Katika mchakato wa ukuaji wa kioo wa carbide ya silicon, usafiri wa mvuke halisi ni njia kuu ya sasa ya maendeleo ya viwanda. Kwa njia ya ukuaji wa PVT,poda ya siliconina ushawishi mkubwa juu ya mchakato wa ukuaji. Vigezo vyote vyapoda ya siliconkuathiri moja kwa moja ubora wa ukuaji wa kioo moja na mali ya umeme. Katika maombi ya sasa ya viwanda, kawaida kutumikapoda ya siliconmchakato wa usanisi ni njia ya usanisi inayojitangaza ya halijoto ya juu.
Mbinu ya usanisi ya halijoto ya juu inayojitangaza yenyewe hutumia halijoto ya juu ili kutoa vitendanishi joto la awali ili kuanza athari za kemikali, na kisha hutumia joto lake la mmenyuko wa kemikali ili kuruhusu vitu ambavyo havijaathiriwa kuendelea kukamilisha mmenyuko wa kemikali. Hata hivyo, kwa kuwa mmenyuko wa kemikali wa Si na C hutoa joto kidogo, viitikio vingine lazima viongezwe ili kudumisha majibu. Kwa hivyo, wasomi wengi wamependekeza njia iliyoboreshwa ya uenezaji wa kibinafsi kwa msingi huu, wakianzisha kiamsha. Njia ya kujieneza ni rahisi kutekeleza, na vigezo mbalimbali vya awali ni rahisi kudhibiti kwa utulivu. Usanisi wa kiwango kikubwa hukidhi mahitaji ya ukuaji wa viwanda.
Mapema mwaka wa 1999, Bridgeport ilitumia njia ya usanisi ya halijoto ya juu ya kujitangaza ili kusanisi.Poda ya SiC, lakini ilitumia ethoxysilane na resin ya phenol kama malighafi, ambayo ilikuwa ya gharama kubwa. Gao Pan na wengine walitumia poda ya Si ya hali ya juu na poda ya C kama malighafi kusanisiPoda ya SiCkwa mmenyuko wa joto la juu katika anga ya argon. Ning Lina alitayarisha chembe kubwaPoda ya SiCkwa usanisi wa sekondari.
Tanuru ya kupasha joto ya masafa ya wastani iliyotengenezwa na Taasisi ya Pili ya Utafiti ya China Electronics Technology Group Corporation inachanganya sawasawa poda ya silicon na unga wa kaboni katika uwiano fulani wa stoichiometric na kuziweka kwenye crucible ya grafiti. Thecrucible ya grafitihuwekwa katika tanuru ya kupokanzwa kwa uingizaji wa masafa ya kati kwa ajili ya kupokanzwa, na mabadiliko ya joto hutumiwa kuunganisha na kubadilisha awamu ya joto la chini na carbudi ya silicon ya awamu ya juu ya joto kwa mtiririko huo. Kwa kuwa hali ya joto ya mmenyuko wa awali wa β-SiC katika awamu ya joto la chini ni ya chini kuliko joto la tete la Si, awali ya β-SiC chini ya utupu wa juu inaweza kuhakikisha uenezi wa kibinafsi. Njia ya kuanzisha argon, hidrojeni na gesi ya HCl katika awali ya α-SiC inazuia mtengano waPoda ya SiCkatika hatua ya juu-joto, na inaweza kupunguza kwa ufanisi maudhui ya nitrojeni katika poda ya α-SiC.
Shandong Tianyue alibuni tanuru ya usanisi, kwa kutumia gesi ya silane kama malighafi ya silicon na unga wa kaboni kama malighafi ya kaboni. Kiasi cha gesi ya malighafi iliyoletwa ilirekebishwa kwa njia ya usanisi wa hatua mbili, na saizi ya mwisho ya chembe ya silicon carbudi ya sanisi ilikuwa kati ya 50 na 5 000 um.
