กระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

ในกระบวนการเติบโตของผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ การขนส่งไอทางกายภาพเป็นวิธีอุตสาหกรรมกระแสหลักในปัจจุบัน สำหรับวิธีการเติบโตของ PVTผงซิลิกอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการเติบโต พารามิเตอร์ทั้งหมดของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการเติบโตของผลึกเดี่ยวและคุณสมบัติทางไฟฟ้า ในงานอุตสาหกรรมปัจจุบันที่นิยมใช้กันผงซิลิกอนคาร์ไบด์กระบวนการสังเคราะห์เป็นวิธีการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงที่แพร่กระจายได้เอง
วิธีการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงแพร่กระจายได้เองใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้สารตั้งต้นได้รับความร้อนเริ่มต้นเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมี จากนั้นใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีของตัวเองเพื่อให้สารที่ไม่ทำปฏิกิริยาทำปฏิกิริยาเคมีต่อไปจนสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีของ Si และ C ปล่อยความร้อนน้อยกว่า จึงต้องเติมสารตั้งต้นอื่นๆ เพื่อรักษาปฏิกิริยาเอาไว้ ดังนั้นนักวิชาการหลายคนจึงเสนอวิธีการสังเคราะห์การแพร่กระจายด้วยตนเองที่ได้รับการปรับปรุงบนพื้นฐานนี้ โดยแนะนำตัวกระตุ้น วิธีการเผยแพร่ด้วยตนเองนั้นค่อนข้างใช้งานง่าย และพารามิเตอร์การสังเคราะห์ต่างๆ ก็ควบคุมได้ง่ายและเสถียร การสังเคราะห์ขนาดใหญ่ตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรม

ในช่วงต้นปี 1999 บริดจ์พอร์ตใช้วิธีการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงที่แพร่กระจายได้เองเพื่อสังเคราะห์ผงซีซีแต่ใช้อีทอกซีไซเลนและฟีนอลเรซินเป็นวัตถุดิบซึ่งมีราคาสูง เกาปันและคนอื่นๆ ใช้ผง Si และผง C ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผงซีซีโดยปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศอาร์กอน หนิง ลีน่า เตรียมอนุภาคขนาดใหญ่ผงซีซีโดยการสังเคราะห์ขั้นทุติยภูมิ

เตาให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยแห่งที่สองของบริษัท China Electronics Technology Group Corporation ผสมผงซิลิกอนและผงคาร์บอนอย่างเท่าเทียมกันในอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ที่แน่นอน และวางไว้ในเบ้าหลอมกราไฟท์ ที่เบ้าหลอมกราไฟท์ถูกวางไว้ในเตาทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางเพื่อให้ความร้อน และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะใช้ในการสังเคราะห์และแปลงเฟสอุณหภูมิต่ำและเฟสอุณหภูมิสูงซิลิกอนคาร์ไบด์ตามลำดับ เนื่องจากอุณหภูมิของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ β-SiC ในเฟสอุณหภูมิต่ำต่ำกว่าอุณหภูมิการระเหยของ Si การสังเคราะห์ β-SiC ภายใต้สุญญากาศสูงจึงสามารถรับประกันการแพร่กระจายในตัวเองได้เป็นอย่างดี วิธีการแนะนำก๊าซอาร์กอน ไฮโดรเจน และ HCl ในการสังเคราะห์ α-SiC ช่วยป้องกันการสลายตัวของผงซีซีในช่วงอุณหภูมิสูงและสามารถลดปริมาณไนโตรเจนในผงα-SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มณฑลซานตง Tianyue ออกแบบเตาสังเคราะห์โดยใช้ก๊าซไซเลนเป็นวัตถุดิบซิลิกอนและผงคาร์บอนเป็นวัตถุดิบคาร์บอน ปริมาณก๊าซวัตถุดิบที่นำมาใช้ถูกปรับโดยวิธีการสังเคราะห์สองขั้นตอน และขนาดอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์สังเคราะห์ขั้นสุดท้ายอยู่ระหว่าง 50 ถึง 5,000 um

 

1 ปัจจัยควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ผง

 

