Ing proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, transportasi uap fisik minangka cara industrialisasi arus utama. Kanggo metode pertumbuhan PVT,bubuk silikon karbidanduweni pengaruh gedhe ing proses pertumbuhan. Kabeh paramèter sakabubuk silikon karbidalangsung mengaruhi kualitas wutah kristal siji lan sifat electrical. Ing aplikasi industri saiki, sing umum digunakakebubuk silikon karbidaproses sintesis yaiku metode sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhewe.
Cara sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhewe nggunakake suhu dhuwur kanggo menehi panas awal reaktan kanggo miwiti reaksi kimia, lan banjur nggunakake panas reaksi kimia dhewe kanggo ngidini bahan sing ora reaksi bisa terus ngrampungake reaksi kimia. Nanging, amarga reaksi kimia Si lan C ngeculake panas kurang, reaktan liyane kudu ditambahake kanggo njaga reaksi kasebut. Mulane, akeh sarjana wis ngusulake cara sintesis panyebaran diri sing luwih apik kanthi basis iki, ngenalake aktivator. Cara nyebarake dhewe relatif gampang diimplementasikake, lan macem-macem parameter sintesis gampang dikontrol kanthi stabil. Sintesis skala gedhe nyukupi kabutuhan industrialisasi.
Wiwit taun 1999, Bridgeport nggunakake metode sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhewe kanggo sintesis.bubuk SiC, nanging nggunakake resin ethoxysilane lan fenol minangka bahan mentah, sing larang regane. Gao Pan lan liya-liyane nggunakake bubuk Si kemurnian dhuwur lan bubuk C minangka bahan mentah kanggo sintesisbubuk SiCdening reaksi suhu dhuwur ing atmosfer argon. Ning Lina nyiapake partikel gedhebubuk SiCdening sintesis sekunder.
Tungku pemanasan induksi frekuensi medium sing dikembangake dening Institut Riset Kedua China Electronics Technology Group Corporation kanthi rata nyampur bubuk silikon lan bubuk karbon ing rasio stoikiometri tartamtu lan dilebokake ing wadah grafit. Ingwadhah grafitdiselehake ing tungku pemanasan induksi frekuensi medium kanggo pemanasan, lan owah-owahan suhu digunakake kanggo nyintesis lan ngowahi fase suhu rendah lan karbida silikon fase suhu dhuwur. Wiwit suhu reaksi sintesis β-SiC ing fase suhu kurang luwih murah tinimbang suhu volatilisasi Si, sintesis β-SiC ing vakum dhuwur bisa njamin propagasi diri. Cara ngenalake gas argon, hidrogen lan HCl ing sintesis α-SiC nyegah dekomposisibubuk SiCing tataran suhu dhuwur, lan kanthi efektif bisa nyuda isi nitrogen ing bubuk α-SiC.
Shandong Tianyue ngrancang tungku sintesis, nggunakake gas silane minangka bahan baku silikon lan bubuk karbon minangka bahan baku karbon. Jumlah gas bahan mentahan ngenalaken diatur dening cara sintesis loro-langkah, lan ukuran partikel silikon karbida disintesis pungkasan antarane 50 lan 5 000 um.
1 Faktor kontrol proses sintesis bubuk
1.1 Pengaruh ukuran partikel bubuk ing wutah kristal
Ukuran partikel wêdakakêna silikon karbida duweni pangaruh sing penting banget marang pertumbuhan kristal tunggal sabanjure. Wutah kristal tunggal SiC kanthi metode PVT utamane ditindakake kanthi ngganti rasio molar silikon lan karbon ing komponen fase gas, lan rasio molar silikon lan karbon ing komponen fase gas ana gandhengane karo ukuran partikel bubuk silikon karbida. . Tekanan total lan rasio silikon-karbon saka sistem pertumbuhan mundhak kanthi nyuda ukuran partikel. Nalika ukuran partikel sudo saka 2-3 mm kanggo 0,06 mm, rasio silikon-karbon mundhak saka 1,3 kanggo 4,0. Nalika partikel cilik nganti sawetara, tekanan parsial Si mundhak, lan lapisan film Si dibentuk ing permukaan kristal sing akeh, nyebabake wutah gas-cair-padhet, sing mengaruhi polimorfisme, cacat titik lan cacat garis. ing kristal. Mulane, ukuran partikel bubuk silikon karbida kemurnian dhuwur kudu dikontrol kanthi apik.