1 Vipengele vya udhibiti wa mchakato wa usanisi wa poda
1.1 Athari ya ukubwa wa chembe ya poda kwenye ukuaji wa fuwele
Saizi ya chembe ya poda ya silicon ina ushawishi muhimu sana kwenye ukuaji wa fuwele moja unaofuata. Ukuaji wa kioo cha SiC moja kwa njia ya PVT hupatikana hasa kwa kubadilisha uwiano wa molar ya silicon na kaboni katika sehemu ya awamu ya gesi, na uwiano wa molar wa silicon na kaboni katika sehemu ya awamu ya gesi unahusiana na ukubwa wa chembe ya poda ya silicon carbide. . Jumla ya shinikizo na uwiano wa silicon-kaboni wa mfumo wa ukuaji huongezeka kwa kupungua kwa ukubwa wa chembe. Wakati ukubwa wa chembe hupungua kutoka 2-3 mm hadi 0.06 mm, uwiano wa silicon-kaboni huongezeka kutoka 1.3 hadi 4.0. Wakati chembe ni ndogo kwa kiwango fulani, shinikizo la sehemu ya Si huongezeka, na safu ya Si filamu huundwa juu ya uso wa kioo kinachokua, na kusababisha ukuaji wa gesi-kioevu-imara, ambayo huathiri upolimi, kasoro za uhakika na kasoro za mstari. katika kioo. Kwa hiyo, ukubwa wa chembe ya poda ya carbudi ya silicon ya usafi lazima idhibitiwe vizuri.
Kwa kuongeza, wakati ukubwa wa chembe za poda ya SiC ni ndogo, poda hutengana kwa kasi, na kusababisha ukuaji mkubwa wa fuwele za SiC moja. Kwa upande mmoja, katika mazingira ya juu ya joto ya ukuaji wa kioo moja ya SiC, michakato miwili ya awali na mtengano hufanyika wakati huo huo. Poda ya kaboni ya silicon itatengana na kuunda kaboni katika awamu ya gesi na awamu imara kama vile Si, Si2C, SiC2, na kusababisha carbonization kubwa ya poda ya polycrystalline na kuundwa kwa inclusions ya kaboni katika kioo; kwa upande mwingine, wakati kiwango cha mtengano wa poda ni haraka kiasi, muundo wa fuwele wa kioo kimoja cha SiC kilichopandwa huwa na mabadiliko, na kufanya kuwa vigumu kudhibiti ubora wa kioo kimoja cha SiC kilichopandwa.
1.2 Athari ya umbo la fuwele la unga kwenye ukuaji wa fuwele
Ukuaji wa fuwele moja ya SiC kwa mbinu ya PVT ni mchakato wa usablimishaji-recrystallization kwenye joto la juu. Fomu ya kioo ya malighafi ya SiC ina ushawishi muhimu juu ya ukuaji wa kioo. Katika mchakato wa usanisi wa poda, awamu ya awali ya joto la chini (β-SiC) yenye muundo wa ujazo wa seli ya kitengo na awamu ya awali ya joto la juu (α-SiC) yenye muundo wa hexagonal ya seli ya kitengo itazalishwa hasa. . Kuna aina nyingi za fuwele za silicon carbudi na safu nyembamba ya udhibiti wa joto. Kwa mfano, 3C-SiC itabadilika kuwa polymorph ya silicon ya hexagonal, yaani 4H/6H-SiC, katika halijoto ya zaidi ya 1900°C.
Wakati wa mchakato wa ukuaji wa fuwele moja, wakati poda ya β-SiC inatumiwa kukuza fuwele, uwiano wa molar ya silicon-kaboni ni kubwa kuliko 5.5, wakati poda ya α-SiC inapotumiwa kukuza fuwele, uwiano wa molar ya silicon-kaboni ni 1.2. Wakati joto linapoongezeka, mabadiliko ya awamu hutokea kwenye crucible. Kwa wakati huu, uwiano wa molar katika awamu ya gesi inakuwa kubwa, ambayo haifai kwa ukuaji wa kioo. Kwa kuongeza, uchafu mwingine wa awamu ya gesi, ikiwa ni pamoja na kaboni, silicon, na dioksidi ya silicon, hutolewa kwa urahisi wakati wa mchakato wa mpito wa awamu. Uwepo wa uchafu huu husababisha fuwele kuzaliana microtubes na voids. Kwa hiyo, fomu ya kioo ya unga lazima idhibitiwe kwa usahihi.
