behar da karbono, silizio eta beste metal ezpurutasun askeak kentzeko eta partikulen tamaina pantailatzeko. Lehenik eta behin, sintetizatutako hautsa bola-errota batean jartzen da birrintzeko, eta birrindutako silizio-karburoaren hautsa mufla-labe batean jartzen da eta oxigenoaren bidez 450 °C-ra berotzen da. Hautsean dagoen karbono librea beroaren bidez oxidatzen da, ganberatik irteten den karbono dioxido gasa sortzeko, eta horrela karbono librea kentzea lortzen da. Ondoren, garbiketa-likido azido bat prestatzen da eta silizio-karburoko partikula garbitzeko makina batean jartzen da garbitzeko, sintesi-prozesuan sortutako karbono, silizio eta metal-hondar-ezpurutasunak kentzeko. Horren ondoren, hondar azidoa ur puruan garbitu eta lehortu egiten da. Hauts lehortua pantaila bibrazio batean bahetzen da, kristalak hazteko partikulen tamaina aukeratzeko.
Argitalpenaren ordua: 2024-08-08