кремний карбид монокристалл өсүү жараянында, физикалык буу транспорт учурдагы негизги өнөр жай ыкмасы болуп саналат. PVT өсүү ыкмасы үчүн,кремний карбид порошокөсүү процессине чоң таасирин тийгизет. Бардык параметрлерикремний карбид порошокмонокристалл өсүү сапатына жана электрдик касиеттерине түздөн-түз таасир этет. Учурдагы өнөр жай колдонмолорунда көбүнчө колдонулаткремний карбид порошоксинтез процесси – бул өзүн-өзү жайылтуучу жогорку температурадагы синтез ыкмасы.
Өзүн-өзү жайылтуучу жогорку температурадагы синтез ыкмасы химиялык реакцияларды баштоо үчүн реагенттерге алгачкы жылуулукту берүү үчүн жогорку температураны колдонот, андан кийин реакцияга кирбеген заттардын химиялык реакцияны аягына чейин улантууга мүмкүндүк берүү үчүн өзүнүн химиялык реакциясынын жылуулугун колдонот. Бирок Si жана C химиялык реакциясы аз жылуулук бөлүп чыгаргандыктан, реакцияны кармап туруу үчүн башка реагенттерди кошуу керек. Ошондуктан, көптөгөн окумуштуулар активаторду киргизүү менен, ушул негизде жакшыртылган өзүн-өзү жайылтуу синтез ыкмасын сунуш кылышкан. Өзүн-өзү жайылтуу ыкмасын ишке ашыруу салыштырмалуу оңой, ал эми синтездин ар кандай параметрлерин туруктуу башкаруу оңой. Ири масштабдагы синтез индустриализациянын керектөөлөрүн канааттандырат.
1999-жылы эле Бриджпорт синтездөө үчүн өзүн-өзү жайылтуучу жогорку температурадагы синтез ыкмасын колдонгон.SiC порошок, бирок чийки зат катары этоксисилан менен фенол чайырын колдонгон, бул кымбатка турду. Гао Пан жана башкалар синтездөө үчүн чийки зат катары жогорку тазалыктагы Si порошок жана С порошок колдонушканSiC порошокаргон атмосферасында жогорку температуралык реакция менен. Нин Лина чоң бөлүкчө даярдаганSiC порошокэкинчилик синтези менен.
China Electronics Technology Group корпорациясынын Экинчи илимий-изилдөө институту тарабынан иштелип чыккан орто жыштыктагы индукциялык жылытуучу меш кремний порошок менен көмүртек порошокун белгилүү стехиометриялык катышта бирдей аралаштырып, графит тигелине салат. Theграфит тигельжылытуу үчүн орто жыштыктагы индукциялык жылытуу мешине жайгаштырылат жана температуранын өзгөрүшү тиешелүүлүгүнө жараша төмөнкү температуралык фазаны жана жогорку температуралуу фазадагы кремний карбидин синтездөө жана өзгөртүү үчүн колдонулат. Төмөн температурадагы фазадагы β-SiC синтез реакциясынын температурасы Siдын учуучу температурасынан төмөн болгондуктан, жогорку вакуумда β-SiC синтези өз алдынча таралышын жакшы камсыздай алат. α-SiC синтезине аргон, суутек жана HCl газын киргизүү ыкмасыSiC порошокжогорку температура стадиясында жана α-SiC порошокундагы азоттун мазмунун натыйжалуу азайта алат.
Shandong Tianyue көмүртек чийки заты катары кремний чийки заты жана көмүртек порошок катары силан газын колдонуп, синтез меши иштелип чыккан. Киргизилген чийки зат газынын көлөмү эки баскычтуу синтез ыкмасы менен жөнгө салынган жана акыркы синтезделген кремний карбидинин бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү 50 жана 5 000 um ортосунда болгон.