1.3 Madhara ya uchafu wa poda kwenye ukuaji wa fuwele
Maudhui ya uchafu katika poda ya SiC huathiri nucleation ya hiari wakati wa ukuaji wa kioo. Kadiri uchafu ulivyo juu, ndivyo uwezekano mdogo wa fuwele kujifanya kuwa nukleo. Kwa SiC, uchafu mkuu wa chuma ni pamoja na B, Al, V, na Ni, ambayo inaweza kuletwa na zana za usindikaji wakati wa usindikaji wa poda ya silicon na poda ya kaboni. Miongoni mwao, B na Al ni uchafu kuu wa kukubali kiwango cha nishati katika SiC, na kusababisha kupungua kwa upinzani wa SiC. Uchafu mwingine wa chuma utaanzisha viwango vingi vya nishati, na kusababisha kutokuwa na utulivu wa sifa za umeme za fuwele moja ya SiC kwenye joto la juu, na kuwa na athari kubwa kwenye sifa za umeme za substrates za fuwele za kiwango cha juu cha kuhami nusu, haswa upinzani. Kwa hiyo, poda ya carbudi ya silicon ya usafi wa juu lazima iunganishwe iwezekanavyo.
1.4 Athari ya maudhui ya nitrojeni katika poda kwenye ukuaji wa fuwele
Kiwango cha maudhui ya nitrojeni huamua kupinga kwa substrate moja ya kioo. Wazalishaji wakuu wanahitaji kurekebisha mkusanyiko wa doping ya nitrojeni katika nyenzo ya syntetisk kulingana na mchakato wa ukuaji wa fuwele wakati wa usanisi wa poda. Sehemu ndogo ya fuwele ya silicon ya CARBIDE ya kiwango cha juu ya usafi wa hali ya juu ni nyenzo zinazoahidi zaidi kwa vifaa vya msingi vya elektroniki vya kijeshi. Ili kukuza substrates za kioo zenye ubora wa hali ya juu zenye upinzani wa juu na sifa bora za umeme, maudhui ya nitrojeni kuu ya uchafu katika substrate lazima kudhibitiwa kwa kiwango cha chini. Sehemu ndogo za fuwele zinazopitisha zinahitaji maudhui ya nitrojeni kudhibitiwa katika mkusanyiko wa juu kiasi.
2 Teknolojia muhimu ya kudhibiti kwa usanisi wa poda
Kwa sababu ya mazingira tofauti ya utumiaji wa substrates za silicon carbide, teknolojia ya usanisi ya poda za ukuaji pia ina michakato tofauti. Kwa poda za ukuaji wa fuwele za aina ya N, usafi wa juu wa uchafu na awamu moja inahitajika; ilhali kwa poda za ukuaji wa fuwele za kuhami nusu, udhibiti mkali wa maudhui ya nitrojeni unahitajika.
2.1 Udhibiti wa ukubwa wa chembe ya unga
2.1.1 Joto la awali
Kuweka hali zingine za mchakato bila kubadilika, poda za SiC zinazozalishwa kwa joto la awali la 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, na 2200 ℃ zilichukuliwa sampuli na kuchambuliwa. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1, inaweza kuonekana kuwa ukubwa wa chembe ni 250~600 μm saa 1900 ℃, na ukubwa wa chembe huongezeka hadi 600~850 μm saa 2000 ℃, na ukubwa wa chembe hubadilika sana. Wakati halijoto inaendelea kupanda hadi 2100 ℃, saizi ya chembe ya poda ya SiC ni 850 ~ 2360 μm, na ongezeko huwa la upole. Ukubwa wa chembe ya SiC katika 2200 ℃ ni thabiti karibu 2360 μm. Kuongezeka kwa joto la awali kutoka 1900 ℃ kuna athari chanya kwenye saizi ya chembe ya SiC. Wakati halijoto ya awali inaendelea kuongezeka kutoka 2100 ℃, saizi ya chembe haibadilika tena sana. Kwa hiyo, halijoto ya awali inapowekwa hadi 2100 ℃, saizi kubwa ya chembe inaweza kuunganishwa kwa matumizi ya chini ya nishati.
