Pêvajoya senteza toza yek-krîstal a SiC-ya paqijiya bilind

Di pêvajoya mezinbûna karbîd a silicon yek krîstal de, veguheztina vapora laşî rêbaza pîşesazîkirina sereke ya heyî ye. Ji bo rêbaza mezinbûna PVT,toza silicon carbidebandorek mezin li ser pêvajoya mezinbûnê heye. Hemî parametreyêntoza silicon carbiderasterast bandorê li kalîteya mezinbûna yek krîstal û taybetmendiyên elektrîkê dike. Di serîlêdanên pîşesaziyê yên heyî de, bi gelemperî tê bikar anîntoza silicon carbidepêvajoya sentezê rêbaza senteza-germahiya bilind-xwe-belavkirî ye.
Rêbaza senteza-germahiya bilind-xwe-belavkirî germahiya bilind bikar tîne da ku germahiya destpêkê bide reaktantan da ku reaksiyonên kîmyewî dest pê bikin, û dûv re germahiya xweya reaksiyona kîmyewî bikar tîne da ku rê bide maddeyên ku reaksîyon nekiriye berdewam bikin ku reaksiyona kîmyayî temam bikin. Lêbelê, ji ber ku reaksiyona kîmyayî ya Si û C kêmtir germê berdide, divê reaktantên din werin zêdekirin da ku reaksiyonê biparêzin. Ji ber vê yekê, gelek zanyar li ser vê bingehê rêbazek senteza xwe-propagandî ya çêtir pêşniyar kirine, çalakvanek destnîşan dikin. Rêbaza xwe-propagandekirinê bi rêkûpêk hêsan e ku were sepandin, û pîvanên cûrbecûr sentezkirinê hêsan têne kontrol kirin. Senteza mezin hewcedariyên pîşesazîbûnê pêk tîne.

Di destpêka sala 1999-an de, Bridgeport ji bo sentezkirinê rêbaza senteza germahiya bilind-xwe-propagandî bikar anî.Toza SiC, lê ew etoxysilane û rezîla fenolê wekî madeyên xav bikar anî, ku biha bû. Gao Pan û yên din toza Si-ya-paqijiya bilind û toza C wekî madeyên xav ji bo sentezkirinê bikar anînToza SiCbi reaksiyona germahiya bilind di atmosferek argon de. Ning Lina perçeya mezin amade kirToza SiCbi senteza duyemîn.

Sobeya germkirinê ya frekansa navîn a ku ji hêla Enstîtuya Lêkolînê ya Duyemîn a China Electronics Technology Group Corporation ve hatî pêşve xistin bi rengek wekhev toza silicon û toza karbonê di rêjeyek stokyometrîkî de tevlihev dike û wan di nav qurmek grafît de bi cih dike. Ewcrocible grafîtji bo germkirinê di firna germkirina induksiyonê ya frekansa navîn de tê danîn, û guheztina germahiyê bi rêzê ji bo sentezkirin û veguheztina qonaxa germahiya nizm û qonaxa germahiya bilind karbîd silicon tê bikar anîn. Ji ber ku germahiya reaksiyona senteza β-SiC di qonaxa germahiya nizm de ji germahiya sistbûnê ya Si kêmtir e, senteza β-SiC di bin valahiya bilind de dikare xwe-berbelavbûnê baş misoger bike. Rêbaza danasîna gaza argon, hîdrojen û HCl di senteza α-SiC de pêşî li perçebûnaToza SiCdi qonaxa germahiya bilind de, û dikare bi bandor naveroka nîtrojenê di toza α-SiC de kêm bike.

Shandong Tianyue firna sentezê sêwirand, gaza silane wekî madeya xav a silicon û toza karbonê wekî madeya xav a karbonê bikar tîne. Mîqdara gaza madeya xav a ku hatî destnîşan kirin bi rêbazek sentezek du-gavekî hate sererast kirin, û mezinahiya parça karbîdê siliconê ya dawîn a sentezkirî di navbera 50 û 5 000 um de bû.