1 Порошок синтез процессинин контролдук факторлору
1.1 кристалл өсүшүнө порошок бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүнүн таасири
кремний карбид порошок бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү кийинки монокристалл өсүшүнө абдан маанилүү таасир этет. PVT ыкмасы менен SiC монокристаллынын өсүшү, негизинен, газ фазасынын компонентинде кремний менен көмүртектин молярдык катышын өзгөртүү жолу менен ишке ашат, ал эми газ фазасынын компонентиндеги кремний менен көмүртектин молярдык катышы кремний карбид порошокунун бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү менен байланыштуу. . Өсүү системасынын жалпы басымы жана кремний-көмүртек катышы бөлүкчөлөрдүн өлчөмүнүн азайышы менен көбөйөт. Бөлүкчөлөрдүн өлчөмү 2-3 ммден 0,06 ммге чейин азайганда кремний-көмүртек катышы 1,3төн 4,0гө чейин өсөт. Бөлүкчөлөр белгилүү бир өлчөмдө кичине болгондо, Si парциалдык басымы жогорулап, өсүп жаткан кристаллдын бетинде Si пленкасынын катмары пайда болуп, полиморфизмге, чекиттик кемчиликтерге жана сызык кемтигине таасир этүүчү газ-суюктук-катуу өсүш пайда болот. кристаллда. Ошондуктан, жогорку таза кремний карбид порошок бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү жакшы көзөмөлгө алынышы керек.
Мындан тышкары, SiC порошок бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү салыштырмалуу аз болгондо, порошок тезирээк чирип, SiC монокристаллдарынын ашыкча өсүшүнө алып келет. Бир жагынан, SiC монокристаллынын өсүшүнүн жогорку температуралуу чөйрөсүндө синтез жана ажыроонун эки процесси бир убакта ишке ашырылат. Кремний карбиди порошок ыдырайт жана газ фазасында жана Si, Si2C, SiC2 сыяктуу катуу фазада көмүртек пайда болот, натыйжада поликристаллдык порошоктун олуттуу карбонизациясы жана кристаллда көмүртек кошулмаларынын пайда болушу; экинчи жагынан, порошоктун ажыроо ылдамдыгы салыштырмалуу тез болгондо, өскөн SiC монокристаллынын кристаллдык структурасы өзгөрүүгө жакын болуп, өскөн SiC монокристаллынын сапатын көзөмөлдөөнү кыйындатат.
1.2 Порошок кристалл формасынын кристаллдын өсүшүнө тийгизген таасири
SiC монокристаллынын PVT ыкмасы менен өсүшү жогорку температурада сублимация-рекристализация процесси болуп саналат. SiC чийки заттын кристалл түрү кристаллдын өсүшүнө маанилүү таасир этет. Порошок синтези процессинде негизинен бирдик клетканын куб структурасы менен төмөнкү температурадагы синтез фазасы (β-SiC) жана бирдик клетканын алты бурчтуу түзүлүшү менен жогорку температуралуу синтез фазасы (α-SiC) өндүрүлөт. . Көптөгөн кремний карбидинин кристалл түрлөрү жана тар температураны башкаруу диапазону бар. Мисалы, 3C-SiC 1900°Cден жогору температурада алты бурчтуу кремний карбиди полиморфуна, башкача айтканда 4H/6H-SiCге айланат.
β-SiC порошок кристаллдарды өстүрүү үчүн колдонулган бир кристалл өсүү процессинде кремний-көмүртек молярдык катышы 5,5 жогору, ал эми α-SiC порошок кристаллдарды өстүрүү үчүн колдонулганда кремний-көмүртек молярдык катышы 1,2 болуп саналат. Температура көтөрүлгөндө тигелде фазалык өтүү пайда болот. Бул учурда газ фазасындагы молярдык катыш чоңоёт, бул кристаллдын өсүшүнө шарт түзбөйт. Мындан тышкары, көмүртек, кремний жана кремний диоксиди, анын ичинде башка газ фазалык аралашмалар, жонокой фазалык өтүү процессинде пайда болот. Бул аралашмалардын болушу кристаллда микротюбдердин жана боштуктардын көбөйүшүнө себеп болот. Ошондуктан, порошок кристалл түрү так көзөмөлгө алынышы керек.