2.1.2 Muda wa Kuchanganua
Masharti mengine ya mchakato hubakia bila kubadilika, na muda wa usanisi umewekwa kuwa 4 h, 8 h na 12 h mtawalia. Uchambuzi wa sampuli ya poda ya SiC inayozalishwa umeonyeshwa kwenye Mchoro 2. Imeonekana kuwa wakati wa awali una athari kubwa kwa ukubwa wa chembe ya SiC. Wakati wakati wa awali ni 4 h, ukubwa wa chembe husambazwa hasa kwa 200 μm; wakati wakati wa awali ni 8 h, ukubwa wa chembe ya synthetic huongezeka kwa kiasi kikubwa, hasa husambazwa karibu 1 000 μm; kadri muda wa usanisi unavyoendelea kuongezeka, ukubwa wa chembe huongezeka zaidi, hasa husambazwa kwa takriban 2 000 μm.
2.1.3 Ushawishi wa ukubwa wa chembe ya malighafi
Kadiri mnyororo wa uzalishaji wa nyenzo za silicon za ndani unavyoboreshwa hatua kwa hatua, usafi wa vifaa vya silicon pia unaboreshwa zaidi. Kwa sasa, nyenzo za silicon zinazotumiwa katika usanisi zimegawanywa hasa katika silicon ya punjepunje na silikoni ya unga, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3.
Malighafi tofauti za silicon zilitumika kufanya majaribio ya usanisi wa silicon carbudi. Ulinganisho wa bidhaa za synthetic umeonyeshwa kwenye Mchoro 4. Uchambuzi unaonyesha kwamba wakati wa kutumia malighafi ya silicon ya kuzuia, kiasi kikubwa cha vipengele vya Si vipo katika bidhaa. Baada ya kizuizi cha silicon kupondwa kwa mara ya pili, kipengele cha Si katika bidhaa ya synthetic kinapunguzwa kwa kiasi kikubwa, lakini bado kipo. Hatimaye, poda ya silicon hutumiwa kwa awali, na SiC pekee iko katika bidhaa. Hii ni kwa sababu katika mchakato wa uzalishaji, silicon ya ukubwa wa punjepunje inahitaji kufanyiwa kazi ya usanisi wa uso kwanza, na carbudi ya silicon huundwa juu ya uso, ambayo huzuia poda ya Si ya ndani kuunganishwa zaidi na poda ya C. Kwa hivyo, ikiwa silicon ya block inatumiwa kama malighafi, inahitaji kusagwa na kisha kuwekewa mchakato wa usanisi wa pili ili kupata poda ya silicon ya carbudi kwa ukuaji wa fuwele.
2.2 Udhibiti wa fomu ya fuwele ya unga
2.2.1 Ushawishi wa joto la awali
Kudumisha hali zingine za mchakato bila kubadilika, halijoto ya awali ni 1500℃, 1700℃, 1900℃, na 2100℃, na poda ya SiC inayozalishwa huchukuliwa sampuli na kuchambuliwa. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5, β-SiC ni manjano ya udongo, na α-SiC ina rangi nyepesi zaidi. Kwa kuchunguza rangi na mofolojia ya poda iliyosanisishwa, inaweza kubainishwa kuwa bidhaa iliyosanisishwa ni β-SiC katika halijoto ya 1500℃ na 1700℃. Mnamo 1900 ℃, rangi inakuwa nyepesi, na chembe za hexagonal huonekana, kuonyesha kwamba baada ya joto kupanda hadi 1900 ℃, mabadiliko ya awamu hutokea, na sehemu ya β-SiC inabadilishwa kuwa α-SiC; wakati halijoto inaendelea kupanda hadi 2100℃, inagundulika kuwa chembe zilizosanisi ni uwazi, na α-SiC kimsingi imebadilishwa.
2.2.2 Athari ya wakati wa usanisi
Masharti mengine ya mchakato hayajabadilika, na muda wa usanisi umewekwa kuwa 4h, 8h, na 12h, mtawalia. Poda ya SiC inayozalishwa huchukuliwa sampuli na kuchambuliwa na diffractometer (XRD). Matokeo yanaonyeshwa kwenye Mchoro 6. Wakati wa awali una ushawishi fulani kwenye bidhaa iliyounganishwa na poda ya SiC. Wakati wakati wa awali ni 4 h na 8 h, bidhaa ya syntetisk ni hasa 6H-SiC; wakati wakati wa awali ni 12 h, 15R-SiC inaonekana katika bidhaa.
