יישום והתקדמות המחקר של ציפוי SiC בחומרי שדה תרמיים פחמן/פחמן עבור סיליקון-2 חד גבישי

1 התקדמות יישום ומחקר של ציפוי סיליקון קרביד בחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן

1.1 התקדמות יישום ומחקר בהכנת כור היתוך

בשדה התרמי גביש יחיד, הכור פחמן/פחמןמשמש בעיקר ככלי נשיאה לחומר סיליקון ונמצא במגע עםכור היתוך קוורץ, כפי שמוצג באיור 2. טמפרטורת העבודה של כור כור הפחמן/פחמן היא בערך 1450℃, אשר נתון לשחיקה כפולה של סיליקון מוצק (סיליקון דו חמצני) ואדי סיליקון, ולבסוף כור ההיתוך הופך דק או בעל סדק טבעת, וכתוצאה מכך כשל בכור ההיתוך.

כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן לציפוי מורכב הוכן על ידי תהליך חדירת אדים כימי ותגובה באתרו. הציפוי המרוכב הורכב מציפוי סיליקון קרביד (100 ~ 300μמ'), ציפוי סיליקון (10~20μמ) וציפוי סיליקון ניטריד (50~100μm), אשר יכול למעשה לעכב את קורוזיה של אדי סיליקון על פני השטח הפנימיים של כור היתוך פחמן/פחמן מרוכב. בתהליך הייצור, אובדן כור היתוך המצופה פחמן/פחמן מורכב הוא 0.04 מ"מ לכל תנור, וחיי השירות יכולים להגיע ל-180 פעמים תנור.

החוקרים השתמשו בשיטת תגובה כימית ליצירת ציפוי סיליקון קרביד אחיד על פני כור היתוך הפחמן/פחמן המרוכב בתנאי טמפרטורה מסוימים והגנה על גז נשא, תוך שימוש בסיליקון דו חמצני ומתכת סיליקון כחומרי גלם בסינטרינג בטמפרטורה גבוהה תַנוּר. התוצאות מראות שהטיפול בטמפרטורה גבוהה לא רק משפר את הטוהר והחוזק של ציפוי ה-sic, אלא גם משפר מאוד את עמידות הבלאי של פני השטח של חומר הפחמן/פחמן, ומונע קורוזיה של פני הכור על ידי אדי SiO ואטומי חמצן נדיפים בכבשן הסיליקון החד-גבישי. חיי השירות של כור ההיתוך גדל ב-20% בהשוואה לזה של הכור ללא ציפוי.

1.2 התקדמות יישום ומחקר בצינור מנחה זרימה

גליל המדריך ממוקם מעל כור ההיתוך (כמתואר באיור 1). בתהליך של משיכת גבישים, הפרש הטמפרטורות בין השדה לחוץ גדול, במיוחד המשטח התחתון הוא הקרוב ביותר לחומר הסיליקון המותך, הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר, והקורוזיה על ידי אדי הסיליקון היא החמורה ביותר.

החוקרים המציאו תהליך פשוט ועמידות טובה לחמצון של שיטת הציפוי וההכנה של צינור ההנחיה נגד חמצון. ראשית, שכבה של זיפם סיליקון קרביד גדלה במקום על המטריצה ​​של צינור המנחה, ולאחר מכן הוכנה שכבה חיצונית צפופה של סיליקון קרביד, כך שנוצרה שכבת מעבר SiCw בין המטריצה ​​לשכבת פני השטח של סיליקון קרביד צפופה , כפי שמוצג באיור 3. מקדם ההתפשטות התרמית היה בין המטריצה ​​לסיליקון קרביד. זה יכול להפחית ביעילות את הלחץ התרמי הנגרם מחוסר התאמה של מקדם ההתפשטות התרמית.

הניתוח מראה כי עם העלייה בתכולת SiCw, גודל ומספר הסדקים בציפוי יורדים. לאחר 10 שעות חמצון ב-1100℃אוויר, שיעור הירידה במשקל של דגימת הציפוי הוא רק 0.87% ~ 8.87%, ועמידות החמצון ועמידות הלם תרמי של ציפוי הסיליקון קרביד השתפרו מאוד. כל תהליך ההכנה הושלם ברציפות על ידי שקיעת אדים כימית, הכנת ציפוי סיליקון קרביד מפושטת מאוד, והביצועים המקיפים של הזרבובית כולה מתחזקים.