1.1 ผลกระทบของขนาดอนุภาคผงต่อการเติบโตของผลึก

ขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลสำคัญมากต่อการเติบโตของผลึกเดี่ยวในเวลาต่อมา การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC โดยวิธี PVT ส่วนใหญ่ทำได้โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนโมลของซิลิคอนและคาร์บอนในส่วนประกอบเฟสก๊าซ และอัตราส่วนโมลของซิลิคอนและคาร์บอนในส่วนประกอบเฟสก๊าซสัมพันธ์กับขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ . ความดันรวมและอัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนของระบบการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นตามขนาดอนุภาคที่ลดลง เมื่อขนาดอนุภาคลดลงจาก 2-3 มม. เป็น 0.06 มม. อัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนจะเพิ่มขึ้นจาก 1.3 เป็น 4.0 เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กในระดับหนึ่ง ความดันบางส่วนของ Si จะเพิ่มขึ้น และชั้นของฟิล์ม Si จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของผลึกที่กำลังเติบโต ทำให้เกิดการเติบโตของก๊าซ-ของเหลว-ของแข็ง ซึ่งส่งผลต่อความหลากหลาย ข้อบกพร่องของจุด และข้อบกพร่องของเส้น ในคริสตัล ดังนั้นขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างดี

นอกจากนี้ เมื่อขนาดของอนุภาคผง SiC ค่อนข้างเล็ก ผงจะสลายตัวเร็วขึ้น ส่งผลให้ผลึกเดี่ยว SiC มีการเจริญเติบโตมากเกินไป ในด้านหนึ่ง ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงของการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC กระบวนการสังเคราะห์และการสลายตัวทั้งสองกระบวนการจะดำเนินการพร้อมกัน ผงซิลิกอนคาร์ไบด์จะสลายตัวและก่อตัวเป็นคาร์บอนในเฟสก๊าซและเฟสของแข็ง เช่น Si, Si2C, SiC2 ส่งผลให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์อย่างรุนแรงของผงโพลีคริสตัลไลน์ และการก่อตัวของการรวมตัวของคาร์บอนในคริสตัล ในทางกลับกัน เมื่ออัตราการสลายตัวของผงค่อนข้างเร็ว โครงสร้างผลึกของผลึกเดี่ยว SiC ที่ปลูกมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลง ทำให้ควบคุมคุณภาพของผลึกเดี่ยว SiC ที่ปลูกได้ยาก

 

1.2 ผลกระทบของรูปแบบผงผลึกต่อการเติบโตของผลึก

การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC โดยวิธี PVT เป็นกระบวนการตกผลึกแบบระเหิดที่อุณหภูมิสูง รูปแบบผลึกของวัตถุดิบ SiC มีอิทธิพลสำคัญต่อการเติบโตของผลึก ในกระบวนการสังเคราะห์ผง เฟสการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ (β-SiC) ที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ของเซลล์หน่วยและเฟสการสังเคราะห์อุณหภูมิสูง (α-SiC) ที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมของเซลล์หน่วยจะถูกสร้างขึ้นเป็นหลัก . มีผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์หลายรูปแบบและมีช่วงการควบคุมอุณหภูมิที่แคบ ตัวอย่างเช่น 3C-SiC จะเปลี่ยนเป็นโพลีมอร์ฟซิลิคอนคาร์ไบด์หกเหลี่ยม เช่น 4H/6H-SiC ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1900°C

ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว เมื่อใช้ผง β-SiC ในการสร้างผลึก อัตราส่วนโมลของซิลิคอน-คาร์บอนจะมากกว่า 5.5 ในขณะที่เมื่อใช้ผง α-SiC ในการสร้างผลึก อัตราส่วนโมลของซิลิคอน-คาร์บอนจะเท่ากับ 1.2 เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้นในถ้วยใส่ตัวอย่าง ในเวลานี้ อัตราส่วนโมลในเฟสก๊าซจะมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการเติบโตของผลึก นอกจากนี้ สิ่งเจือปนในเฟสก๊าซอื่นๆ รวมถึงคาร์บอน ซิลิคอน และซิลิคอนไดออกไซด์ ถูกสร้างขึ้นได้อย่างง่ายดายในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนเฟส การมีอยู่ของสิ่งเจือปนเหล่านี้ทำให้คริสตัลเกิดไมโครทูบและช่องว่าง ดังนั้นจึงต้องควบคุมรูปแบบผลึกผงอย่างแม่นยำ