2.2.3 Ushawishi wa uwiano wa malighafi
Michakato mingine bado haijabadilika, kiasi cha vitu vya silicon-kaboni huchambuliwa, na uwiano ni 1.00, 1.05, 1.10 na 1.15 kwa mtiririko huo kwa majaribio ya awali. Matokeo yanaonyeshwa kwenye Mchoro 7.
Kutoka kwa wigo wa XRD, inaweza kuonekana kwamba wakati uwiano wa silicon-kaboni ni mkubwa kuliko 1.05, Si ya ziada inaonekana katika bidhaa, na wakati uwiano wa silicon-kaboni ni chini ya 1.05, ziada ya C inaonekana. Wakati uwiano wa silicon-kaboni ni 1.05, kaboni ya bure katika bidhaa ya synthetic imeondolewa kimsingi, na hakuna silicon ya bure inaonekana. Kwa hiyo, uwiano wa kiasi cha uwiano wa silicon-kaboni unapaswa kuwa 1.05 ili kuunganisha SiC ya juu ya usafi.
2.3 Udhibiti wa kiwango cha chini cha nitrojeni katika unga
2.3.1 Malighafi ya syntetisk
Malighafi iliyotumiwa katika jaribio hili ni poda ya kaboni isiyosafishwa na poda ya silicon ya usafi wa juu na kipenyo cha wastani cha 20 μm. Kwa sababu ya ukubwa wao mdogo wa chembe na eneo kubwa la uso maalum, ni rahisi kunyonya N2 hewani. Wakati wa kuunganisha poda, italetwa katika fomu ya kioo ya poda. Kwa ukuaji wa fuwele za aina ya N, doping isiyo sawa ya N2 katika poda inaongoza kwa upinzani usio na usawa wa kioo na hata mabadiliko katika fomu ya kioo. Maudhui ya nitrojeni ya poda iliyosanisishwa baada ya hidrojeni kuletwa ni ya chini sana. Hii ni kwa sababu kiasi cha molekuli za hidrojeni ni ndogo. Wakati N2 iliyotangazwa kwenye poda ya kaboni na poda ya silicon inapokanzwa na kuharibiwa kutoka kwa uso, H2 huenea kikamilifu kwenye pengo kati ya poda na ujazo wake mdogo, kuchukua nafasi ya N2, na N2 hutoka kwenye crucible wakati wa mchakato wa utupu; kufikia madhumuni ya kuondoa maudhui ya nitrojeni.
2.3.2 Mchakato wa Usanisi
Wakati wa usanisi wa poda ya kaboni ya silicon, kwa kuwa radius ya atomi za kaboni na atomi za nitrojeni ni sawa, nitrojeni itachukua nafasi ya nafasi za kaboni katika carbudi ya silicon, na hivyo kuongeza maudhui ya nitrojeni. Mchakato huu wa majaribio unachukua mbinu ya kutambulisha H2, na H2 humenyuka pamoja na vipengele vya kaboni na silikoni katika usanisi wa kusuluhisha ili kuzalisha gesi za C2H2, C2H, na SiH. Maudhui ya kipengele cha kaboni huongezeka kupitia usambazaji wa awamu ya gesi, na hivyo kupunguza nafasi za kaboni. Madhumuni ya kuondoa nitrojeni hupatikana.
2.3.3 Mchakato wa udhibiti wa maudhui ya nitrojeni usuli
Misuli ya grafiti yenye upenyo mkubwa inaweza kutumika kama vyanzo vya ziada vya C kunyonya mvuke wa Si katika vipengele vya awamu ya gesi, kupunguza Si katika vipengele vya awamu ya gesi, na hivyo kuongeza C/Si. Wakati huo huo, misalaba ya grafiti inaweza pia kuguswa na anga ya Si kutoa Si2C, SiC2 na SiC, ambayo ni sawa na anga ya Si kuleta chanzo cha C kutoka kwa crucible ya grafiti hadi anga ya ukuaji, kuongeza uwiano wa C, na pia kuongeza uwiano wa kaboni-silicon. . Kwa hiyo, uwiano wa kaboni-silicon unaweza kuongezeka kwa kutumia crucibles ya grafiti yenye porosity kubwa, kupunguza nafasi za kaboni, na kufikia madhumuni ya kuondoa nitrojeni.