Kajaba iku, nalika ukuran partikel wêdakakêna SiC relatif cilik, wêdakakêna decomposes luwih cepet, asil ing wutah gedhe banget saka kristal tunggal SiC. Ing tangan siji, ing lingkungan suhu dhuwur saka wutah kristal tunggal SiC, loro pangolahan sintesis lan dekomposisi digawa metu bebarengan. Wêdakakêna silikon karbida bakal ngurai lan mbentuk karbon ing fase gas lan fase padhet kayata Si, Si2C, SiC2, nyebabake karbonisasi serius bubuk polikristalin lan pambentukan inklusi karbon ing kristal; ing tangan liyane, nalika tingkat bosok saka wêdakakêna punika relatif cepet, struktur kristal saka thukul SiC kristal siji rentan kanggo ngganti, nggawe angel kanggo ngontrol kualitas thukul SiC kristal siji.
1.2 Pengaruh wangun kristal bubuk ing wutah kristal
Wutah kristal tunggal SiC kanthi metode PVT minangka proses sublimasi-rekristalisasi ing suhu dhuwur. Wangun kristal saka bahan mentah SiC duweni pengaruh penting marang pertumbuhan kristal. Ing proses sintesis bubuk, fase sintesis suhu rendah (β-SiC) kanthi struktur kubik sel unit lan fase sintesis suhu dhuwur (α-SiC) kanthi struktur heksagonal sel unit bakal diprodhuksi utamane . Ana akeh bentuk kristal silikon karbida lan sawetara kontrol suhu sing sempit. Contone, 3C-SiC bakal malih dadi polimorf silikon karbida heksagonal, yaiku 4H/6H-SiC, ing suhu ndhuwur 1900°C.
Sajrone proses pertumbuhan kristal tunggal, nalika bubuk β-SiC digunakake kanggo tuwuh kristal, rasio molar silikon-karbon luwih saka 5,5, nalika bubuk α-SiC digunakake kanggo tuwuh kristal, rasio molar silikon-karbon yaiku 1,2. Nalika suhu mundhak, transisi fase dumadi ing crucible. Ing wektu iki, rasio molar ing fase gas dadi luwih gedhe, sing ora kondusif kanggo pertumbuhan kristal. Kajaba iku, rereged fase gas liyane, kalebu karbon, silikon, lan silikon dioksida, gampang diasilake sajrone proses transisi fase. Anane impurities kasebut nyebabake kristal ngasilake microtubes lan void. Mulane, wangun kristal bubuk kudu dikontrol kanthi tepat.
1.3 Pengaruh impurities bubuk ing wutah kristal
Isi impurity ing bubuk SiC mengaruhi nukleasi spontan sajrone pertumbuhan kristal. Sing luwih dhuwur isi impurity, sing kurang kamungkinan kanggo kristal kanggo spontan nucleate. Kanggo SiC, impurities logam utama kalebu B, Al, V, lan Ni, sing bisa dienalake kanthi alat pangolahan sajrone pangolahan bubuk silikon lan bubuk karbon. Antarane, B lan Al minangka impurities akseptor tingkat energi cethek utama ing SiC, nyebabake nyuda resistensi SiC. Kotoran logam liyane bakal ngenalake akeh tingkat energi, nyebabake sifat listrik sing ora stabil saka kristal tunggal SiC ing suhu dhuwur, lan duwe pengaruh sing luwih gedhe ing sifat listrik saka substrat kristal tunggal semi-insulating kemurnian dhuwur, utamane resistivity. Mulane, bubuk silikon karbida kemurnian dhuwur kudu disintesis sabisa.
1.4 Pengaruh isi nitrogen ing bubuk ing wutah kristal
Tingkat isi nitrogen nemtokake resistivitas substrat kristal tunggal. Produsen utama kudu nyetel konsentrasi doping nitrogen ing bahan sintetik miturut proses pertumbuhan kristal diwasa sajrone sintesis bubuk. Substrat kristal tunggal semi-insulating silikon karbida kemurnian tinggi minangka bahan sing paling njanjeni kanggo komponen elektronik inti militer. Kanggo tuwuh substrat kristal tunggal semi-insulating kemurnian dhuwur kanthi resistensi dhuwur lan sifat listrik sing apik, isi nitrogen impurity utama ing substrat kudu dikontrol ing tingkat sing kurang. Substrat kristal tunggal konduktif mbutuhake konten nitrogen kanggo dikontrol kanthi konsentrasi sing relatif dhuwur.
