Dina prosés pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, angkutan uap fisik mangrupikeun metode industrialisasi arus utama. Pikeun métode pertumbuhan PVT,bubuk silikon karbidaboga pangaruh hébat kana prosés tumuwuh. Sadaya parameter tinabubuk silikon karbidalangsung mangaruhan kualitas tumuwuhna kristal tunggal jeung sipat listrik. Dina aplikasi industri ayeuna, nu ilahar dipakébubuk silikon karbidaprosés sintésis nyaéta métode sintésis-suhu luhur-propagating diri.
Métode sintésis suhu-suhu anu nyebarkeun diri ngagunakeun suhu anu luhur pikeun masihan panas awal ka réaktan pikeun ngamimitian réaksi kimia, teras nganggo panas réaksi kimiawi sorangan pikeun ngamungkinkeun bahan anu teu diréaksikeun neruskeun ngalengkepan réaksi kimiawi. Tapi, saprak réaksi kimia Si jeung C ngaleupaskeun panas saeutik, réaktan séjén kudu ditambahkeun pikeun ngajaga réaksi. Ku alatan éta, loba sarjana geus diusulkeun hiji ningkat metoda sintésis timer propagating on dasar ieu, ngawanohkeun hiji aktivator. Metodeu panyebaran diri rélatif gampang dilaksanakeun, sareng rupa-rupa parameter sintésis gampang dikontrol sacara stabil. Sintésis skala ageung nyumponan kabutuhan industrialisasi.
Awal taun 1999, Bridgeport nganggo metode sintésis suhu-suhu anu nyebarkeun diri pikeun nyintésis.bubuk SiC, tapi dipaké ethoxysilane jeung résin fénol salaku bahan baku, nu éta ongkosna mahal. Gao Pan sareng anu sanésna nganggo bubuk Si murni sareng bubuk C salaku bahan baku pikeun nyintésisbubuk SiCku réaksi suhu luhur dina atmosfir argon. Ning Lina nyiapkeun partikel badagbubuk SiCku sintésis sekundér.
Tungku pemanasan induksi frekuensi sedeng anu dikembangkeun ku Institut Panaliti Kadua China Electronics Technology Group Corporation merata nyampur bubuk silikon sareng bubuk karbon dina nisbah stoichiometric anu tangtu sareng nempatkeunana dina wadah grafit. Thegrafit crucibledisimpen dina tungku pemanasan induksi frékuénsi sedeng pikeun pemanasan, sareng parobahan suhu dianggo pikeun nyintésis sareng ngarobih fase suhu rendah sareng karbida silikon fase suhu luhur masing-masing. Kusabab suhu réaksi sintésis β-SiC dina fase suhu handap leuwih handap tina suhu volatilization of Si, sintésis β-SiC dina vakum tinggi ogé bisa mastikeun rambatan diri. Métode ngawanohkeun argon, hidrogén jeung gas HCl dina sintésis α-SiC nyegah dékomposisibubuk SiCdina tahap-suhu luhur, sarta bisa éféktif ngurangan eusi nitrogén dina bubuk α-SiC.
Shandong Tianyue dirancang tungku sintésis, ngagunakeun gas silane salaku bahan baku silikon jeung bubuk karbon salaku bahan baku karbon. Jumlah gas bahan baku diwanohkeun ieu disaluyukeun ku metoda sintésis dua-hambalan, sarta ukuran partikel silikon carbide disintésis ahir éta antara 50 jeung 5 000 um.
1 Faktor kontrol prosés sintésis bubuk
1.1 Pangaruh ukuran partikel bubuk dina tumuwuhna kristal
Ukuran partikel bubuk silikon carbide boga pangaruh pohara penting dina tumuwuhna kristal tunggal saterusna. Tumuwuhna kristal tunggal SiC ku metoda PVT utamana dihontal ku cara ngarobah babandingan molar tina silikon jeung karbon dina komponén fase gas, sarta babandingan molar tina silikon jeung karbon dina komponén fase gas ieu patali jeung ukuran partikel bubuk silikon carbide. . Tekanan total sareng babandingan silikon-karbon tina sistem pertumbuhan ningkat ku panurunan ukuran partikel. Nalika ukuran partikel turun tina 2-3 mm ka 0,06 mm, rasio silikon-karbon naek tina 1,3 nepi ka 4,0. Nalika partikel leutik ka extent tangtu, tekanan parsial Si naek, sarta lapisan pilem Si kabentuk dina beungeut kristal tumuwuh, inducing tumuwuhna gas-cair-padet, nu mangaruhan polymorphism nu, defects titik sarta defects garis. dina kristal. Ku alatan éta, ukuran partikel bubuk silikon carbide-purity tinggi kudu dikawasa ogé.