 

1 Faktorên kontrolkirina pêvajoya senteza tozê

 

1.1 Bandora mezinahiya perçeya tozê li ser mezinbûna krîstal

Mezinahiya perçeya toza karbîd a silicon bandorek pir girîng li ser mezinbûna yek krîstal a paşîn heye. Mezinbûna yek krîstalê SiC bi rêbaza PVT bi piranî bi guheztina rêjeya molar a silicon û karbonê di beşa qonaxa gazê de tê bidestxistin, û rêjeya molar a silicon û karbonê di pêkhateya qonaxa gazê de bi mezinahiya perçeya toza silicon carbide ve girêdayî ye. . Tevahiya zext û rêjeya silicon-karbonê ya pergala mezinbûnê bi kêmbûna mezinahiya perçeyê zêde dibe. Dema ku mezinahiya perçeyê ji 2-3 mm dakeve 0,06 mm, rêjeya silicon-karbonê ji 1,3 ber 4,0 zêde dibe. Dema ku parçik heta radeyekê piçûk bin, zexta beş a Si zêde dibe, û qatek fîlima Si li ser rûyê krîstalê ku mezin dibe çêdibe, mezinbûna gaz-avî-solîn çêdike, ku bandorê li polîmorfîzmê, kêmasiyên xalî û kêmasiyên rêzê dike. di krîstal de. Ji ber vê yekê, mezinahiya perçeya toza karbîdê silicon-paqijiya bilind divê baş were kontrol kirin.

Digel vê yekê, dema ku mezinahiya pariyên toza SiC bi nisbeten piçûk be, toz zûtir diqelişe, ku di encamê de mezinbûna zêde ya krîstalên SiC-ê pir zêde dibe. Ji aliyek ve, di hawîrdora germahiya bilind a mezinbûna yek krîstal a SiC de, du pêvajoyên sentez û hilweşandinê bi hevdemî têne meşandin. Toza karbîd a silicon dê di qonaxa gazê û qonaxa zexm de wekî Si, Si2C, SiC2 hilweşe û karbonê çêbike, di encamê de karbonîzasyona ciddî ya toza polîkrîstalîn çêdibe û di krîstalê de tevlêbûna karbonê çêdibe; ji hêla din ve, dema ku rêjeya hilweşandina tozê bi nisbeten bilez be, strukturên krîstal ên yek-krîstala SiC-ya mezinbûyî mêldarê guheztinê ye, ku kontrolkirina kalîteya yek-krîstala SiC ya mezinbûyî dijwar dike.

 

1.2 Bandora forma krîstalê ya toz li ser mezinbûna krîstal

Mezinbûna yek krîstalê SiC bi rêbaza PVT di germahiya bilind de pêvajoyek sublimasyon-veberhevkirinê ye. Forma krîstal a madeya xav a SiC bandorek girîng li ser mezinbûna krîstal heye. Di pêvajoya senteza tozê de, qonaxa senteza germahiya nizm (β-SiC) bi avahiyek kub a şaneya yekîneyê û qonaxa senteza germahiya bilind (α-SiC) bi avahiyek hexagonal a şaneya yekîneyê dê bi giranî were hilberandin. . Gelek formên krîstal ên karbîd ên silicon û rêzek kontrolkirina germahiya teng hene. Mînakî, 3C-SiC di germahiyên ji 1900°C de dê veguhere polîmorfê karbîd silicon hexagonal, ango 4H/6H-SiC.

Di pêvajoya mezinbûna yek krîstal de, dema ku toza β-SiC ji bo mezinbûna krîstalan tê bikar anîn, rêjeya molarê ya silicon-karbonê ji 5.5 mezintir e, dema ku toza α-SiC ji bo mezinbûna krîstalan tê bikar anîn, rêjeya molar a silicon-karbonê 1.2 e. Dema ku germahî zêde dibe, di kerpîçê de veguheztina qonaxek çêdibe. Di vê demê de, rêjeya molar di qonaxa gazê de mezintir dibe, ku ji bo mezinbûna krîstalê ne. Wekî din, nepakiyên din ên qonaxa gazê, di nav de karbon, silicon, û silicon dioxide, di pêvajoya veguheztina qonaxê de bi hêsanî têne hilberandin. Hebûna van nepakiyan dibe sedem ku krîstal mîkro lûle û valahiyan çêbike. Ji ber vê yekê, forma krîstalê ya toz divê bi rastî were kontrol kirin.