 

1.3 ผลกระทบของผงเจือปนต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ปริมาณสิ่งเจือปนในผง SiC ส่งผลต่อการเกิดนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก ยิ่งมีปริมาณสารเจือปนสูงเท่าใด คริสตัลก็จะมีโอกาสเกิดนิวเคลียสได้น้อยลงเท่านั้น สำหรับ SiC สิ่งเจือปนของโลหะหลัก ได้แก่ B, Al, V และ Ni ซึ่งอาจเกิดจากเครื่องมือแปรรูปในระหว่างการประมวลผลผงซิลิกอนและผงคาร์บอน ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น B และ Al เป็นสิ่งเจือปนหลักของตัวรับระดับพลังงานตื้นใน SiC ส่งผลให้ความต้านทาน SiC ลดลง สิ่งเจือปนของโลหะอื่นๆ จะทำให้เกิดระดับพลังงานจำนวนมาก ส่งผลให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของผลึกเดี่ยว SiC ที่อุณหภูมิสูงไม่เสถียร และมีผลกระทบมากขึ้นต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของซับสเตรตผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยเฉพาะความต้านทาน ดังนั้นจึงต้องสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้ได้มากที่สุด

 

1.4 ผลของปริมาณไนโตรเจนในผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ระดับปริมาณไนโตรเจนจะกำหนดความต้านทานของซับสเตรตผลึกเดี่ยว ผู้ผลิตรายใหญ่จำเป็นต้องปรับความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนในวัสดุสังเคราะห์ตามกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกที่สมบูรณ์ในระหว่างการสังเคราะห์ผง พื้นผิวผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลักทางการทหาร ในการปลูกซับสเตรตผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงที่มีความต้านทานสูงและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ปริมาณไนโตรเจนเจือปนหลักในซับสเตรตจะต้องได้รับการควบคุมในระดับต่ำ พื้นผิวผลึกเดี่ยวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไนโตรเจนที่ความเข้มข้นที่ค่อนข้างสูง

 

2 เทคโนโลยีควบคุมหลักสำหรับการสังเคราะห์ผง

เนื่องจากสภาพแวดล้อมการใช้งานที่แตกต่างกันของซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ เทคโนโลยีการสังเคราะห์สำหรับการเจริญเติบโตของผงจึงมีกระบวนการที่แตกต่างกัน สำหรับผงการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าชนิด N จำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์ของสิ่งเจือปนสูงและเฟสเดียว ในขณะที่ผงเติบโตผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวน จำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไนโตรเจนอย่างเข้มงวด

 

2.1 การควบคุมขนาดอนุภาคผง

2.1.1 อุณหภูมิการสังเคราะห์

โดยไม่เปลี่ยนแปลงเงื่อนไขอื่นๆ ของกระบวนการ ผง SiC ที่สร้างขึ้นที่อุณหภูมิการสังเคราะห์ 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ และ 2200 ℃ จะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ ดังแสดงในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าขนาดอนุภาคอยู่ที่ 250~600 μm ที่ 1900 ℃ และขนาดอนุภาคจะเพิ่มขึ้นเป็น 600~850 μm ที่ 2000 ℃ และขนาดอนุภาคจะเปลี่ยนไปอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นถึง 2100 ℃ ขนาดอนุภาคของผง SiC จะอยู่ที่ 850~2360 μm และการเพิ่มขึ้นมีแนวโน้มที่จะไม่รุนแรง ขนาดอนุภาคของ SiC ที่ 2200 ℃ มีเสถียรภาพที่ประมาณ 2360 μm การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิการสังเคราะห์จาก 1900 ℃ มีผลเชิงบวกต่อขนาดอนุภาค SiC เมื่ออุณหภูมิการสังเคราะห์ยังคงเพิ่มขึ้นจาก 2100 ℃ ขนาดอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไป ดังนั้น เมื่อตั้งอุณหภูมิการสังเคราะห์ไว้ที่ 2100 ℃ จึงสามารถสังเคราะห์ขนาดอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นได้โดยใช้พลังงานน้อยลง

 