Sajaba ti éta, nalika ukuran partikel bubuk SiC relatif leutik, bubuk decomposes gancang, hasilna tumuwuhna kaleuleuwihan kristal tunggal SiC. Di hiji sisi, dina lingkungan suhu luhur SiC pertumbuhan kristal tunggal, dua prosés sintésis sareng dékomposisi dilaksanakeun sakaligus. bubuk Silicon carbide bakal decompose sarta ngabentuk karbon dina fase gas jeung fase padet kayaning Si, Si2C, SiC2, hasilna carbonization serius bubuk polycrystalline sarta formasi inclusions karbon dina kristal nu; di sisi séjén, nalika laju dékomposisi bubuk relatif gancang, struktur kristal tina tumuwuh SiC kristal tunggal rawan robah, sahingga hésé ngadalikeun kualitas tumuwuh SiC kristal tunggal.
1.2 Pangaruh bentuk kristal bubuk dina tumuwuhna kristal
Tumuwuhna kristal tunggal SiC ku padika PVT nyaéta prosés sublimasi-rékristalisasi dina suhu anu luhur. Bentuk kristal tina bahan baku SiC boga pangaruh penting dina tumuwuhna kristal. Dina prosés sintésis bubuk, fase sintésis suhu rendah (β-SiC) kalayan struktur kubik sél unit sareng fase sintésis suhu luhur (α-SiC) kalayan struktur héksagonal sél unit bakal utamana dihasilkeun. . Aya seueur bentuk kristal silikon karbida sareng rentang kontrol suhu anu sempit. Contona, 3C-SiC bakal ngajanggélék jadi polimorf silikon karbida héksagonal, nyaéta 4H/6H-SiC, dina suhu luhur 1900°C.
Salila prosés tumuwuhna kristal tunggal, nalika bubuk β-SiC dipaké pikeun tumuwuh kristal, babandingan molar silikon-karbon leuwih gede ti 5,5, sedengkeun nalika bubuk α-SiC dipaké pikeun tumuwuh kristal, rasio molar silikon-karbon nyaéta 1,2. Nalika suhu naék, transisi fase lumangsung dina crucible. Dina waktos ieu, rasio molar dina fase gas janten langkung ageung, anu henteu kondusif pikeun kamekaran kristal. Sajaba ti éta, pangotor fase gas séjén, kaasup karbon, silikon, jeung silikon dioksida, gampang dihasilkeun salila prosés transisi fase. Ayana pangotor ieu ngabalukarkeun kristal pikeun breed microtubes jeung voids. Ku alatan éta, bentuk kristal bubuk kudu dikawasa persis.
1.3 Pangaruh pangotor bubuk dina tumuwuhna kristal
Eusi impurity dina bubuk SiC mangaruhan nucleation spontan salila tumuwuhna kristal. Nu leuwih luhur eusi najis, nu kurang kamungkinan kristal pikeun spontaneously nucleate. Pikeun SiC, pangotor logam utama kalebet B, Al, V, sareng Ni, anu tiasa diwanohkeun ku alat pangolahan nalika ngolah bubuk silikon sareng bubuk karbon. Di antawisna, B sareng Al mangrupikeun pangotor akséptor tingkat énergi deet utama dina SiC, nyababkeun panurunan résistansi SiC. Najis logam lianna bakal ngawanohkeun loba tingkat énergi, hasilna sipat listrik teu stabil tina kristal tunggal SiC dina suhu luhur, sarta boga dampak gede dina sipat listrik tina-purity tinggi semi-insulating substrat kristal tunggal, utamana resistivity nu. Ku alatan éta, bubuk silikon carbide-purity tinggi kudu disintésis saloba mungkin.
1.4 Pangaruh eusi nitrogén dina bubuk dina tumuwuhna kristal
Tingkat eusi nitrogén nangtukeun résistansi substrat kristal tunggal. Pabrikan utama kedah nyaluyukeun konsentrasi doping nitrogén dina bahan sintétik dumasar kana prosés pertumbuhan kristal dewasa nalika sintésis bubuk. High-purity semi-insulating silikon carbide substrat kristal tunggal mangrupakeun bahan paling ngajangjikeun pikeun komponén éléktronik inti militér. Pikeun tumuwuh-purity tinggi semi-insulating substrat kristal tunggal kalawan résistansi tinggi jeung sipat listrik alus teuing, eusi nitrogén impurity utama dina substrat kudu dikawasa dina tingkat low. Substrat kristal tunggal konduktif merlukeun eusi nitrogén bisa dikawasa dina konsentrasi rélatif luhur.
2 Téknologi kontrol konci pikeun sintésis bubuk
Alatan lingkungan pamakéan béda substrat silikon carbide, téhnologi sintésis pikeun powders tumuwuhna ogé boga prosés béda. Pikeun bubuk pertumbuhan kristal tunggal conductive N-tipe, purity najis tinggi jeung fase tunggal diperlukeun; Sedengkeun pikeun bubuk pertumbuhan kristal tunggal semi-insulating, kontrol ketat eusi nitrogén anu diperlukeun.
2.1 Kontrol ukuran partikel bubuk
2.1.1 Suhu sintésis
Ngajaga kaayaan prosés séjén unchanged, SiC powders dihasilkeun dina suhu sintésis 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, jeung 2200 ℃ ieu sampel sarta dianalisis. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 1, éta bisa ditempo yén ukuran partikel nyaéta 250 ~ 600 μm dina 1900 ℃, sarta ukuran partikel naek ka 600 ~ 850 μm dina 2000 ℃, sarta ukuran partikel robah sacara signifikan. Lamun hawa terus naek ka 2100 ℃, ukuran partikel bubuk SiC nyaéta 850 ~ 2360 μm, sarta kanaékan condong jadi lemah lembut. Ukuran partikel SiC dina 2200 ℃ stabil dina ngeunaan 2360 μm. Kanaékan suhu sintésis ti 1900 ℃ boga pangaruh positif kana ukuran partikel SiC. Nalika suhu sintésis terus ningkat tina 2100 ℃, ukuran partikel henteu deui robih sacara signifikan. Ku alatan éta, nalika suhu sintésis disetel ka 2100 ℃, ukuran partikel nu leuwih gede bisa disintésis dina konsumsi énérgi handap.
2.1.2 waktos Sintésis
Kaayaan prosés séjén tetep teu robih, sareng waktos sintésis disetel ka 4 jam, 8 jam, sareng 12 jam masing-masing. Analisis sampling bubuk SiC anu dihasilkeun dipidangkeun dina Gambar 2. Kapanggih yén waktos sintésis gaduh pangaruh anu signifikan dina ukuran partikel SiC. Nalika waktos sintésis nyaéta 4 h, ukuran partikel utamana disebarkeun dina 200 μm; lamun waktu sintésis 8 h, ukuran partikel sintétik naek nyata, utamana disebarkeun di ngeunaan 1 000 μm; salaku waktos sintésis terus ningkat, ukuran partikel nambahan salajengna, utamana disebarkeun di ngeunaan 2 000 μm.
2.1.3 Pangaruh ukuran partikel bahan baku
Salaku ranté produksi bahan silikon domestik ieu laun ningkat, purity bahan silikon ogé salajengna ningkat. Ayeuna, bahan silikon anu dianggo dina sintésis utamina dibagi kana silikon granular sareng silikon bubuk, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3.
Bahan baku silikon anu béda digunakeun pikeun ngalaksanakeun percobaan sintésis silikon karbida. Perbandingan produk sintétik dipidangkeun dina Gambar 4. Analisis nunjukkeun yén nalika nganggo bahan baku silikon blok, seueur unsur Si anu aya dina produk. Saatos blok silikon ditumbuk pikeun kadua kalina, unsur Si dina produk sintétik diréduksi sacara signifikan, tapi tetep aya. Tungtungna, bubuk silikon dipaké pikeun sintésis, sarta ngan SiC hadir dina produk. Ieu kusabab dina prosés produksi, silikon granular ukuran badag kudu ngalaman réaksi sintésis permukaan heula, sarta silikon carbide ieu disintésis dina beungeut cai, nu nyegah bubuk Si internal ti salajengna ngagabungkeun jeung bubuk C. Ku alatan éta, lamun blok silikon dipaké salaku bahan baku, éta perlu ditumbuk lajeng subjected kana prosés sintésis sekundér pikeun ménta bubuk silikon carbide pikeun tumuwuh kristal.