 

1.3 Bandora nepakiyên tozê li ser mezinbûna krîstal

Naveroka nepakiyê ya di toza SiC de di dema mezinbûna krîstal de bandorê li nucleasyona spontan dike. Naveroka nepaqijiyê çiqasî bilindtir be, îhtîmala ku krîstal bi xweber nucle bibe kêm dibe. Ji bo SiC, nepakiyên metal ên sereke B, Al, V, û Ni hene, ku dibe ku ji hêla amûrên pêvajoyê ve di dema hilberandina toza silicon û toza karbonê de were destnîşan kirin. Di nav wan de, B û Al nepaqijiyên sereke yên qebûlkerê asta enerjiyê yên di SiC de ne, ku di encamê de berxwedana SiC kêm dibe. Nepaqijiyên din ên metal dê gelek astên enerjiyê destnîşan bikin, di encamê de taybetmendiyên elektrîkî yên bêserûber ên krîstalên SiC yên di germahiyên bilind de, û bandorek mezintir li ser taybetmendiyên elektrîkî yên substratên yek-krîstal ên nîv-paqijiya bilind, nemaze berxwedêriyê dikin. Ji ber vê yekê, toza karbîdê siliconê ya paqij-paqijî divê bi qasî ku gengaz were sentez kirin.

 

1.4 Bandora naveroka nîtrojenê di tozê de li ser mezinbûna krîstal

Asta naveroka nîtrojenê berxwedana substrata yek krîstal diyar dike. Hilberînerên mezin hewce ne ku di dema senteza tozê de li gorî pêvajoya mezinbûna krîstalê ya gihîştî di materyalê sentetîk de giraniya dopîngê ya nîtrojenê rast bikin. Substratên karbîd ên sîlîkonê yên yek-krîstal ên nîv-paqijiya nîv-însulasyonê ji bo hêmanên elektronîkî yên bingehîn ên leşkerî materyalên herî hêvîdar in. Ji bo mezinbûna binerdeyên yek-krîstal ên nîv-însulasyona bilind-paqijî û bi berxwedaniya bilind û taybetmendiyên elektrîkî yên hêja, pêdivî ye ku naveroka nîtrojena nepakiya sereke ya di binxêzê de di astek nizm de were kontrol kirin. Substratên yek krîstal ên guhezbar hewce dike ku naveroka nîtrojenê bi giraniyek nisbeten bilind were kontrol kirin.

 

2 Teknolojiya kontrolkirina sereke ji bo senteza tozê

Ji ber hawîrdorên cûda yên karanîna substratên karbîd ên silicon, teknolojiya senteza ji bo tozên mezinbûnê jî pêvajoyên cûda hene. Ji bo tozên mezinbûna yek-krîstalê yên birêkûpêk ên tîpa N, paqijiya nepakî ya bilind û yek qonax hewce ne; dema ku ji bo tozên mezinbûna yek krîstal a nîv-îzolekirî, kontrola hişk a naveroka nîtrojenê hewce ye.

 

2.1 Kontrola mezinahiya perçeya toz

2.1.1 Germahiya sentez

Ji ber ku şert û mercên pêvajoyê yên din nayên guhertin, tozên SiC yên ku di germahiyên senteza 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, û 2200 ℃ de hatine çêkirin, hatine ceribandin û analîz kirin. Wekî ku di xêza 1-ê de tê xuyang kirin, meriv dikare were dîtin ku mezinahiya perçeyê li 1900 ℃ 250 ~ 600 μm ye, û mezinahiya perçeyê di 2000 ℃ de 600 ~ 850 μm zêde dibe, û mezinahiya perçeyê pir girîng diguhezîne. Dema ku germahî heya 2100 ℃ zêde dibe, mezinahiya perçeya toza SiC 850 ~ 2360 μm ye, û zêdebûn nerm dibe. Mezinahiya perçeya SiC di 2200 ℃ de li ser 2360 μm stabîl e. Zêdebûna germahiya sentezê ji 1900 ℃ bandorek erênî li ser mezinahiya perçeya SiC dike. Dema ku germahiya sentezê ji 2100 ℃ zêde dibe, mezinahiya parçikê êdî bi girîngî naguhere. Ji ber vê yekê, dema ku germahiya sentezê li 2100 ℃ were danîn, di xerckirina enerjiyê ya hindik de mezinahiya perçeyek mezintir dikare were sentez kirin.