2.1.2 เวลาในการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และเวลาการสังเคราะห์ตั้งไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ การวิเคราะห์ตัวอย่างผง SiC ที่สร้างขึ้นจะแสดงอยู่ในรูปที่ 2 พบว่าเวลาในการสังเคราะห์มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อขนาดอนุภาคของ SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 4 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคจะกระจายเป็นหลักที่ 200 ไมโครเมตร เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 8 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคสังเคราะห์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยส่วนใหญ่จะกระจายที่ประมาณ 1,000 ไมโครเมตร เมื่อเวลาในการสังเคราะห์เพิ่มขึ้น ขนาดอนุภาคก็จะเพิ่มขึ้นอีก โดยส่วนใหญ่จะกระจายอยู่ที่ประมาณ 2,000 ไมโครเมตร

 

2.1.3 อิทธิพลของขนาดอนุภาคของวัตถุดิบ

เนื่องจากห่วงโซ่การผลิตวัสดุซิลิกอนในประเทศได้รับการปรับปรุงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ความบริสุทธิ์ของวัสดุซิลิกอนก็ได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นอีกด้วย ในปัจจุบัน วัสดุซิลิกอนที่ใช้ในการสังเคราะห์ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นซิลิกอนแบบเม็ดและซิลิกอนแบบผง ดังแสดงในรูปที่ 3

มีการใช้วัตถุดิบซิลิกอนที่แตกต่างกันเพื่อทำการทดลองการสังเคราะห์ซิลิกอนคาร์ไบด์ การเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์สังเคราะห์แสดงไว้ในรูปที่ 4 การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้วัตถุดิบซิลิกอนแบบบล็อก จะมีองค์ประกอบ Si จำนวนมากอยู่ในผลิตภัณฑ์ หลังจากที่บล็อกซิลิกอนถูกบดขยี้เป็นครั้งที่สอง องค์ประกอบ Si ในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะลดลงอย่างมาก แต่ยังคงมีอยู่ สุดท้ายจะใช้ผงซิลิกอนในการสังเคราะห์ และมีเพียง SiC เท่านั้นที่มีอยู่ในผลิตภัณฑ์ เนื่องจากในกระบวนการผลิต ซิลิคอนเม็ดขนาดใหญ่จำเป็นต้องผ่านปฏิกิริยาการสังเคราะห์พื้นผิวก่อน และซิลิกอนคาร์ไบด์ถูกสังเคราะห์บนพื้นผิว ซึ่งป้องกันไม่ให้ผง Si ภายในรวมกับผง C ต่อไป ดังนั้นหากใช้บล็อกซิลิคอนเป็นวัตถุดิบ จะต้องบดแล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์รองเพื่อให้ได้ผงซิลิกอนคาร์ไบด์สำหรับการเจริญเติบโตของผลึก

 

2.2 การควบคุมรูปแบบผลึกผง

 

2.2.1 อิทธิพลของอุณหภูมิการสังเคราะห์

การรักษาสภาวะอื่นๆ ของกระบวนการไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิการสังเคราะห์คือ 1500°C, 1700°C, 1900°C และ 2100°C และผง SiC ที่สร้างขึ้นจะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ ดังแสดงในรูปที่ 5 β-SiC มีสีเหลืองเอิร์ธโทน และ α-SiC มีสีอ่อนกว่า จากการสังเกตสีและสัณฐานวิทยาของผงสังเคราะห์ จึงสามารถระบุได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์เป็น β-SiC ที่อุณหภูมิ 1500°C และ 1700°C ที่อุณหภูมิ 1900°C สีจะจางลง และอนุภาคหกเหลี่ยมจะปรากฏขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าหลังจากอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1900°C จะเกิดการเปลี่ยนเฟส และส่วนหนึ่งของ β-SiC จะถูกแปลงเป็น α-SiC เมื่ออุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นถึง 2100°C จะพบว่าอนุภาคที่สังเคราะห์ขึ้นมีความโปร่งใส และโดยพื้นฐานแล้ว α-SiC ได้ถูกแปลงแล้ว

 