2.2 Bubuk kristal formulir kontrol
2.2.1 Pangaruh suhu sintésis
Ngajaga kaayaan prosés séjén unchanged, suhu sintésis nyaéta 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃, sarta 2100 ℃, sarta bubuk SiC dihasilkeun ieu sampel sarta dianalisis. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 5, β-SiC nyaéta konéng earthy, sarta α-SiC warna torek. Ku niténan warna sareng morfologi bubuk anu disintésis, tiasa dipastikeun yén produk anu disintésis nyaéta β-SiC dina suhu 1500 ℃ sareng 1700 ℃. Dina 1900 ℃, warna jadi torek, sarta partikel héksagonal némbongan, nunjukkeun yén sanggeus hawa naék ka 1900 ℃, transisi fase lumangsung, sarta bagian tina β-SiC dirobah jadi α-SiC; nalika hawa terus naek ka 2100 ℃, kapanggih yén partikel disintésis transparan, sarta α-SiC dasarna geus dirobah.
2.2.2 Pangaruh waktu sintésis
Kaayaan prosés séjén tetep teu robih, sareng waktos sintésis disetel ka 4h, 8h, sareng 12h, masing-masing. Bubuk SiC anu dihasilkeun disampel sareng dianalisis ku diffractometer (XRD). Hasilna ditémbongkeun dina Gambar 6. Waktu sintésis boga pangaruh tangtu dina produk disintésis ku bubuk SiC. Nalika waktos sintésis nyaéta 4 jam sareng 8 jam, produk sintétik utamina 6H-SiC; lamun waktu sintésis 12 h, 15R-SiC nembongan dina produk.
2.2.3 Pangaruh babandingan bahan baku
Prosés séjén tetep unchanged, jumlah zat silikon-karbon dianalisis, jeung babandingan masing-masing 1,00, 1,05, 1,10 jeung 1,15 pikeun percobaan sintésis. Hasilna dipidangkeun dina Gambar 7.
Tina spéktrum XRD, éta tiasa katingali yén nalika rasio silikon-karbon langkung ageung tibatan 1,05, kaleuwihan Si muncul dina produk, sareng nalika rasio silikon-karbon kirang ti 1,05, kaleuwihan C muncul. Nalika rasio silikon-karbon nyaéta 1,05, karbon bébas dina produk sintétik dasarna dileungitkeun, sareng teu aya silikon bébas anu muncul. Ku alatan éta, rasio jumlah babandingan silikon-karbon kudu 1,05 mun sintésis-purity tinggi SiC.
2.3 Kontrol eusi nitrogén low dina bubuk
2.3.1 Bahan baku sintétik
Bahan baku anu digunakeun dina percobaan ieu nyaéta bubuk karbon-purity luhur jeung bubuk silikon-purity luhur kalayan diaméter median 20 μm. Alatan ukuran partikel leutik maranéhanana sarta aréa permukaan husus badag, aranjeunna gampang nyerep N2 dina hawa. Nalika nyintésis bubuk, éta bakal dibawa kana bentuk kristal bubuk. Pikeun tumuwuhna kristal N-tipe, doping henteu rata N2 dina bubuk ngabalukarkeun résistansi henteu rata kristal sarta malah parobahan dina bentuk kristal. Eusi nitrogén bubuk disintésis sanggeus hidrogén diwanohkeun nyata low. Ieu kusabab volume molekul hidrogén leutik. Nalika N2 adsorbed dina bubuk karbon jeung bubuk silikon dipanaskeun sarta decomposed tina beungeut cai, H2 diffuses pinuh kana celah antara powders kalawan volume leutik na, ngaganti posisi N2, sarta N2 escapes ti crucible salila prosés vakum, ngahontal tujuan ngaleupaskeun eusi nitrogén.
2.3.2 Prosés sintésis
Salila sintésis bubuk silikon carbide, saprak radius atom karbon jeung atom nitrogén téh sarupa, nitrogén bakal ngaganti vacancies karbon dina silikon carbide, kukituna ngaronjatkeun eusi nitrogén. Prosés ékspérimén ieu ngadopsi métode ngawanohkeun H2, sarta H2 meta jeung unsur karbon jeung silikon dina crucible sintésis ngahasilkeun C2H2, C2H, jeung gas SiH. Eusi unsur karbon naek ngaliwatan transmisi fase gas, kukituna ngurangan lowongan karbon. Tujuan miceun nitrogén kahontal.
