Yn it groeiproses fan silisiumkarbid ienkristal is fysike dampferfier de hjoeddeistige mainstream-yndustrialisaasjemetoade. Foar de PVT-groeimetoade,silisium carbid poederhat in grutte ynfloed op it groeiproses. Alle parameters fansilisium carbid poederdirekt beynfloedzje de kwaliteit fan ien crystal groei en elektryske eigenskippen. Yn hjoeddeiske yndustriële tapassingen, de meast brûktesilisium carbid poedersyntezeproses is de sels-propagearjende metoade foar synteze op hege temperatuer.
De sels-propagearjende metoade foar hege temperatuersynteze brûkt hege temperatuer om de reaktanten inisjele waarmte te jaan om gemyske reaksjes te begjinnen, en brûkt dan syn eigen gemyske reaksjewaarmte om de net-reagearre stoffen troch te gean om de gemyske reaksje te foltôgjen. Om't de gemyske reaksje fan Si en C lykwols minder waarmte frijlit, moatte oare reactants tafoege wurde om de reaksje te behâlden. Dêrom hawwe in protte gelearden op dizze basis in ferbettere sels-propagearjende syntezemetoade foarsteld, in aktivator yntrodusearje. De sels-propagearjende metoade is relatyf maklik te ymplementearjen, en ferskate syntezeparameters binne maklik stabyl te kontrolearjen. Grutskalige synteze foldocht oan 'e behoeften fan yndustrialisaasje.
Al yn 1999 brûkte Bridgeport de sels-propagearjende syntezemetoade op hege temperatuer om te synthesearjenSiC poeder, mar it brûkt ethoxysilane en fenol hars as grûnstoffen, dat wie kostber. Gao Pan en oaren brûkten hege suverens Si-poeder en C-poeder as grûnstoffen foar synthesizeSiC poedertroch hege temperatuer reaksje yn in argonatmosfear. Ning Lina taret grut-dieltsjeSiC poedertroch sekundêre synteze.
De medium-frekwinsje ynduksje ferwaarming oven ûntwikkele troch de Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation evenredich mingt silisium poeder en koalstof poeder yn in bepaalde stoichiometryske ferhâlding en pleatst se yn in grafyt kroes. Degrafyt kroeswurdt pleatst yn in medium-frekwinsje ynduksje ferwaarming oven foar ferwaarming, en de temperatuer feroaring wurdt brûkt om synthesize en transformearje de lege-temperatuer faze en hege-temperatuer faze silisium carbid respektivelik. Sûnt de temperatuer fan de β-SiC synteze reaksje yn de lege-temperatuer faze is leger as de volatilization temperatuer fan Si, de synteze fan β-SiC ûnder hege fakuüm kin goed soargje foar de sels-propagaasje. De metoade foar it ynfieren fan argon, wetterstof en HCl-gas yn 'e synteze fan α-SiC foarkomt de ûntbining fanSiC poederyn de hege-temperatuer poadium, en kin effektyf ferminderjen de stikstof ynhâld yn α-SiC poeder.
Shandong Tianyue ûntwurp in synteze-oven, mei silaangas as silisiumgrûn materiaal en koalstofpoeder as koalstofgrûn. It bedrach fan yntrodusearre rauwe materiaal gas waard oanpast troch in twa-stap synteze metoade, en de úteinlike synthesized silisium carbid dieltsje grutte wie tusken 50 en 5 000 um.
1 Kontrôlefaktoaren fan poedersyntezeproses
1.1 Effekt fan poederpartikelgrutte op kristalgroei
De partikelgrutte fan silisiumkarbidpoeder hat in heul wichtige ynfloed op 'e folgjende ienkristalgroei. De groei fan SiC-ienkristal troch PVT-metoade wurdt benammen berikt troch it feroarjen fan de molêre ferhâlding fan silisium en koalstof yn 'e gasfase-komponint, en de molêre ferhâlding fan silisium en koalstof yn' e gasfase-komponint is relatearre oan de dieltsjegrutte fan silisiumkarbidpoeder . De totale druk en silisium-koalstof-ferhâlding fan it groeisysteem ferheegje mei de ôfnimming fan partikelgrutte. As de partikelgrutte ôfnimt fan 2-3 mm nei 0,06 mm, nimt de silisium-koalstofferhâlding ta fan 1,3 nei 4,0. As de dieltsjes lyts binne ta in beskate mjitte, nimt de dieldruk fan Si ta, en in laach fan Si-film wurdt foarme op it oerflak fan 'e groeiende kristal, wêrtroch't gas-floeistof-fêste groei feroarsaket, dy't ynfloed hat op it polymorfisme, puntdefekten en linedefekten yn it kristal. Dêrom moat de dieltsjegrutte fan hege suverens silisiumkarbidpoeder goed kontrolearre wurde.
Dêrneist, as de grutte fan SiC poeder dieltsjes is relatyf lyts, it poeder decomposes flugger, resultearret yn oermjittige groei fan SiC single kristallen. Oan 'e iene kant, yn' e hege temperatueromjouwing fan SiC-ienkristalgroei, wurde de twa prosessen fan synteze en ûntbining tagelyk útfierd. Silisiumkarbidpulver sil koalstof ûntbine en foarmje yn 'e gasfaze en fêste faze lykas Si, Si2C, SiC2, wat resulteart yn serieuze karbonisaasje fan polykristalline poeder en de foarming fan koalstofynklúzjes yn it kristal; oan de oare kant, doe't de ûntbining taryf fan it poeder is relatyf fluch, de crystal struktuer fan de groeid SiC single crystal is gefoelich foar feroaring, wêrtroch't it dreech om te kontrolearjen de kwaliteit fan de groeid SiC single crystal.
1.2 Effekt fan poederkristalfoarm op kristalgroei
De groei fan SiC-ienkristal troch PVT-metoade is in sublimaasje-herkristallisaasjeproses by hege temperatuer. De kristalfoarm fan SiC grûnstof hat in wichtige ynfloed op kristalgroei. Yn it proses fan poedersynteze sil de lege-temperatuersyntezefaze (β-SiC) mei in kubyske struktuer fan 'e ienheidsel en de hege temperatuersyntezefaze (α-SiC) mei in hexagonale struktuer fan' e ienheidsel benammen produsearre wurde . D'r binne in protte silisiumkarbidkristalfoarmen en in smel temperatuerkontrôleberik. Bygelyks, 3C-SiC sil transformearje yn hexagonal silisiumkarbid polymorph, ie 4H / 6H-SiC, by temperatueren boppe 1900 ° C.
Tidens it ienkristalgroeiproses, as β-SiC-poeder wurdt brûkt om kristallen te groeien, is de silisium-koalstof-molêre ferhâlding grutter dan 5.5, wylst as α-SiC-poeder wurdt brûkt om kristallen te groeien, is de silisium-koalstof molêre ferhâlding 1.2. As de temperatuer opkomt, komt der in faze-oergong yn 'e kroes. Op dit stuit wurdt de molêre ferhâlding yn 'e gasfaze grutter, wat net befoarderlik is foar kristalgroei. Derneist wurde oare ûnreinheden yn 'e gasfaze, ynklusyf koalstof, silisium en silisiumdioxide, maklik generearre tidens it faze-oergongsproses. De oanwêzigens fan dizze ûnreinheden feroarsaket dat it kristal mikrobuizen en leechte kweekt. Dêrom moat de poederkristalfoarm krekt wurde kontrolearre.
1.3 Effekt fan poederûnreinheden op kristalgroei
De ûnreinensynhâld yn SiC-poeder beynfloedet de spontane nukleaasje by kristalgroei. Hoe heger de ynhâld fan ûnreinheden, hoe minder kâns is it foar it kristal om spontaan te kearnen. Foar SiC omfetsje de wichtichste metalen ûnreinheden B, Al, V, en Ni, dy't kinne wurde yntrodusearre troch ferwurkjen ark tidens it ferwurkjen fan silisium poeder en koalstof poeder. Under harren binne B en Al de wichtichste ûndjippe enerzjynivo-acceptorûnzuiverheden yn SiC, wat resulteart yn in fermindering fan SiC-resistiviteit. Oare metalen ûnreinheden sille in protte enerzjynivo's ynfiere, wat resulteart yn ynstabile elektryske eigenskippen fan SiC-ienkristallen by hege temperatueren, en hawwe in gruttere ynfloed op 'e elektryske eigenskippen fan semi-isolearjende ienkristalsubstraten mei hege suverens, benammen de resistiviteit. Dêrom moat hege suverens silisiumkarbidpoeder safolle mooglik synthesisearre wurde.