2 Teknologi kontrol tombol kanggo sintesis bubuk
Amarga lingkungan panggunaan substrat silikon karbida sing beda, teknologi sintesis kanggo bubuk wutah uga duwe proses sing beda. Kanggo bubuk pertumbuhan kristal tunggal konduktif N-jinis, kemurnian impurity dhuwur lan fase siji dibutuhake; nalika kanggo bubuk wutah kristal tunggal semi-insulating, kontrol ketat isi nitrogen dibutuhake.
2.1 Kontrol ukuran partikel bubuk
2.1.1 Suhu sintesis
Supaya kondisi proses liyane ora owah, bubuk SiC sing digawe ing suhu sintesis 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, lan 2200 ℃ diconto lan dianalisis. Minangka ditampilake ing Figure 1, bisa katon sing ukuran partikel 250 ~ 600 μm ing 1900 ℃, lan ukuran partikel mundhak kanggo 600 ~ 850 μm ing 2000 ℃, lan ukuran partikel owah-owahan Ngartekno. Nalika suhu terus munggah kanggo 2100 ℃, ukuran partikel bubuk SiC punika 850 ~ 2360 μm, lan Tambah cenderung dadi alus. Ukuran partikel SiC ing 2200 ℃ stabil ing babagan 2360 μm. Tambah ing suhu sintesis saka 1900 ℃ duwe efek positif ing ukuran partikel SiC. Nalika suhu sintesis terus mundhak saka 2100 ℃, ukuran partikel ora owah maneh Ngartekno. Mula, nalika suhu sintesis disetel dadi 2100 ℃, ukuran partikel sing luwih gedhe bisa disintesis kanthi konsumsi energi sing luwih murah.
2.1.2 Wektu sintesis
Kondisi proses liyane tetep ora owah, lan wektu sintesis disetel dadi 4 jam, 8 jam, lan 12 jam. Analisis sampling bubuk SiC sing diasilake ditampilake ing Gambar 2. Ditemokake yen wektu sintesis nduweni pengaruh sing signifikan marang ukuran partikel SiC. Nalika wektu sintesis 4 h, ukuran partikel utamané mbagekke ing 200 μm; nalika wektu sintesis 8 h, ukuran partikel sintetik mundhak Ngartekno, utamané mbagekke ing bab 1 000 μm; minangka wektu sintesis terus kanggo nambah, ukuran partikel mundhak luwih, utamané mbagekke ing bab 2 000 μm.
2.1.3 Pengaruh ukuran partikel bahan baku
Minangka chain produksi bahan silikon domestik wis mboko sithik apik, kemurnian bahan silikon uga luwih apik. Saiki, bahan silikon sing digunakake ing sintesis utamane dipérang dadi silikon granular lan silikon bubuk, kaya sing ditampilake ing Gambar 3.
Bahan mentah silikon sing beda digunakake kanggo nindakake eksperimen sintesis silikon karbida. Perbandingan produk sintetik ditampilake ing Gambar 4. Analisis nuduhake yen nalika nggunakake bahan baku silikon blok, akeh unsur Si sing ana ing produk kasebut. Sawise blok silikon diremuk kaping pindho, unsur Si ing produk sintetik dikurangi sacara signifikan, nanging isih ana. Pungkasan, bubuk silikon digunakake kanggo sintesis, lan mung SiC sing ana ing produk kasebut. Iki amarga ing proses produksi, silikon granular ukuran gedhe kudu ngalami reaksi sintesis permukaan dhisik, lan silikon karbida disintesis ing permukaan, sing nyegah bubuk Si internal supaya ora digabungake karo bubuk C. Mulane, yen pamblokiran silikon digunakake minangka bahan baku, iku perlu ulig lan banjur ngalami proses sintesis secondary kanggo njupuk wêdakakêna silikon karbida kanggo wutah kristal.