3 Uchambuzi na muundo wa mchakato wa usanisi wa poda ya fuwele moja
3.1 Kanuni na muundo wa mchakato wa usanisi
Kupitia utafiti wa kina uliotajwa hapo juu juu ya udhibiti wa ukubwa wa chembe, fomu ya kioo na maudhui ya nitrojeni ya usanisi wa poda, mchakato wa usanisi unapendekezwa. Poda ya juu ya usafi wa C na poda ya Si huchaguliwa, na huchanganywa kwa usawa na kupakiwa kwenye crucible ya grafiti kulingana na uwiano wa silicon-kaboni wa 1.05. Hatua za mchakato zimegawanywa katika hatua nne:
1) Mchakato wa denitrification ya joto la chini, utupu hadi 5 × 10-4 Pa, kisha kuanzisha hidrojeni, na kufanya shinikizo la chumba kuhusu 80 kPa, kudumisha kwa dakika 15, na kurudia mara nne. Utaratibu huu unaweza kuondoa vipengele vya nitrojeni kwenye uso wa unga wa kaboni na unga wa silicon.
2) Mchakato wa denitrification ya juu-joto, utupu hadi 5 × 10-4 Pa, kisha inapokanzwa hadi 950 ℃, na kisha kuanzisha hidrojeni, na kufanya shinikizo la chumba kuhusu 80 kPa, kudumisha kwa dakika 15, na kurudia mara nne. Utaratibu huu unaweza kuondoa vipengele vya nitrojeni kwenye uso wa unga wa kaboni na unga wa silicon, na kuendesha nitrojeni kwenye uwanja wa joto.
3) Mchanganyiko wa mchakato wa awamu ya joto la chini, uhamishe hadi 5 × 10-4 Pa, kisha joto hadi 1350 ℃, weka kwa saa 12, kisha anzisha hidrojeni ili kufanya shinikizo la chumba kuhusu 80 kPa, kuweka kwa saa 1. Utaratibu huu unaweza kuondoa nitrojeni iliyovurugika wakati wa mchakato wa usanisi.
4) Awali ya mchakato wa awamu ya joto la juu, kujaza na kiasi fulani cha gesi kiasi kati yake uwiano wa high usafi hidrojeni na argon gesi mchanganyiko, kufanya shinikizo chumba kuhusu 80 kPa, kuongeza joto hadi 2100 ℃, kuweka kwa 10 masaa. Mchakato huu unakamilisha ubadilishaji wa poda ya silicon carbide kutoka β-SiC hadi α-SiC na kukamilisha ukuaji wa chembe za fuwele.
Hatimaye, subiri joto la chumba lipoe hadi joto la kawaida, jaza shinikizo la anga, na uondoe poda.
3.2 Mchakato wa poda baada ya usindikaji
Baada ya poda kuunganishwa na mchakato hapo juu, lazima ifanyike baada ya kusindika ili kuondoa kaboni ya bure, silicon na uchafu mwingine wa chuma na skrini ya ukubwa wa chembe. Kwanza, poda ya synthesized huwekwa kwenye kinu ya mpira kwa kusagwa, na poda ya carbudi ya silicon iliyovunjika huwekwa kwenye tanuru ya muffle na moto hadi 450 ° C na oksijeni. Kaboni ya bure katika poda hutiwa oksidi na joto ili kuzalisha gesi ya kaboni dioksidi ambayo hutoka kwenye chumba, hivyo kufikia kuondolewa kwa kaboni ya bure. Baadaye, kioevu cha kusafisha tindikali hutayarishwa na kuwekwa kwenye mashine ya kusafisha chembe za silicon ya kusafisha ili kuondoa uchafu wa kaboni, silicon na mabaki ya metali yanayotokana wakati wa mchakato wa usanisi. Baada ya hayo, asidi iliyobaki huoshawa katika maji safi na kukaushwa. Poda iliyokaushwa inakaguliwa katika skrini inayotetemeka kwa uteuzi wa saizi ya chembe kwa ukuaji wa fuwele.
Muda wa kutuma: Aug-08-2024