1.4 Effekt fan stikstof ynhâld yn poeder op kristal groei
It nivo fan stikstof ynhâld bepaalt de resistivity fan de single crystal substraat. Grutte fabrikanten moatte de stikstofdopingkonsintraasje yn it synthetyske materiaal oanpasse neffens it ripe kristalgroeiproses by poedersynteze. Heechsuvere semi-isolearjende silisiumkarbid-ienkristalsubstraten binne de meast tasizzende materialen foar elektroanyske komponinten fan militêre kearn. Om heal-suvere semi-isolearjende ienkristlike substraten mei hege resistiviteit en poerbêste elektryske eigenskippen te groeien, moat de ynhâld fan 'e wichtichste ûnreinheid stikstof yn' e substraat op in leech nivo wurde kontrolearre. Conductive ienkristalsubstraten fereaskje dat stikstofynhâld wurdt regele op in relatyf hege konsintraasje.
2 Key kontrôle technology foar poeder synteze
Troch de ferskillende gebrûksomjouwings fan silisiumkarbidsubstraten hat de syntezetechnology foar groeipoeders ek ferskate prosessen. Foar N-type conductive single crystal groei poeder, hege ûnreinens suverens en single faze binne fereaske; wylst foar semi-isolearjende single crystal groei poeder, strange kontrôle fan stikstof ynhâld is nedich.
2.1 Poeder dieltsje grutte kontrôle
2.1.1 Synteze temperatuer
Troch oare prosesbetingsten ûnferoare te hâlden, waarden SiC-poeders generearre by synthesetemperatueren fan 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ en 2200 ℃ sampled en analysearre. Lykas werjûn yn figuer 1, kin sjoen wurde dat de partikelgrutte 250 ~ 600 μm is by 1900 ℃, en de partikelgrutte nimt ta nei 600 ~ 850 μm by 2000 ℃, en de partikelgrutte feroaret signifikant. As de temperatuer trochgiet te ferheegjen oant 2100 ℃, is de dieltsjegrutte fan SiC-poeder 850 ~ 2360 μm, en de ferheging hat de neiging om sêft te wêzen. De dieltsjegrutte fan SiC by 2200 ℃ is stabyl op sawat 2360 μm. De tanimming fan synteze temperatuer fan 1900 ℃ hat in posityf effekt op de SiC dieltsje grutte. As de synteze temperatuer trochgiet te ferheegjen fan 2100 ℃, feroaret de partikelgrutte net mear signifikant. Dêrom, as de syntezetemperatuer is ynsteld op 2100 ℃, kin in gruttere partikelgrutte wurde synthesized by in leger enerzjyferbrûk.
2.1.2 Synteze tiid
Oare prosesbetingsten bliuwe net feroare, en de syntezetiid is ynsteld op respektivelik 4 h, 8 h en 12 h. De generearre SiC poeder sampling analyze wurdt werjûn yn figuer 2. It is fûn dat de synteze tiid hat in signifikant effekt op de dieltsje grutte fan SiC. As de syntezetiid 4 h is, wurdt de partikelgrutte benammen ferdield op 200 μm; as de syntezetiid 8 h is, nimt de syntetyske dieltsjegrutte signifikant ta, benammen ferdield op sawat 1 000 μm; as de synteze tiid bliuwt tanimme, de dieltsje grutte nimt ta fierder, benammen ferdield op likernôch 2 000 μm.
2.1.3 Ynfloed fan grûnstof dieltsje grutte
As de produksjeketen foar ynlânske silisiummateriaal stadichoan ferbettere wurdt, wurdt de suverens fan silisiummaterialen ek fierder ferbettere. Op it stuit binne de silisiummaterialen dy't brûkt wurde yn 'e synteze benammen ferdield yn korrelige silisium en poeierde silisium, lykas werjûn yn figuer 3.
Ferskillende silisiumgrûnstoffen waarden brûkt om eksperiminten mei silisiumkarbidsynteze út te fieren. De fergeliking fan 'e syntetyske produkten is te sjen yn figuer 4. Analyse lit sjen dat by it brûken fan blok silisium grûnstoffen in grutte hoemannichte Si-eleminten oanwêzich binne yn it produkt. Nei't it silisiumblok foar de twadde kear ferpletterd is, wurdt it Si-elemint yn it syntetyske produkt signifikant fermindere, mar it bestiet noch. Uteinlik wurdt silisiumpoeder brûkt foar synteze, en allinich SiC is oanwêzich yn it produkt. Dit is om't yn it produksjeproses, grutte grutte granulêre silisium earst oerflaksynthesereaksje moat ûndergean, en silisiumkarbid wurdt synthesisearre op it oerflak, wat foarkomt dat it ynterne Si-poeder fierder kombinearret mei C-poeder. Dêrom, as blok silisium wurdt brûkt as grûnstof, it moat wurde ferpletterd en dan ûnderwurpen wurde oan sekundêre synteze proses te krijen silisium carbid poeder foar kristal groei.