 

2.1.2 Dema senteza

Mercên pêvajoyê yên din nayên guhertin, û dema sentezkirinê bi rêzdarî 4 demjimêr, 8 demjimêr û 12 demjimêran tête danîn. Analîzkirina nimûneya toza SiC ya hatî hilberandin di jimar 2 de tê xuyang kirin. Tê dîtin ku dema sentezkirinê bandorek girîng li ser mezinahiya pariyên SiC heye. Dema ku dema sentezkirinê 4 demjimêr be, mezinahiya perçeyê bi giranî li 200 μm tê belav kirin; dema ku dema sentezkirinê 8 saet be, mezinahiya pariyên sentetîk bi girîngî zêde dibe, bi giranî li ser 1 000 μm belav dibe; her ku dema sentezkirinê her ku diçe zêde dibe, mezinahiya parçikan bêtir zêde dibe, bi giranî li ser 2 000 μm belav dibe.

 

2.1.3 Bandora mezinahiya pariyên madeya xam

Her ku zincîra hilberîna materyalê ya siliconê ya navxweyî hêdî hêdî baştir dibe, paqijiya materyalên silicon jî bêtir çêtir dibe. Heya nuha, materyalên siliconê yên ku di sentezê de têne bikar anîn bi gelemperî li silicon granular û silicon toz têne dabeş kirin, wekî ku di Figure 3 de tê xuyang kirin.

Ji bo ceribandinên senteza silicon carbide madeyên xav ên cihêreng ên silicon hatin bikar anîn. Berawirdkirina berhemên sentetîk di jimar 4 de tê nîşandan. Analîz nîşan dide ku dema ku madeyên xav ên siliconê yên blok bikar tînin, hejmareke mezin ji hêmanên Si di hilberê de hene. Piştî ku bloka silicon ji bo cara duyemîn tê pelçiqandin, hêmana Si di hilbera sentetîk de pir kêm dibe, lê ew hîn jî heye. Di dawiyê de, toza silicon ji bo sentezkirinê tê bikar anîn, û tenê SiC di hilberê de heye. Ev e ji ber ku di pêvajoya hilberînê de, pêdivî ye ku silicona granular-a mezin pêşî reaksiyona senteza rûkalê derbas bike, û karbîdê silicon li ser rûxê tê syntez kirin, ku nahêle ku toza Si-ya hundurîn bi toza C re bêtir tevbigerin. Ji ber vê yekê, heke bloka silicon wekî madeya xav were bikar anîn, pêdivî ye ku ew were pelçiqandin û dûv re jî bikeve pêvajoya senteza duyemîn da ku ji bo mezinbûna krîstal toza karbîdê silicon bistîne.

 

2.2 Kontrola forma krîstalê ya toz

 

2.2.1 Bandora germahiya sentezê

Bi domandina şert û mercên din ên pêvajoyê neguhêrbar, germahiya sentezê 1500℃, 1700℃, 1900℃, û 2100℃ ye, û toza SiC ya hatî hilberandin tê nimûne û analîz kirin. Wekî ku di jimar 5 de tê xuyang kirin, β-SiC zer axê ye, û α-SiC bi rengê siviktir e. Bi çavdêriya reng û morfolojiya toza sentezkirî, meriv dikare were destnîşankirin ku hilbera sentezkirî di germahiyên 1500℃ û 1700℃ de β-SiC e. Di 1900℃ de, reng siviktir dibe, û perçeyên hexagonal xuya dibin, ev nîşan dide ku piştî ku germahî digihîje 1900℃, veguherînek qonaxek çêdibe, û beşek β-SiC vediguhere α-SiC; dema ku germahî heya 2100℃ zêde dibe, tê dîtin ku pariyên sentezkirî şefaf in, û α-SiC bi bingehîn veguherî ye.

 

2.2.2 Bandora dema sentezê

Mercên pêvajoyê yên din nayên guhertin, û dema sentezkirinê bi rêzdarî 4h, 8h, û 12h tête danîn. Toza SiC ya hatî hilberandin ji hêla diffractometer (XRD) ve tête nimûne û analîz kirin. Encam di jimar 6 de têne xuyang kirin. Dema sentezkirinê bandorek diyar li ser hilbera ku bi toza SiC tê sentez kirin heye. Dema ku dema sentezkirinê 4 demjimêr û 8 demjimêr be, hilbera sentetîk bi gelemperî 6H-SiC ye; dema ku dema sentezê 12 saet be, 15R-SiC di hilberê de xuya dike.