1.3 Кристаллдын өсүшүнө порошок аралашмаларынын таасири
SiC порошоктун курамында кристалл өсүү учурунда өзүнөн-өзү нуклеацияга таасир этет. Кошумчалардын курамы канчалык жогору болсо, кристаллдын өзүнөн-өзү ядролук түзүлүшү ошончолук азыраак болот. SiC үчүн негизги металл аралашмаларына B, Al, V жана Ni кирет, алар кремний порошок жана көмүртек порошок иштетүү учурунда кайра иштетүү куралдары менен киргизилиши мүмкүн. Алардын арасында, B жана Al SiC негизги тайыз энергетикалык деңгээл акцептор аралашмалар болуп саналат, натыйжада SiC каршылык төмөндөшүнө алып келет. Башка металл аралашмалары жогорку температурада SiC монокристаллдарынын туруксуз электрдик касиеттерине алып келип, көптөгөн энергетикалык деңгээлдерди киргизет жана жогорку тазалыктагы жарым изоляциялоочу монокристаллдык субстраттардын электрдик касиеттерине, өзгөчө каршылыкка көбүрөөк таасирин тийгизет. Ошондуктан, жогорку таза кремний карбид порошок мүмкүн болушунча синтезделет керек.
1.4 Порошоктун курамындагы азоттун кристаллдын өсүшүнө тийгизген таасири
Азоттун деңгээли монокристаллдык субстраттын каршылыгын аныктайт. Негизги өндүрүүчүлөр порошок синтези учурунда жетилген кристалл өсүү жараянына ылайык синтетикалык материалда азот допинг концентрациясын жөнгө салуу керек. Жогорку тазалыктагы жарым изоляциялоочу кремний карбидинин монокристаллдык субстраттары аскердик негизги электрондук компоненттер үчүн эң келечектүү материалдар болуп саналат. Жогорку каршылыкка жана мыкты электрдик касиеттерге ээ болгон жогорку тазалыктагы жарым изоляциялоочу монокристаллдык субстраттарды өстүрүү үчүн субстраттагы негизги аралашма азоттун курамын төмөнкү деңгээлде көзөмөлдөө керек. Өткөргүч монокристаллдык субстраттар азоттун мазмунун салыштырмалуу жогорку концентрацияда көзөмөлдөөнү талап кылат.
2 Порошок синтези үчүн негизги башкаруу технологиясы
Кремний карбидинин субстраттарын ар кандай колдонуу чөйрөсүнө байланыштуу, өсүү порошоктору үчүн синтез технологиясы да ар кандай процесстерге ээ. N-түрү өткөргүч бир кристалл өсүш порошок үчүн, жогорку ыпластык тазалыгы жана бир фаза талап кылынат; жарым-жартылай изоляциялоочу монокристалл өстүрүүчү порошок үчүн азоттун курамын катуу көзөмөлдөө талап кылынат.
2.1 Порошоктун бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүн көзөмөлдөө
2.1.1 Синтез температурасы
Башка процесс шарттарын өзгөрүүсүз сактап, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ жана 2200 ℃ синтез температурасында пайда болгон SiC порошоктору үлгүлөр алынган жана талданган. 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 1900 ℃ температурада бөлүкчөлөрдүн өлчөмү 250 ~ 600 мкм, ал эми бөлүкчөлөрдүн өлчөмү 2000 ℃де 600 ~ 850 мкм чейин көбөйүп, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү олуттуу өзгөрөрүн көрүүгө болот. Температура 2100 ℃ чейин көтөрүлө бергенде, SiC порошоктун бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү 850 ~ 2360 мкм болуп, көбөйүү жумшак болот. 2200 ℃ боюнча SiC бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү болжол менен 2360 мкм туруктуу. 1900 ℃ синтез температурасынын жогорулашы SiC бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүнө оң таасирин тийгизет. Синтез температурасы 2100 ℃ чейин жогорулай бергенде, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү мындан ары олуттуу өзгөрбөйт. Ошондуктан, синтез температурасы 2100 ℃ коюлганда, чоңураак бөлүкчөлөр азыраак энергия керектөөдө синтезделиши мүмкүн.