2.2 Kontrol wangun kristal bubuk
2.2.1 Pengaruh suhu sintesis
Njaga kahanan proses liyane ora owah, suhu sintesis yaiku 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃, lan 2100 ℃, lan bubuk SiC sing diasilake diconto lan dianalisis. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5, β-SiC kuning bumi, lan α-SiC luwih entheng. Kanthi mirsani werna lan morfologi bubuk sing disintesis, bisa ditemtokake manawa produk sing disintesis yaiku β-SiC ing suhu 1500 ℃ lan 1700 ℃. Ing 1900 ℃, werna dadi luwih entheng, lan partikel heksagonal katon, nuduhake yen sawise suhu munggah kanggo 1900 ℃, transisi phase dumadi, lan bagéan saka β-SiC diowahi dadi α-SiC; nalika suhu terus munggah nganti 2100 ℃, ditemokake yen partikel sing disintesis transparan, lan α-SiC wis diowahi.
2.2.2 Efek wektu sintesis
Kondisi proses liyane tetep ora owah, lan wektu sintesis disetel dadi 4h, 8h, lan 12h, mungguh. Wêdakakêna SiC sing diasilake dijupuk sampel lan dianalisis nganggo difraktometer (XRD). Asil ditampilake ing Gambar 6. Wektu sintesis nduweni pengaruh tartamtu ing produk sing disintesis dening bubuk SiC. Nalika wektu sintesis 4 jam lan 8 jam, produk sintetik utamane 6H-SiC; nalika wektu sintesis 12 h, 15R-SiC katon ing produk.
2.2.3 Pengaruh rasio bahan baku
Proses liyane tetep ora owah, jumlah zat silikon-karbon dianalisis, lan rasio masing-masing yaiku 1,00, 1,05, 1,10 lan 1,15 kanggo eksperimen sintesis. Asil ditampilake ing Gambar 7.
Saka spektrum XRD, bisa dideleng yen rasio silikon-karbon luwih saka 1,05, keluwihan Si katon ing produk, lan nalika rasio silikon-karbon kurang saka 1,05, keluwihan C katon. Nalika rasio silikon-karbon 1,05, karbon bebas ing produk sintetik ing dasare diilangi, lan ora ana silikon gratis sing katon. Mulane, rasio jumlah rasio silikon-karbon kudu 1,05 kanggo sintesis SiC kemurnian dhuwur.
2.3 Kontrol isi nitrogen kurang ing bubuk
2.3.1 Bahan baku sintetik
Bahan baku sing digunakake ing eksperimen iki yaiku bubuk karbon kemurnian dhuwur lan bubuk silikon kemurnian dhuwur kanthi diameter rata-rata 20 μm. Amarga ukuran partikel sing cilik lan area lumahing spesifik sing gedhe, gampang nyerep N2 ing udara. Nalika sintesis bubuk, bakal digawa menyang wangun kristal bubuk. Kanggo wutah saka kristal N-jinis, doping ora rata saka N2 ing wêdakakêna ndadékaké kanggo resistance ora rata saka kristal lan malah owah-owahan ing wangun kristal. Isi nitrogen saka wêdakakêna sing disintesis sawisé hidrogen dienalaké sithik banget. Iki amarga volume molekul hidrogen cilik. Nalika N2 adsorbed ing wêdakakêna karbon lan wêdakakêna silikon wis digawe panas lan decomposed saka lumahing, H2 kanthi diffuses menyang longkangan antarane bubuk karo volume cilik, ngganti posisi N2, lan N2 oncat saka crucible sak proses vakum, nggayuh tujuan mbusak isi nitrogen.
2.3.2 Proses sintesis
Sajrone sintesis bubuk silikon karbida, amarga radius atom karbon lan atom nitrogen padha, nitrogen bakal ngganti lowongan karbon ing silikon karbida, saéngga nambah isi nitrogen. Proses eksperimen iki nganggo cara ngenalake H2, lan H2 bereaksi karo unsur karbon lan silikon ing crucible sintesis kanggo ngasilake gas C2H2, C2H, lan SiH. Isi unsur karbon mundhak liwat transmisi fase gas, saéngga ngurangi lowongan karbon. Tujuan njabut nitrogen wis digayuh.