 

2.2.3 Bandora rêjeya madeya xav

Pêvajoyên din neguherî dimînin, mîqdara madeyên silicon-karbonê têne analîz kirin, û rêjeyên ji bo ceribandinên sentezê bi rêzê 1,00, 1,05, 1,10 û 1,15 in. Encam di jimar 7 de têne xuyang kirin.

Ji spektra XRD, tê dîtin ku dema ku rêjeya silicon-karbonê ji 1.05 mezintir be, zêde Si di hilberê de xuya dike, û dema ku rêjeya silicon-karbonê ji 1.05 kêmtir be, zêde C xuya dibe. Dema ku rêjeya silicon-karbonê 1,05 be, karbona belaş a di hilbera sentetîk de bi bingehîn ji holê radibe, û siliconek belaş xuya nake. Ji ber vê yekê, rêjeya rêjeya rêjeya silicon-karbonê divê 1.05 be da ku SiC-ya paqijiya bilind were hevber kirin.

 

2.3 Kontrolkirina naveroka nîtrojenê ya kêm di tozê de

2.3.1 Materyalên xav sentetîk

Materyalên xav ên ku di vê ceribandinê de têne bikar anîn, toza karbonê ya paqijiya bilind û toza siliconê ya paqij-paqijî ya bi pîvana navîn 20 μm ne. Ji ber mezinahiya wan ya piçûk û rûbera taybetî ya mezin, ew bi hêsanî N2 di hewayê de digirin. Dema sentezkirina tozê, ew ê were nav forma krîstal a tozê. Ji bo mezinbûna krîstalên tîpa N, dopîngkirina nehevseng a N2 di tozê de dibe sedema berxwedana neyeksan a krîstal û tewra di forma krîstal de jî diguhezîne. Naveroka nîtrojenê ya toza sentezkirî piştî ku hîdrojen tê danîn pir kêm e. Ji ber ku qebareya molekulên hîdrojenê hindik e. Dema ku N2 di toza karbonê û toza siliconê de tê germ kirin û ji rûxê tê hilweşandin, H2 bi qebareya xweya piçûk bi tevahî di nav valahiya di navbera toz de belav dibe, cîhê N2 digire, û N2 di dema pêvajoya valahiya de ji xaçê direve. bidestxistina armanca rakirina naveroka nîtrojenê.

 

2.3.2 Pêvajoya sentezê

Di dema senteza toza karbîd a silicon de, ji ber ku tîrêjê atomên karbonê û atomên nîtrojenê wekhev e, nîtrojen dê şûna valahiyên karbonê di karbîd silicon de bigire, bi vî rengî naveroka nîtrojenê zêde bike. Ev pêvajoya ceribandinê rêbaza danasîna H2 qebûl dike, û H2 bi hêmanên karbon û siliconê re di nav xaxê sentezê de reaksiyonê dike da ku gazên C2H2, C2H û SiH çêbike. Naveroka elementa karbonê bi veguheztina qonaxa gazê zêde dibe, bi vî rengî valahiyên karbonê kêm dike. Armanca rakirina nîtrojenê pêk tê.

 

2.3.3 Kontrola naveroka nîtrojenê ya paşîn a pêvajoyê

Xwarinên grafît ên bi poroziya mezin dikarin wekî çavkaniyên C-yê zêde werin bikar anîn da ku vapora Si-yê di hêmanên qonaxa gazê de bihelînin, Si-yê di pêkhateyên qonaxa gazê de kêm bikin, û bi vî rengî C/Si zêde bikin. Di heman demê de, xetên grafît jî dikarin bi atmosfera Si re reaksiyonê bikin da ku Si2C, SiC2 û SiC hilberînin, ku bi atmosfera Si-yê re wekhev e ku çavkaniya C-yê ji xaça grafîtê tîne nav atmosfera mezinbûnê, rêjeya C zêde dike, û her weha rêjeya karbon-silicon zêde dike. . Ji ber vê yekê, rêjeya karbon-sîlîkonê dikare bi karanîna tîrêjên grafîtê yên bi poroziya mezin, kêmkirina valahiyên karbonê, û bidestxistina armanca rakirina nîtrojenê were zêdekirin.