2.1.2 Синтез убактысы
Башка процесс шарттары өзгөрүүсүз бойдон калууда жана синтез убактысы тиешелүүлүгүнө жараша 4 саат, 8 саат жана 12 саатка белгиленген. Түзүлгөн SiC порошок үлгүлөрүн алуу анализи 2-сүрөттө көрсөтүлгөн. Ал синтез убактысы SiC бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүнө олуттуу таасир этээри аныкталган. Синтез убактысы 4 саат болгондо, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү негизинен 200 мкм боюнча бөлүштүрүлөт; синтез убактысы 8 саат болгондо, синтетикалык бөлүкчөлөрдүн өлчөмү олуттуу өсөт, негизинен болжол менен 1 000 мкм бөлүштүрүлөт; синтез убактысы көбөйгөн сайын, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү андан ары көбөйөт, негизинен болжол менен 2 000 мкм бөлүштүрүлөт.
2.1.3 Чийки заттын бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүнүн таасири
ата мекендик кремний материалдык өндүрүш чынжыр акырындык менен жакшыртылган сайын, кремний материалдардын тазалыгы дагы жакшыртылат. Азыркы учурда синтезде колдонулган кремний материалдары 3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, негизинен гранулдуу кремний жана порошок кремний болуп бөлүнөт.
Кремний карбидин синтездөө боюнча эксперименттерди жүргүзүү үчүн ар кандай кремний сырьёлору колдонулган. Синтетикалык буюмдарды салыштыруу 4-сүрөттө көрсөтүлгөн. Анализ көрсөткөндөй, блоктук кремний чийки затты колдонууда буюмда Si элементтери көп болот. Кремний блок экинчи жолу майдалангандан кийин, синтетикалык продуктунун Si элементи кыйла азаят, бирок ал дагы эле бар. Акыр-аягы, кремний порошок синтез үчүн колдонулат, бир гана SiC продукт бар. Себеби өндүрүш процессинде ири өлчөмдөгү гранулдуу кремний алгач беттик синтез реакциясынан өтүшү керек, ал эми кремний карбиди бетинде синтезделет, бул ички Si порошокунун С порошок менен андан ары айкалышына жол бербейт. Ошондуктан, эгерде блок кремний чийки зат катары колдонулса, аны майдалап, андан кийин кристаллдын өсүшү үчүн кремний карбиди порошок алуу үчүн экинчилик синтез процессине дуушар болушу керек.
2.2 Порошок кристалл формасын көзөмөлдөө
2.2.1 Синтез температурасынын таасири
Башка процесс шарттарын өзгөртүүсүз сактап, синтездин температурасы 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ жана 2100 ℃ болуп саналат, жана түзүлгөн SiC порошок үлгүлөрү алынат жана талданат. 5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, β-SiC жер сары, ал эми α-SiC ачык түстө. Синтезделген порошоктун түсүнө жана морфологиясына байкоо жүргүзүү менен 1500 ℃ жана 1700 ℃ температурада синтезделген продукт β-SiC экендигин аныктоого болот. 1900℃, түс ачык болуп, алты бурчтуу бөлүкчөлөр пайда болот, бул температура 1900℃ чейин көтөрүлгөндөн кийин фазалык өтүү болуп, β-SiC бир бөлүгү α-SiCге айланганын билдирет; температура 2100 ℃ чейин көтөрүлө бергенде, синтезделген бөлүкчөлөр тунук болуп, α-SiC негизинен айландырылган.
2.2.2 Синтез убактысынын таасири
Башка процесс шарттары өзгөрүүсүз бойдон калууда жана синтез убактысы тиешелүүлүгүнө жараша 4 саат, 8 саат жана 12 саатка белгиленген. Түзүлгөн SiC порошокунан үлгү алынат жана дифрактометр (XRD) менен анализденет. Натыйжалар 6-сүрөттө көрсөтүлгөн. Синтез убактысы SiC порошоку менен синтезделген продуктуга белгилүү бир таасирин тийгизет. Синтездөө убактысы 4 саат жана 8 саат болгондо синтетикалык продукт негизинен 6H-SiC болот; синтез убактысы 12 саат болгондо, продуктта 15R-SiC пайда болот.