החוקרים הציעו שיטה של ​​חיזוק מטריצה ​​וציפוי פני השטח של צינור מנחה גרפיט לסיליקון חד-גבישי. סיליקון קרביד המתקבל היה מצופה באופן אחיד על פני השטח של צינור המדריך הגרפיט עם עובי ציפוי של 30 ~ 50μמטר על ידי ציפוי מברשת או שיטת ציפוי בהתזה, ולאחר מכן הוכנס לתנור בטמפרטורה גבוהה לתגובה במקום, טמפרטורת התגובה הייתה 1850 ~ 2300℃, ושימור החום היה 2 ~ 6 שעות. ניתן להשתמש בשכבת SiC החיצונית בתנור גידול גביש יחיד בגודל 24 אינץ' (60.96 ס"מ), וטמפרטורת השימוש היא 1500℃, ונמצא שאין אבקה נסדקת ונפילה על פני גליל מנחה הגרפיט לאחר 1500h.

1.3 התקדמות יישום ומחקר בצילינדר בידוד

כאחד המרכיבים המרכזיים של מערכת השדה התרמי של סיליקון חד-גבישי, גליל הבידוד משמש בעיקר להפחתת איבוד החום ולבקרת שיפוע הטמפרטורה של סביבת השדה התרמי. כחלק תומך בשכבת בידוד הקיר הפנימי של תנור גביש יחיד, קורוזיה אדי סיליקון מובילה להפלת סיגים ולפיצוח של המוצר, מה שמוביל בסופו של דבר לכשל במוצר.

על מנת לשפר עוד יותר את העמידות בפני קורוזיה באדי הסיליקון של צינור הבידוד המרוכב C/C-sic, החוקרים הכניסו את מוצרי צינור הבידוד המרוכבים C/C-sic המוכנים לתוך תנור התגובה האדים הכימיים, והכינו ציפוי סיליקון קרביד צפוף על גבי פני השטח של מוצרי צינור הבידוד המרוכבים של C/C-sic על ידי תהליך שקיעת אדים כימי. התוצאות מראות כי, התהליך יכול לעכב ביעילות את קורוזיה של סיבי פחמן על הליבה של מרוכב C/C-sic על ידי אדי סיליקון, ועמידות הקורוזיה של אדי סיליקון מוגברת פי 5 עד 10 בהשוואה לפחמן/פחמן מרוכב, וחיי השירות של גליל הבידוד ובטיחות סביבת השדה התרמי משתפרים מאוד.

2.מסקנה וסיכוי

ציפוי סיליקון קרבידנמצא בשימוש נרחב יותר ויותר בחומרי שדה תרמיים של פחמן/פחמן בגלל עמידות החמצון המצוינת שלו בטמפרטורה גבוהה. עם הגדלת הגודל של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן המשמשים בייצור סיליקון חד גבישי, כיצד לשפר את האחידות של ציפוי סיליקון קרביד על פני השטח של חומרי שדה תרמיים ולשפר את חיי השירות של חומרי שדה תרמיים פחמן/פחמן הפכה לבעיה דחופה להיפתר.

מצד שני, עם התפתחות תעשיית הסיליקון החד-גבישי, הביקוש לחומרי שדה תרמיים פחמן/פחמן בעלי טוהר גבוה, גדלים גם ננו-סיבי SiC על סיבי הפחמן הפנימיים במהלך התגובה. שיעורי האבלציה המונית והאבלציה ליניארית של חומרים מרוכבים C/C-ZRC ו-C/C-sic ZrC שהוכנו בניסויים הם -0.32 מ"ג/שניה ו-2.57μm/s, בהתאמה. קצב האבלציה של המסה והקו של חומרים מרוכבים C/C-sic -ZrC הם -0.24mg/s ו-1.66μm/s, בהתאמה. לחומרים מרוכבים C/C-ZRC עם ננו-סיבי SiC יש תכונות אבלטיביות טובות יותר. מאוחר יותר, ייבדקו ההשפעות של מקורות פחמן שונים על צמיחת ננו-סיבי SiC והמנגנון של ננו-סיביות SiC המחזקות את המאפיינים הבלטיביים של חומרים מרוכבים C/C-ZRC.

כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן לציפוי מורכב הוכן על ידי תהליך חדירת אדים כימי ותגובה באתרו. הציפוי המרוכב הורכב מציפוי סיליקון קרביד (100 ~ 300μמ'), ציפוי סיליקון (10~20μמ) וציפוי סיליקון ניטריד (50~100μm), אשר יכול למעשה לעכב את קורוזיה של אדי סיליקון על פני השטח הפנימיים של כור היתוך פחמן/פחמן מרוכב. בתהליך הייצור, אובדן כור היתוך המצופה פחמן/פחמן מורכב הוא 0.04 מ"מ לכל תנור, וחיי השירות יכולים להגיע ל-180 פעמים תנור.