 

3 Analîz û sêwirana pêvajoya senteza toza yek krîstal

 

3.1 Prensîb û sêwirana pêvajoya sentezê

Bi navgîniya lêkolîna berfireh a jorîn a li ser kontrolkirina mezinahiya perçeyê, forma krîstal û naveroka nîtrojenê ya senteza tozê, pêvajoyek sentezkirinê tê pêşniyar kirin. Toza C-ya bilind-paqijî û toza Si-yê têne hilbijartin, û ew bi rengek wekhev têne tevlihev kirin û li gorî rêjeya silicon-karbonê ya 1.05-ê di nav xaçek grafît de têne barkirin. Pêvajoyên pêvajoyê bi gelemperî li çar qonaxan têne dabeş kirin:
1) Pêvajoya denitrification-germahiya nizm, valahiya 5 × 10-4 Pa, dûv re danasîna hîdrojenê, zexta odeyê bi qasî 80 kPa çêdike, 15 hûrdem dom dike, û çar caran dubare dike. Ev pêvajo dikare hêmanên nîtrojenê yên li ser rûbera toza karbonê û toza silicon jê bibe.
2) Pêvajoya denîtrîfkirina germahiya bilind, valahiya 5 × 10-4 Pa, dûv re germkirina 950 ℃, û dûv re jî hîdrojenê tê danîn, zexta odeyê bi qasî 80 kPa çêdike, 15 hûrdem dom dike, û çar caran dubare dike. Ev pêvajo dikare hêmanên nîtrojenê yên li ser rûbera toza karbonê û toza silicon hilîne, û nîtrojenê di qada germê de bimeşîne.
3) Senteza pêvajoya qonaxa germahiya nizm, 5 × 10-4 Pa vala bikin, dûv re 1350 ℃ germ bikin, 12 demjimêran bihêlin, dûv re hîdrojenê bidin da ku zexta odeyê bi qasî 80 kPa çêbike, 1 demjimêr bihêle. Ev pêvajo dikare nîtrojena ku di dema pêvajoya sentezê de hatî avdan jê bibe.
4) Senteza pêvajoya qonaxa germahiya bilind, bi hin rêjeya herikîna gazê ya hîdrojenê ya paqijiya bilind û gaza tevlihev a argon tije bike, zexta odeyê bi qasî 80 kPa bike, germahiyê heya 2100℃ bilind bike, 10 demjimêran bihêle. Ev pêvajo veguherîna toza silicon carbide ji β-SiC bo α-SiC temam dike û mezinbûna keriyên krîstal temam dike.
Di dawiyê de, li bendê bin ku germahiya odeyê bigihîje germahiya odeyê, bi zexta atmosferê tije bike, û tozê derxe.

 

3.2 Pêvajoya paşîn-pêvajoya powder

Piştî ku toz ji hêla pêvajoya jorîn ve tê sentez kirin, pêdivî ye ku ew paş-pêvajoyek were hilanîn da ku karbon, silicon û nepakiyên metal ên din jê bibe û mezinahiya perçeyê were hilanîn. Pêşîn, toza sentezkirî ji bo perçiqandinê di nav arîşek topê de tê danîn, û toza karbîd a siliconê ya pelçiqandî di firinek muffle de tê danîn û ji hêla oksîjenê ve heya 450 ° C tê germ kirin. Karbona belaş a di tozê de ji hêla germê ve tê oksît kirin da ku gaza karbondîoksîtê ya ku ji jûreyê direve çêbike, bi vî rengî karbona belaş tê derxistin. Dûv re, şilavek paqijkirina asîdî tê amadekirin û ji bo paqijkirinê di makîneyek paqijkirina perçeyên karbîd a silicon de tê danîn da ku karbon, silicon û nepaqijiyên metal ên mayî yên ku di pêvajoya sentezê de têne hilberandin werin rakirin. Piştî wê, asîda bermayî di ava paqij de tê şûştin û hişk dibe. Toza ziwa ji bo bijartina mezinbûna krîstalê di ekranek vibrasyonê de tê pêşandan.