2.2.3 Чийки заттын катышынын таасири
Башка процесстер өзгөрүүсүз калат, кремний-көмүртек заттарынын саны талданат жана катышы синтез эксперименттери үчүн тиешелүүлүгүнө жараша 1,00, 1,05, 1,10 жана 1,15ти түзөт. Натыйжалар 7-сүрөттө көрсөтүлгөн.
XRD спектринен кремний-көмүртек катышы 1,05тен жогору болгондо продукцияда ашыкча Si пайда болорун, ал эми кремний-көмүртек катышы 1,05тен аз болгондо ашыкча С пайда болоорун көрүүгө болот. Кремний-көмүртек катышы 1,05 болгондо, синтетикалык продуктудагы эркин көмүр негизинен жок кылынат жана эркин кремний пайда болбойт. Демек, жогорку тазалыктагы SiC синтездөө үчүн кремний-көмүртек катышынын суммалык катышы 1,05 болушу керек.
2.3 Порошоктогу азоттун аз болушун көзөмөлдөө
2.3.1 Синтетикалык чийки заттар
Бул экспериментте колдонулган чийки зат жогорку таза көмүр порошок жана 20 мкм орточо диаметри менен жогорку тазалыктагы кремний порошок болуп саналат. Кичинекей бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана чоң спецификалык беттик аянты болгондуктан, алар абада N2 ны сиңирип алуу оңой. Порошокту синтездөөдө ал порошоктун кристаллдык формасына келтирилет. N-типтеги кристаллдардын өсүшү үчүн порошоктогу N2 бир калыпта эмес допинг кристаллдын бирдей эмес каршылыгына алып келет жана ал тургай кристалл формасынын өзгөрүшүнө алып келет. Суутек киргизилгенден кийин синтезделген порошоктун азотунун курамы бир топ төмөн. Себеби суутек молекулаларынын көлөмү аз. Көмүртек порошокуна жана кремний порошокуна адсорбцияланган N2 ысытылганда жана бетинен чиригенде, H2 аз көлөмү менен порошоктун ортосундагы боштукка толук таралып, N2 ордун алмаштырат, ал эми N2 вакуум процессинде тигельден чыгып кетет. азоттун курамын жок кылуу максатына жетүү.
2.3.2 Синтез процесси
Кремний карбиди порошок синтези учурунда, көмүртек атомдору менен азот атомдорунун радиусу окшош болгондуктан, азот кремний карбидиндеги көмүртек боштуктарын алмаштырат, ошону менен азоттун курамын көбөйтөт. Бул эксперименталдык процесс H2 киргизүү ыкмасын кабыл алат жана H2 синтез тигелиндеги көмүртек жана кремний элементтери менен реакцияга кирип, C2H2, C2H жана SiH газдарын пайда кылат. Көмүртек элементинин мазмуну газ фазасын өткөрүү аркылуу көбөйөт, ошону менен көмүртек боштуктарын азайтат. азотту жок кылуу максатына жетишилди.
2.3.3 Процесстин фонунда азоттун курамын көзөмөлдөө
Газ фазасынын компоненттеринде Si буусун сиңирүү, газ фазасынын компоненттеринде Siды азайтуу жана ошентип C/Si көбөйтүү үчүн кошумча С булагы катары чоң көзөнөктүү графит тигелдери колдонулушу мүмкүн. Ошол эле учурда графит тигелдери Si атмосферасы менен реакцияга кирип, Si2C, SiC2 жана SiC түзө алат, бул Si атмосферасына барабар, С булагын графит тигелинен өсүү атмосферасына алып келип, С катышын жогорулатат, ошондой эле көмүртек-кремний катышын жогорулатат. . Демек, көмүртек-кремний катышы чоң көзөнөктүү графит тигельдерди колдонуу, көмүртек боштуктарын азайтуу жана азотту жок кылуу максатына жетүү аркылуу көбөйтүлүшү мүмкүн.