2.2 Powder crystal foarm kontrôle
2.2.1 Ynfloed fan synteze temperatuer
Behâld fan oare proses betingsten net feroare, de synteze temperatuer is 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃, en 2100 ℃, en it generearre SiC poeder wurdt sampled en analysearre. Lykas werjûn yn figuer 5, β-SiC is ierdsk giel, en α-SiC is lichter fan kleur. Troch it observearjen fan de kleur en morfology fan it synthesized poeder, kin bepaald wurde dat it synthesized produkt is β-SiC by temperatueren fan 1500 ℃ en 1700 ℃. By 1900 ℃ wurdt de kleur lichter, en ferskine hexagonale dieltsjes, wat oanjout dat nei't de temperatuer omheech giet nei 1900 ℃, in faze-oergong optreedt, en in part fan β-SiC wurdt omset yn α-SiC; as de temperatuer trochgiet te ferheegjen nei 2100 ℃, wurdt fûn dat de syntetisearre dieltsjes transparant binne, en α-SiC is yn prinsipe omboud.
2.2.2 Effekt fan synteze tiid
Oare prosesbetingsten bliuwe net feroare, en de syntezetiid is respektivelik ynsteld op 4h, 8h en 12h. It generearre SiC-poeder wurdt sampled en analysearre troch diffractometer (XRD). De resultaten wurde werjûn yn figuer 6. De syntezetiid hat in bepaalde ynfloed op it produkt dat troch SiC-poeder synthesisearre is. As de syntezetiid 4 h en 8 h is, is it syntetyske produkt benammen 6H-SiC; doe't de synteze tiid is 12 h, ferskynt 15R-SiC yn it produkt.
2.2.3 Ynfloed fan grûnstof ratio
Oare prosessen bliuwe net feroare, de hoemannichte silisium-koalstofstoffen wurdt analysearre, en de ferhâldingen binne respektivelik 1,00, 1,05, 1,10 en 1,15 foar synteze-eksperiminten. De resultaten wurde werjûn yn figuer 7.
Ut it XRD-spektrum kin sjoen wurde dat as de silisium-koalstof-ferhâlding grutter is as 1,05, ferskynt oerstallige Si yn it produkt, en as de silisium-koalstofferhâlding minder is as 1,05, ferskynt tefolle C. As de silisium-koalstof-ferhâlding 1,05 is, wurdt de frije koalstof yn it syntetyske produkt yn prinsipe elimineare, en ferskynt gjin frije silisium. Dêrom moat de ferhâlding silisium-koalstof-ferhâlding 1,05 wêze om SiC mei hege suverens te syntetisearjen.
2.3 Kontrolearje fan lege stikstof ynhâld yn poeder
2.3.1 Syntetyske grûnstoffen
De grûnstoffen dy't yn dit eksperimint brûkt wurde binne koalstofpoeder mei hege suverens en silisiumpoeder mei hege suverens mei in mediaan diameter fan 20 μm. Troch har lytse partikelgrutte en grutte spesifike oerflak binne se maklik om N2 yn 'e loft op te nimmen. By it synthesisearjen fan it poeder sil it yn 'e kristalfoarm fan it poeder brocht wurde. Foar it groei fan N-type kristallen liedt de unjildige doping fan N2 yn it poeder ta unjildich ferset fan it kristal en sels feroaringen yn 'e kristalfoarm. De stikstof ynhâld fan it synthesized poeder nei wetterstof wurdt ynfierd is signifikant leech. Dit komt om't it folume fan wetterstofmolekulen lyts is. As de N2 adsorbearre yn 'e koalstofpoeder en silisiumpoeder wurdt ferwaarme en ôfbrutsen fan it oerflak, diffús H2 folslein yn' e gat tusken de poeders mei syn lyts folume, ferfangt de posysje fan N2, en N2 ûntkomt út 'e kroes tidens it fakuümproses, it berikken fan it doel fan it fuortheljen fan de stikstof ynhâld.
2.3.2 Synteze proses
Tidens de synteze fan silisiumkarbidpoeder, om't de straal fan koalstofatomen en stikstofatomen ferlykber is, sil stikstof koalstoffakatueres yn silisiumkarbid ferfange, en dêrmei de stikstofynhâld ferheegje. Dit eksperimintele proses nimt de metoade oan om H2 yn te fieren, en H2 reagearret mei koalstof en silisium eleminten yn 'e syntezekroes om C2H2, C2H en SiH gassen te generearjen. De ynhâld fan koalstofeleminten nimt ta troch oerdracht fan gasfase, wêrtroch't koalstoffakatueres ferminderje. It doel fan it fuortheljen fan stikstof wurdt berikt.