2.3.3 Proses kontrol isi nitrogen latar mburi
Crucibles grafit kanthi porositas gedhe bisa digunakake minangka sumber C tambahan kanggo nyerep uap Si ing komponen fase gas, ngurangi Si ing komponen fase gas, lan kanthi mangkono nambah C / Si. Ing wektu sing padha, crucibles grafit uga bisa reaksi karo atmosfer Si kanggo generate Si2C, SiC2 lan SiC, kang padha karo atmosfer Si nggawa sumber C saka crucible grafit menyang atmosfer wutah, nambah rasio C, lan uga nambah rasio karbon-silikon. . Mulane, rasio karbon-silikon bisa ditambah kanthi nggunakake crucibles grafit kanthi porositas gedhe, ngurangi kekosongan karbon, lan entuk tujuan mbusak nitrogen.
3 Analisis lan desain proses sintesis bubuk kristal tunggal
3.1 Prinsip lan desain proses sintesis
Liwat sinau lengkap ing ndhuwur-kasebut ing kontrol ukuran partikel, wangun kristal lan isi nitrogen sintesis wêdakakêna, proses sintesis ngajokaken. Wêdakakêna C kemurnian dhuwur lan wêdakakêna Si dipilih, lan dicampur kanthi merata lan dimuat menyang crucible grafit miturut rasio silikon-karbon 1,05. Langkah-langkah proses utamane dipérang dadi patang tahap:
1) Proses denitrifikasi suhu rendah, vakum nganti 5 × 10-4 Pa, banjur ngenalake hidrogen, nggawe tekanan kamar kira-kira 80 kPa, njaga 15 menit, lan diulang kaping papat. Proses iki bisa mbusak unsur nitrogen ing permukaan bubuk karbon lan bubuk silikon.
2) Proses denitrifikasi suhu dhuwur, vacuuming kanggo 5 × 10-4 Pa, banjur dadi panas kanggo 950 ℃, lan banjur ngenalke hidrogen, nggawe meksa kamar bab 80 kPa, ngramut kanggo 15 min, lan mbaleni kaping papat. Proses iki bisa mbusak unsur nitrogen ing lumahing wêdakakêna karbon lan wêdakakêna silikon, lan drive nitrogen ing lapangan panas.
3) Sintesis proses phase suhu kurang, evakuasi kanggo 5 × 10-4 Pa, banjur panas kanggo 1350 ℃, tetep kanggo 12 jam, banjur introduce hidrogen kanggo nggawe meksa kamar bab 80 kPa, tetep kanggo 1 jam. Proses iki bisa mbusak nitrogen volatilized sak proses sintesis.
4) Sintesis proses fase suhu dhuwur, isi karo rasio aliran volume gas tartamtu saka hidrogen kemurnian dhuwur lan gas campuran argon, nggawe tekanan kamar kira-kira 80 kPa, ngunggahake suhu nganti 2100 ℃, tetep nganti 10 jam. Proses iki ngrampungake transformasi bubuk silikon karbida saka β-SiC dadi α-SiC lan ngrampungake pertumbuhan partikel kristal.
Pungkasan, ngenteni suhu kamar nganti suhu kamar, isi tekanan atmosfer, lan copot bubuk.
3.2 Proses pasca-proses bubuk
Sawise wêdakakêna disintesis dening proses ing ndhuwur, kudu diproses sawise mbusak karbon, silikon lan impurities logam liyane lan layar ukuran partikel. Kaping pisanan, bubuk sing disintesis dilebokake ing pabrik bal kanggo ngremukake, lan bubuk karbida silikon sing disigar dilebokake ing tungku muffle lan digawe panas nganti 450 ° C kanthi oksigen. Karbon bebas ing bubuk kasebut dioksidasi kanthi panas kanggo ngasilake gas karbon dioksida sing metu saka kamar, saéngga bisa ngilangi karbon gratis. Sabanjure, cairan pembersih asam disiapake lan dilebokake ing mesin pembersih partikel silikon karbida kanggo ngresiki kanggo mbusak karbon, silikon lan sisa-sisa kotoran logam sing diasilake sajrone proses sintesis. Sawisé iku, asam residual dikumbah ing banyu murni lan garing. Wêdakakêna garing disaring ing layar geter kanggo pilihan ukuran partikel kanggo pertumbuhan kristal.
Wektu kirim: Aug-08-2024