3 Монокристаллдык порошок синтез процессин талдоо жана долбоорлоо
3.1 Синтез процессинин принциби жана конструкциясы
Порошок синтезинин бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүн, кристалл формасын жана азоттун курамын көзөмөлдөө боюнча жогоруда аталган комплекстүү изилдөө аркылуу синтез процесси сунушталат. Жогорку тазалыктагы С порошок жана Si порошок тандалып алынат, алар бирдей аралаштырылат жана кремний-көмүртек катышы 1,05 боюнча графит тигелге жүктөлөт. Процесстин этаптары негизинен төрт этапка бөлүнөт:
1) Төмөн температурадагы денитрификация процесси, 5×10-4 Па чейин вакуумдоо, андан кийин суутекти киргизүү, камеранын басымын 80 кПа кылып, 15 мүнөт кармап, төрт жолу кайталоо. Бул процесс көмүртек порошок жана кремний порошок бетиндеги азот элементтерин жок кыла алат.
2) Жогорку температурадагы денитрификация процесси, 5 × 10-4 Па чейин вакуумдоо, андан кийин 950 ℃ га чейин ысытуу, андан кийин суутек киргизүү, камеранын басымын 80 кПа кылып, 15 мүнөт кармап, төрт жолу кайталоо. Бул жараян көмүртек порошок жана кремний порошок бетинде азот элементтерин жок кыла алат, жана жылуулук талаасында азот кууп.
3) Төмөн температурадагы фаза процессинин синтези, 5×10-4 Па чейин эвакуациялоо, андан кийин 1350 ℃ чейин ысытуу, 12 саат кармап туруу, андан кийин камеранын басымы 80 кПа болушу үчүн суутек киргизүү, 1 саатка сактоо. Бул процесс синтез процессинде учкан азотту жок кыла алат.
4) Жогорку температурадагы фаза процессинин синтези, жогорку тазалыктагы суутек жана аргон аралаш газдын белгилүү бир газ көлөмүнүн агымынын катышы менен толтуруңуз, камеранын басымын болжол менен 80 кПа кылып, температураны 2100 ℃ чейин көтөрүңүз, 10 саат кармаңыз. Бул процесс кремний карбиди порошокунун β-SiCден α-SiCге айланышын аяктайт жана кристалл бөлүкчөлөрүнүн өсүшүн аяктайт.
Акырында, камеранын температурасы бөлмө температурасына чейин муздаганча күтүп, атмосфералык басымга чейин толтуруңуз жана порошокту чыгарыңыз.
3.2 Порошокту кайра иштетүү процесси
Порошок жогоруда айтылган процесс менен синтезделгенден кийин, эркин көмүртек, кремний жана башка металл аралашмаларын алып салуу жана бөлүкчөлөрдүн өлчөмүн экрандан өткөрүү үчүн кайра иштетилиши керек. Биринчиден, синтезделген порошок майдалоо үчүн шариктүү тегирменге салынат, ал эми майдаланган кремний карбиди порошок муфель мешине салынып, кычкылтек менен 450°С чейин ысытылат. Порошоктун курамындагы эркин көмүртек жылуулук менен кычкылданат жана камерадан чыккан көмүр кычкыл газын пайда кылат, ошентип эркин көмүртектин чыгарылышына жетишет. Андан кийин кислоталуу тазалоочу суюктук даярдалат жана синтез процессинде пайда болгон көмүртек, кремний жана металл калдыктарын тазалоо үчүн тазалоо үчүн кремний карбидинин бөлүкчөлөрүн тазалоочу машинага салынат. Андан кийин калдык кислота таза сууга жууп, кургатылат. Кургатылган порошок кристаллдын өсүшү үчүн бөлүкчөлөрдүн өлчөмүн тандоо үчүн титирөө экранында текшерилет.
Посттун убактысы: 08-август-2024