2.3.3 Prosés kontrol eusi nitrogén latar tukang
Crucibles grafit kalawan porosity badag bisa dipaké salaku sumber C tambahan pikeun nyerep uap Si dina komponén fase gas, ngurangan Si dina komponén fase gas, sahingga ningkatkeun C / Si. Dina waktu nu sarua, crucibles grafit ogé bisa meta jeung Si atmosfir ngahasilkeun Si2C, SiC2 na SiC, nu sarua jeung Si atmosfir bringing sumber C tina crucible grafit kana atmosfir tumuwuh, ngaronjatkeun rasio C, sarta ogé ngaronjatkeun rasio karbon-silikon. . Ku alatan éta, rasio karbon-silikon bisa ngaronjat ku ngagunakeun crucibles grafit kalawan porosity badag, ngurangan vacancies karbon, sarta achieving tujuan nyoplokkeun nitrogén.
3 Analisis jeung desain prosés sintésis bubuk kristal tunggal
3.1 Prinsip jeung desain prosés sintésis
Ngaliwatan ulikan komprehensif di luhur-disebutkeun dina kadali ukuran partikel, bentuk kristal jeung eusi nitrogén tina sintésis bubuk, prosés sintésis diusulkeun. bubuk C-purity tinggi jeung bubuk Si dipilih, sarta aranjeunna merata dicampurkeun jeung dimuat kana crucible grafit nurutkeun nisbah silikon-karbon 1,05. Léngkah prosés utamana dibagi kana opat tahap:
1) Prosés denitrification-suhu low, vacuuming ka 5 × 10-4 Pa, lajeng ngawanohkeun hidrogén, sahingga tekanan chamber ngeunaan 80 kPa, ngajaga pikeun 15 mnt, sarta repeating opat kali. Proses ieu tiasa ngaleungitkeun unsur nitrogén dina permukaan bubuk karbon sareng bubuk silikon.
2) Prosés denitrification-suhu luhur, vacuuming ka 5 × 10-4 Pa, teras pemanasan nepi ka 950 ℃, lajeng ngawanohkeun hidrogén, sahingga tekanan chamber ngeunaan 80 kPa, ngajaga pikeun 15 mnt, sarta repeating opat kali. Prosés ieu bisa nyabut unsur nitrogén dina beungeut bubuk karbon jeung bubuk silikon, sarta ngajalankeun nitrogén dina widang panas.
3) Sintésis prosés fase suhu low, évakuasi ka 5 × 10-4 Pa, lajeng panas nepi ka 1350 ℃, tetep pikeun 12 jam, lajeng ngenalkeun hidrogén sangkan tekanan chamber ngeunaan 80 kPa, tetep pikeun 1 jam. Prosés ieu bisa nyabut nitrogén volatilized salila prosés sintésis.
4) Sintésis prosés fase suhu luhur, eusian ku rasio aliran volume gas tangtu hidrogén purity tinggi na argon dicampur gas, sangkan tekanan chamber ngeunaan 80 kPa, ngangkat hawa ka 2100 ℃, tetep pikeun 10 jam. Prosés ieu ngalengkepan transformasi bubuk silikon karbida tina β-SiC ka α-SiC sareng ngalengkepan tumuwuhna partikel kristal.
Tungtungna, ngadagoan suhu chamber pikeun niiskeun ka suhu kamar, eusian kana tekanan atmosfir, sarta nyandak kaluar bubuk.
3.2 Prosés pos-prosés bubuk
Saatos bubuk disintésis ku prosés di luhur, éta kedah diolah saatos ngaleupaskeun karbon bébas, silikon sareng pangotor logam sanés sareng layar ukuran partikel. Kahiji, bubuk disintésis disimpen dina ngagiling bal pikeun crushing, sarta bubuk silikon carbide crushed disimpen dina tungku muffle sarta dipanaskeun nepi ka 450 ° C ku oksigén. Karbon bébas dina bubuk ieu dioksidasi ku panas pikeun ngahasilkeun gas karbon dioksida nu escapes ti chamber, sahingga achieving ngaleupaskeun karbon bébas. Salajengna, cairan beberesih asam disiapkeun sareng ditempatkeun dina mesin beberesih partikel silikon karbida pikeun ngabersihkeun ngaleungitkeun karbon, silikon sareng pangotor logam sésa anu dihasilkeun nalika prosés sintésis. Sanggeus éta, asam residual dikumbah dina cai murni tur garing. Bubuk garing disaring dina layar geter pikeun milih ukuran partikel pikeun tumuwuh kristal.
waktos pos: Aug-08-2024