2.3.3 Proses eftergrûn stikstof ynhâld kontrôle
Graphite kroes mei grutte porosity kin brûkt wurde as ekstra C boarnen te absorbearjen Si damp yn de gas faze komponinten, ferminderjen Si yn de gas faze komponinten, en dus fergrutsje C / Si. Tagelyk kinne grafytkroezen ek reagearje mei Si-sfear om Si2C, SiC2 en SiC te generearjen, wat lykweardich is oan Si-sfear dy't C-boarne út grafytkroes yn 'e groeisfear bringt, de C-ferhâlding ferheegje, en ek de koalstof-silisiumferhâlding ferheegje . Dêrom kin de koalstof-silisium-ferhâlding wurde ferhege troch grafytkroezen mei grutte porositeit te brûken, koalstoffakatueres te ferminderjen en it doel te berikken fan stikstof te ferwiderjen.
3 Analyse en ûntwerp fan single crystal poeder synteze proses
3.1 Prinsipe en ûntwerp fan syntezeproses
Troch de boppeneamde wiidweidige stúdzje oer de kontrôle fan 'e partikelgrutte, kristalfoarm en stikstofynhâld fan' e poedersynteze wurdt in syntezeproses foarsteld. Hegere suverens C-poeder en Si-poeder wurde selektearre, en se wurde lykmjittich mingd en laden yn in grafytkroes neffens in silisium-koalstofferhâlding fan 1,05. De prosesstappen binne benammen ferdield yn fjouwer stadia:
1) Low-temperatuer denitrification proses, vacuuming nei 5 × 10-4 Pa, dan ynfiering fan wetterstof, wêrtroch de keamer druk oer 80 kPa, hanthavenje foar 15 min, en werhelje fjouwer kear. Dit proses kin fuortsmite stikstof eleminten op it oerflak fan koalstof poeder en silisium poeder.
2) Hege temperatuer denitrifikaasjeproses, stofzuigjen nei 5 × 10-4 Pa, dan ferwaarmje nei 950 ℃, en dan yntrodusearje fan wetterstof, wêrtroch de keamerdruk sawat 80 kPa makket, 15 min behâlden, en fjouwer kear werhelje. Dit proses kin fuortsmite stikstof eleminten op it oerflak fan koalstof poeder en silisium poeder, en ride stikstof yn it waarmte fjild.
3) Synteze fan lege temperatuer faze proses, evakuearje nei 5 × 10-4 Pa, dan waarmte nei 1350 ℃, hâld foar 12 oeren, dan ynfiere wetterstof te meitsje de keamer druk oer 80 kPa, hâld foar 1 oere. Dit proses kin de stikstof ferwiderje dy't ferdampt tidens it syntezeproses.
4) Synteze fan hege temperatuer faze proses, folje mei in bepaalde gas folume flow ratio fan hege suverens wetterstof en argon mingd gas, meitsje de keamer druk oer 80 kPa, ferheegje de temperatuer nei 2100 ℃, hâld foar 10 oeren. Dit proses foltôget de transformaasje fan silisiumkarbidpulver fan β-SiC nei α-SiC en foltôget de groei fan kristaldieltsjes.
Uteinlik wachtsje op 'e keamertemperatuer om te koelen nei keamertemperatuer, folje nei atmosfearyske druk en nim it poeder út.
3.2 Poeder post-ferwurking proses
Nei it poeder is synthesized troch it boppesteande proses, it moat wurde post-ferwurke te ferwiderjen frije koalstof, silisium en oare metalen ûnreinheden en skerm de dieltsje grutte. Earst wurdt it synthesisearre poeder yn in balmûne pleatst foar ferpletterjen, en it smoarge silisiumkarbidpoeder wurdt yn in moffelofen pleatst en troch soerstof oant 450 ° C ferwaarme. De frije koalstof yn it poeder wurdt oxidearre troch waarmte te generearjen koalstofdiokside gas dat ûntsnapt út 'e keamer, dus it realisearjen fan it fuortheljen fan frije koalstof. Dêrnei wurdt in soere skjinmeitsjen floeistof taret en pleatst yn in silisiumcarbid dieltsje skjinmeitsjen masine foar skjinmeitsjen te ferwiderjen koalstof, silisium en oerbleaune metalen ûnreinheden generearre tidens it synteze proses. Dêrnei wurdt de oerbliuwende soer wosken yn suver wetter en droege. It droege poeder wurdt screened yn in vibrearjend skerm foar seleksje fan partikelgrutte foar kristalgroei.
Post tiid: Aug-08-2024