2.2.2 ผลของเวลาในการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และเวลาการสังเคราะห์ตั้งไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ ผง SiC ที่สร้างขึ้นจะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์โดยดิฟแฟรกโตมิเตอร์ (XRD) ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 6 เวลาในการสังเคราะห์มีอิทธิพลบางอย่างต่อผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์ด้วยผง SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 4 ชั่วโมงและ 8 ชั่วโมง ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ส่วนใหญ่จะเป็น 6H-SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 12 ชั่วโมง 15R-SiC จะปรากฏขึ้นในผลิตภัณฑ์

 

2.2.3 อิทธิพลของอัตราส่วนวัตถุดิบ

กระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง มีการวิเคราะห์ปริมาณของสารซิลิคอน-คาร์บอน และอัตราส่วนคือ 1.00, 1.05, 1.10 และ 1.15 ตามลำดับสำหรับการทดลองการสังเคราะห์ ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 7

จากสเปกตรัม XRD จะเห็นได้ว่าเมื่ออัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนมากกว่า 1.05 Si ส่วนเกินจะปรากฏในผลิตภัณฑ์ และเมื่ออัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนน้อยกว่า 1.05 C ส่วนเกินจะปรากฏขึ้น เมื่ออัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนเท่ากับ 1.05 โดยทั่วไปคาร์บอนอิสระในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะถูกกำจัดออกไป และไม่มีซิลิคอนอิสระปรากฏขึ้น ดังนั้นอัตราส่วนปริมาณของอัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอนควรเท่ากับ 1.05 เพื่อสังเคราะห์ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

 

2.3 การควบคุมปริมาณไนโตรเจนต่ำในผง

2.3.1 วัตถุดิบสังเคราะห์

วัตถุดิบที่ใช้ในการทดลองนี้คือผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและผงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 20 ไมโครเมตร เนื่องจากอนุภาคมีขนาดเล็กและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ จึงดูดซับ N2 ในอากาศได้ง่าย เมื่อสังเคราะห์ผงแล้วก็จะถูกนำออกมาเป็นผงผลึก สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกประเภท N การเติม N2 ที่ไม่สม่ำเสมอในผงจะทำให้ความต้านทานของคริสตัลไม่สม่ำเสมอและแม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงในรูปของคริสตัล ปริมาณไนโตรเจนของผงสังเคราะห์หลังจากเติมไฮโดรเจนแล้วมีค่าต่ำมาก เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลไฮโดรเจนมีน้อย เมื่อ N2 ที่ถูกดูดซับในผงคาร์บอนและผงซิลิกอนได้รับความร้อนและสลายตัวจากพื้นผิว H2 จะกระจายเข้าไปในช่องว่างระหว่างผงอย่างสมบูรณ์ด้วยปริมาตรที่น้อย แทนที่ตำแหน่งของ N2 และ N2 จะหลุดออกจากเบ้าหลอมในระหว่างกระบวนการสุญญากาศ บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดปริมาณไนโตรเจน

 

2.3.2 กระบวนการสังเคราะห์

ในระหว่างการสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ เนื่องจากรัศมีของอะตอมคาร์บอนและอะตอมไนโตรเจนใกล้เคียงกัน ไนโตรเจนจะเข้ามาแทนที่ตำแหน่งที่ว่างของคาร์บอนในซิลิกอนคาร์ไบด์ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มปริมาณไนโตรเจน กระบวนการทดลองนี้ใช้วิธีการแนะนำ H2 และ H2 ทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบคาร์บอนและซิลิคอนในเบ้าหลอมการสังเคราะห์เพื่อสร้างก๊าซ C2H2, C2H และ SiH ปริมาณองค์ประกอบคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นผ่านการส่งผ่านก๊าซ จึงช่วยลดปริมาณคาร์บอนที่ว่างอยู่ บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจน

 

2.3.3 ดำเนินการควบคุมปริมาณไนโตรเจนในพื้นหลัง

ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์ที่มีความพรุนสูงสามารถใช้เป็นแหล่ง C เพิ่มเติมเพื่อดูดซับไอ Si ในส่วนประกอบเฟสก๊าซ ลด ​​Si ในส่วนประกอบเฟสแก๊ส และเพิ่ม C/Si ในเวลาเดียวกัน ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์ยังสามารถทำปฏิกิริยากับบรรยากาศ Si เพื่อสร้าง Si2C, SiC2 และ SiC ซึ่งเทียบเท่ากับบรรยากาศ Si โดยนำแหล่งกำเนิด C จากถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์เข้าสู่บรรยากาศการเจริญเติบโต เพิ่มอัตราส่วน C และยังเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอน-ซิลิคอนด้วย . ดังนั้น จึงสามารถเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอน-ซิลิคอนได้โดยใช้ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์ที่มีความพรุนสูง ช่วยลดช่องว่างของคาร์บอน และบรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจน

 

3 การวิเคราะห์และออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว

 

3.1 หลักการและการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์

จากการศึกษาที่ครอบคลุมข้างต้นเกี่ยวกับการควบคุมขนาดอนุภาค รูปแบบผลึก และปริมาณไนโตรเจนของการสังเคราะห์ผง จึงมีการนำเสนอกระบวนการสังเคราะห์ เลือกใช้ผง C และผง Si ที่มีความบริสุทธิ์สูง และผสมให้เข้ากันและใส่ลงในเบ้าหลอมกราไฟท์ตามอัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอน 1.05 ขั้นตอนกระบวนการส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน:
1) กระบวนการดีไนตริฟิเคชั่นที่อุณหภูมิต่ำ สุญญากาศที่ 5×10-4 Pa จากนั้นเติมไฮโดรเจน ทำให้ความดันในห้องเพาะเลี้ยงอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำสี่ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิกอนได้
2) กระบวนการดีไนตริฟิเคชั่นที่อุณหภูมิสูง ดูดฝุ่นที่ 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนที่ 950 ℃ จากนั้นจึงแนะนำไฮโดรเจน ทำให้ความดันในห้องเพาะเลี้ยงประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำสี่ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิกอน และขับเคลื่อนไนโตรเจนในสนามความร้อน
3) การสังเคราะห์กระบวนการในเฟสอุณหภูมิต่ำ อพยพไปที่ 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนถึง 1350°C เก็บไว้เป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นจึงแนะนำไฮโดรเจนเพื่อทำให้ห้องมีความดันประมาณ 80 kPa เก็บไว้เป็นเวลา 1 ชั่วโมง กระบวนการนี้สามารถกำจัดไนโตรเจนที่ระเหยออกไปในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ได้
4) การสังเคราะห์กระบวนการในเฟสอุณหภูมิสูง เติมอัตราส่วนการไหลของก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซผสมอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ทำให้ความดันในห้องประมาณ 80 kPa เพิ่มอุณหภูมิเป็น 2100 ℃ เก็บไว้เป็นเวลา 10 ชั่วโมง กระบวนการนี้ทำให้การเปลี่ยนแปลงของผงซิลิกอนคาร์ไบด์จาก β-SiC เป็น α-SiC เสร็จสมบูรณ์ และเสร็จสิ้นการเติบโตของอนุภาคคริสตัล
สุดท้าย รอให้อุณหภูมิห้องเย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง เติมความดันบรรยากาศ แล้วนำผงออกมา

 

3.2 กระบวนการหลังการประมวลผลแบบผง

หลังจากที่ผงถูกสังเคราะห์โดยกระบวนการข้างต้นแล้ว จะต้องผ่านกระบวนการภายหลังเพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิคอน และโลหะเจือปนอื่นๆ ที่ไม่บริสุทธิ์ และคัดกรองขนาดอนุภาค ขั้นแรก ผงสังเคราะห์จะถูกใส่ในโรงสีลูกกลมเพื่อบด และวางผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่บดแล้วไว้ในเตาหลอมและให้ความร้อนที่ 450°C ด้วยออกซิเจน คาร์บอนอิสระในผงจะถูกออกซิไดซ์ด้วยความร้อนเพื่อสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่หลุดออกจากห้อง ทำให้สามารถกำจัดคาร์บอนอิสระออกได้ ต่อจากนั้น ของเหลวทำความสะอาดที่เป็นกรดจะถูกเตรียมและวางลงในเครื่องทำความสะอาดอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์เพื่อทำความสะอาด เพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิคอน และโลหะเจือปนที่ตกค้างซึ่งเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ หลังจากนั้นกรดที่เหลือจะถูกล้างในน้ำบริสุทธิ์และทำให้แห้ง ผงแห้งจะถูกคัดกรองในตะแกรงสั่นเพื่อเลือกขนาดอนุภาคสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก