Sa proseso sa pagtubo sa single crystal nga silicon carbide, ang pisikal nga transportasyon sa alisngaw mao ang kasamtangang pangunang pamaagi sa industriyalisasyon. Para sa pamaagi sa pagtubo sa PVT,pulbos nga silicon carbidedako ang impluwensya sa proseso sa pagtubo. Ang tanang parametro sapulbos nga silicon carbidedirektang makaapekto sa kalidad sa pagtubo sa single crystal ug mga kabtangan sa kuryente. Sa kasamtangang mga aplikasyon sa industriya, ang kasagarang gigamitpulbos nga silicon carbideAng proseso sa sintesis mao ang pamaagi sa sintesis nga mokaylap sa kaugalingon sa taas nga temperatura.
Ang self-propagating high-temperature synthesis method naggamit ug taas nga temperatura aron mahatagan ang mga reactant ug inisyal nga kainit aron magsugod ang mga kemikal nga reaksyon, ug dayon mogamit sa kaugalingon nga kainit sa kemikal nga reaksyon aron tugotan ang mga wala ma-react nga substansiya nga magpadayon sa pagkompleto sa kemikal nga reaksyon. Bisan pa, tungod kay ang kemikal nga reaksyon sa Si ug C mopagawas ug gamay nga kainit, ang ubang mga reactant kinahanglan nga idugang aron mapadayon ang reaksyon. Busa, daghang mga eskolar ang nagsugyot ug usa ka gipauswag nga self-propagating synthesis method base niini, nga nagpaila sa usa ka activator. Ang self-propagating method medyo sayon ipatuman, ug ang lainlaing mga parameter sa synthesis dali nga makontrol nga lig-on. Ang dako nga synthesis makatubag sa mga panginahanglan sa industriyalisasyon.
Sayo pa niadtong 1999, gigamit sa Bridgeport ang self-propagating high-temperature synthesis method aron sa pag-synthesize.Pulbos nga SiC, apan migamit kini og ethoxysilane ug phenol resin isip hilaw nga materyales, nga mahal. Si Gao Pan ug ang uban migamit og high-purity Si powder ug C powder isip hilaw nga materyales aron sa pag-synthesize.Pulbos nga SiCpinaagi sa taas nga temperatura nga reaksyon sa atmospera sa argon. Giandam ni Ning Lina ang dagkong partikuloPulbos nga SiCpinaagi sa sekondaryang sintesis.
Ang medium-frequency induction heating furnace nga gihimo sa Second Research Institute sa China Electronics Technology Group Corporation parehas nga nagsagol sa silicon powder ug carbon powder sa usa ka piho nga stoichiometric ratio ug gibutang kini sa usa ka graphite crucible.tunawan sa grapaytgibutang sa medium-frequency induction heating furnace para sa pagpainit, ug ang pag-usab sa temperatura gigamit sa pag-synthesize ug pag-transform sa low-temperature phase ug high-temperature phase silicon carbide matag usa. Tungod kay ang temperatura sa β-SiC synthesis reaction sa low-temperature phase mas ubos kay sa volatilization temperature sa Si, ang synthesis sa β-SiC ubos sa high vacuum makasiguro sa self-propagation. Ang pamaagi sa pagpaila sa argon, hydrogen ug HCl gas sa synthesis sa α-SiC makapugong sa pagkadunot saPulbos nga SiCsa yugto sa taas nga temperatura, ug epektibo nga makapakunhod sa sulud nga nitroheno sa α-SiC nga pulbos.
Ang Shandong Tianyue nagdisenyo og synthesis furnace, gamit ang silane gas isip silicon raw material ug carbon powder isip carbon raw material. Ang gidaghanon sa raw material gas nga gipaila gi-adjust pinaagi sa two-step synthesis method, ug ang katapusang gidak-on sa synthesized silicon carbide particle kay tali sa 50 ug 5,000 um.
1 Mga hinungdan sa pagkontrol sa proseso sa sintesis sa pulbos
1.1 Epekto sa gidak-on sa partikulo sa pulbos sa pagtubo sa kristal
Ang gidak-on sa partikulo sa silicon carbide powder adunay dakong impluwensya sa sunod nga pagtubo sa single crystal. Ang pagtubo sa SiC single crystal pinaagi sa PVT nga pamaagi nakab-ot pinaagi sa pag-usab sa molar ratio sa silicon ug carbon sa gas phase component, ug ang molar ratio sa silicon ug carbon sa gas phase component may kalabutan sa gidak-on sa partikulo sa silicon carbide powder. Ang total pressure ug silicon-carbon ratio sa growth system motaas uban sa pagkunhod sa gidak-on sa partikulo. Kung ang gidak-on sa partikulo mokunhod gikan sa 2-3 mm ngadto sa 0.06 mm, ang silicon-carbon ratio motaas gikan sa 1.3 ngadto sa 4.0. Kung ang mga partikulo gamay ra sa usa ka sukod, ang Si partial pressure motaas, ug usa ka layer sa Si film ang maporma sa ibabaw sa nagtubo nga kristal, nga moaghat sa gas-liquid-solid nga pagtubo, nga makaapekto sa polymorphism, point defects ug line defects sa kristal. Busa, ang gidak-on sa partikulo sa high-purity silicon carbide powder kinahanglan nga kontrolado pag-ayo.
Dugang pa, kon ang gidak-on sa mga partikulo sa SiC powder medyo gamay, ang powder mas paspas nga madugta, nga moresulta sa sobra nga pagtubo sa SiC single crystals. Sa usa ka bahin, sa taas nga temperatura nga palibot sa pagtubo sa SiC single crystal, ang duha ka proseso sa synthesis ug decomposition gihimo sa samang higayon. Ang silicon carbide powder madugta ug maporma ang carbon sa gas phase ug solid phase sama sa Si, Si2C, SiC2, nga moresulta sa grabe nga carbonization sa polycrystalline powder ug ang pagporma sa carbon inclusions sa kristal; sa laing bahin, kon ang decomposition rate sa powder medyo paspas, ang crystal structure sa gipatubo nga SiC single crystal dali nga mausab, nga maglisod sa pagkontrol sa kalidad sa gipatubo nga SiC single crystal.
1.2 Epekto sa porma sa kristal nga pulbos sa pagtubo sa kristal
Ang pagtubo sa SiC single crystal pinaagi sa PVT method usa ka proseso sa sublimation-recrystallization sa taas nga temperatura. Ang kristal nga porma sa hilaw nga materyal nga SiC adunay hinungdanon nga impluwensya sa pagtubo sa kristal. Sa proseso sa powder synthesis, ang low-temperature synthesis phase (β-SiC) nga adunay cubic structure sa unit cell ug ang high-temperature synthesis phase (α-SiC) nga adunay hexagonal structure sa unit cell ang panguna nga maprodyus. Daghang silicon carbide crystal forms ug pig-ot nga temperature control range. Pananglitan, ang 3C-SiC mausab ngadto sa hexagonal silicon carbide polymorph, ie 4H/6H-SiC, sa temperatura nga labaw sa 1900°C.
Atol sa proseso sa pagtubo sa single crystal, kung ang β-SiC powder gamiton sa pagpatubo sa mga kristal, ang silicon-carbon molar ratio mas dako kay sa 5.5, samtang kung ang α-SiC powder gamiton sa pagpatubo sa mga kristal, ang silicon-carbon molar ratio kay 1.2. Kung motaas ang temperatura, mahitabo ang phase transition sa crucible. Niining panahona, ang molar ratio sa gas phase modako, nga dili makatabang sa pagtubo sa kristal. Dugang pa, ang ubang mga hugaw sa gas phase, lakip ang carbon, silicon, ug silicon dioxide, dali nga mamugna atol sa proseso sa phase transition. Ang presensya niining mga hugaw hinungdan sa pagpanganak sa kristal og mga microtube ug voids. Busa, ang porma sa powder crystal kinahanglan nga tukma nga makontrol.
1.3 Epekto sa mga hugaw sa pulbos sa pagtubo sa kristal
Ang impurity content sa SiC powder makaapekto sa spontaneous nucleation atol sa pagtubo sa kristal. Kon mas taas ang impurity content, mas gamay ang posibilidad nga ang kristal mo-nucleate og spontaneously. Para sa SiC, ang mga nag-unang impurities sa metal naglakip sa B, Al, V, ug Ni, nga mahimong ipaila sa mga processing tool atol sa pagproseso sa silicon powder ug carbon powder. Lakip niini, ang B ug Al mao ang mga nag-unang impurities sa pagdawat sa shallow energy level sa SiC, nga moresulta sa pagkunhod sa SiC resistivity. Ang ubang mga impurities sa metal magpaila sa daghang energy level, nga moresulta sa dili lig-on nga electrical properties sa SiC single crystals sa taas nga temperatura, ug adunay mas dako nga epekto sa electrical properties sa high-purity semi-insulating single crystal substrates, labi na ang resistivity. Busa, ang high-purity silicon carbide powder kinahanglan nga i-synthesize kutob sa mahimo.
1.4 Epekto sa nitroheno sa pulbos sa pagtubo sa kristal
Ang lebel sa nitroheno nga sulod ang nagtino sa resistivity sa single crystal substrate. Kinahanglan nga i-adjust sa mga dagkong tiggama ang konsentrasyon sa nitrogen doping sa sintetikong materyal sumala sa proseso sa pagtubo sa hamtong nga kristal atol sa powder synthesis. Ang high-purity semi-insulating silicon carbide single crystal substrates mao ang labing maayong materyales para sa mga military core electronic components. Aron makapatubo og high-purity semi-insulating single crystal substrates nga adunay taas nga resistivity ug maayo kaayong electrical properties, ang sulod sa pangunang impurity nitrogen sa substrate kinahanglan nga kontrolon sa ubos nga lebel. Ang conductive single crystal substrates nanginahanglan og nitrogen content nga kontrolon sa medyo taas nga konsentrasyon.
2 Pangunang teknolohiya sa pagkontrol para sa sintesis sa pulbos
Tungod sa lain-laing mga palibot sa paggamit sa silicon carbide substrates, ang teknolohiya sa synthesis para sa growth powders adunay lain-laing mga proseso. Para sa N-type conductive single crystal growth powders, gikinahanglan ang taas nga impurity purity ug single phase; samtang para sa semi-insulating single crystal growth powders, gikinahanglan ang estrikto nga pagkontrol sa nitrogen content.
2.1 Pagkontrol sa gidak-on sa tipik sa pulbos
2.1.1 Temperatura sa sintesis
Wala giusab ang ubang mga kondisyon sa proseso, ang mga SiC powder nga namugna sa temperatura sa synthesis nga 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, ug 2200 ℃ gisample ug gi-analisar. Sama sa gipakita sa Figure 1, makita nga ang gidak-on sa partikulo kay 250~600 μm sa 1900 ℃, ug ang gidak-on sa partikulo motaas ngadto sa 600~850 μm sa 2000 ℃, ug ang gidak-on sa partikulo mausab pag-ayo. Kung ang temperatura magpadayon sa pagsaka ngadto sa 2100 ℃, ang gidak-on sa partikulo sa SiC powder kay 850~2360 μm, ug ang pagtaas lagmit hinay. Ang gidak-on sa partikulo sa SiC sa 2200 ℃ lig-on sa mga 2360 μm. Ang pagtaas sa temperatura sa synthesis gikan sa 1900 ℃ adunay positibo nga epekto sa gidak-on sa partikulo sa SiC. Kung ang temperatura sa synthesis magpadayon sa pagtaas gikan sa 2100 ℃, ang gidak-on sa partikulo dili na mausab pag-ayo. Busa, kon ang temperatura sa sintesis ibutang sa 2100 ℃, mas dako nga gidak-on sa partikulo ang mahimong ma-synthesize nga adunay mas ubos nga konsumo sa enerhiya.
2.1.2 Oras sa sintesis
Ang ubang mga kondisyon sa proseso wala mausab, ug ang oras sa sintesis gitakda sa 4 ka oras, 8 ka oras, ug 12 ka oras matag usa. Ang namugna nga pag-analisa sa sampling sa pulbos nga SiC gipakita sa Hulagway 2. Nakita nga ang oras sa sintesis adunay dakong epekto sa gidak-on sa partikulo sa SiC. Kung ang oras sa sintesis kay 4 ka oras, ang gidak-on sa partikulo kasagarang giapod-apod sa 200 μm; kung ang oras sa sintesis kay 8 ka oras, ang gidak-on sa partikulo sa sintetiko motaas pag-ayo, kasagarang giapod-apod sa mga 1 000 μm; samtang ang oras sa sintesis padayon nga motaas, ang gidak-on sa partikulo motaas pa, kasagarang giapod-apod sa mga 2 000 μm.
2.1.3 Impluwensya sa gidak-on sa partikulo sa hilaw nga materyal
Samtang ang kadena sa produksiyon sa lokal nga materyales sa silicon hinay-hinay nga miuswag, ang kaputli sa mga materyales sa silicon labi pa nga miuswag. Sa pagkakaron, ang mga materyales sa silicon nga gigamit sa sintesis gibahin sa granular silicon ug powdered silicon, sama sa gipakita sa Figure 3.
Lain-laing silicon raw materials ang gigamit sa pagpahigayon og mga eksperimento sa silicon carbide synthesis. Ang pagtandi sa mga sintetikong produkto gipakita sa Figure 4. Ang pagtuki nagpakita nga kon gamiton ang block silicon raw materials, daghang Si elements ang anaa sa produkto. Human madugmok ang silicon block sa ikaduhang higayon, ang Si element sa sintetikong produkto mokunhod pag-ayo, apan anaa gihapon kini. Sa katapusan, ang silicon powder ang gigamit para sa synthesis, ug ang SiC lang ang anaa sa produkto. Kini tungod kay sa proseso sa produksiyon, ang dagkong granular silicon kinahanglan nga moagi una sa surface synthesis reaction, ug ang silicon carbide ang gi-synthesize sa surface, nga makapugong sa internal Si powder sa dugang nga pagsagol sa C powder. Busa, kon ang block silicon gamiton isip hilaw nga materyal, kinahanglan kini nga dugmokon ug dayon ipaubos sa secondary synthesis process aron makakuha og silicon carbide powder para sa pagtubo sa kristal.
2.2 Pagkontrol sa porma sa kristal nga pulbos
2.2.1 Impluwensya sa temperatura sa sintesis
Wala giusab ang ubang mga kondisyon sa proseso, ang temperatura sa sintesis kay 1500℃, 1700℃, 1900℃, ug 2100℃, ug ang nahimo nga SiC powder gisample ug gi-analisar. Sama sa gipakita sa Figure 5, ang β-SiC kay yutan-on nga dilaw, ug ang α-SiC mas luspad ang kolor. Pinaagi sa pag-obserbar sa kolor ug morpolohiya sa gi-synthesize nga powder, mahibal-an nga ang gi-synthesize nga produkto kay β-SiC sa temperatura nga 1500℃ ug 1700℃. Sa 1900℃, ang kolor mahimong mas luspad, ug ang mga hexagonal nga partikulo makita, nga nagpakita nga human sa pagsaka sa temperatura ngadto sa 1900℃, usa ka phase transition ang mahitabo, ug ang bahin sa β-SiC mabag-o ngadto sa α-SiC; kung ang temperatura magpadayon sa pagsaka ngadto sa 2100℃, makita nga ang gi-synthesize nga mga partikulo transparent, ug ang α-SiC sa panguna nabag-o na.
2.2.2 Epekto sa oras sa sintesis
Ang ubang mga kondisyon sa proseso wala mausab, ug ang oras sa sintesis gitakda sa 4 ka oras, 8 ka oras, ug 12 ka oras, matag usa. Ang nahimo nga SiC powder gisample ug gi-analisar gamit ang diffractometer (XRD). Ang mga resulta gipakita sa Figure 6. Ang oras sa sintesis adunay piho nga impluwensya sa produkto nga gisintesis sa SiC powder. Kung ang oras sa sintesis kay 4 ka oras ug 8 ka oras, ang sintetikong produkto kasagaran 6H-SiC; kung ang oras sa sintesis kay 12 ka oras, 15R-SiC ang makita sa produkto.
2.2.3 Impluwensya sa ratio sa hilaw nga materyales
Ang ubang mga proseso wala mausab, ang gidaghanon sa silicon-carbon nga mga substansiya gisusi, ug ang mga ratio kay 1.00, 1.05, 1.10 ug 1.15 matag usa alang sa mga eksperimento sa sintesis. Ang mga resulta gipakita sa Figure 7.
Gikan sa XRD spectrum, makita nga kon ang silicon-carbon ratio mas dako kay sa 1.05, ang sobra nga Si makita sa produkto, ug kon ang silicon-carbon ratio ubos sa 1.05, ang sobra nga C makita. Kon ang silicon-carbon ratio 1.05, ang libre nga carbon sa sintetikong produkto halos mawala, ug walay libre nga silicon nga makita. Busa, ang gidaghanon sa silicon-carbon ratio kinahanglan nga 1.05 aron makahimo og taas nga kaputli nga SiC.
2.3 Pagkontrol sa ubos nga nitroheno sa pulbos
2.3.1 Sintetikong hilaw nga materyales
Ang mga hilaw nga materyales nga gigamit niining eksperimento mao ang high-purity carbon powder ug high-purity silicon powder nga adunay median diameter nga 20 μm. Tungod sa ilang gamay nga gidak-on sa partikulo ug dako nga specific surface area, dali ra silang mosuhop sa N2 sa hangin. Sa pag-synthesize sa powder, kini dad-on ngadto sa kristal nga porma sa powder. Alang sa pagtubo sa N-type nga mga kristal, ang dili patas nga pag-doping sa N2 sa powder mosangpot sa dili patas nga resistensya sa kristal ug bisan sa mga pagbag-o sa kristal nga porma. Ang nitrogen content sa na-synthesize nga powder human sa hydrogen gipailalom gamay kaayo. Kini tungod kay gamay ra ang volume sa mga molekula sa hydrogen. Kung ang N2 nga na-adsorb sa carbon powder ug silicon powder gipainit ug nadugta gikan sa ibabaw, ang H2 hingpit nga mokatap ngadto sa gintang tali sa mga powder nga adunay gamay nga volume niini, nga mopuli sa posisyon sa N2, ug ang N2 mogawas gikan sa crucible atol sa proseso sa vacuum, nga makab-ot ang katuyoan sa pagtangtang sa nitrogen content.
2.3.2 Proseso sa sintesis
Atol sa sintesis sa silicon carbide powder, tungod kay parehas ang radius sa mga atomo sa carbon ug mga atomo sa nitrogen, ang nitrogen mopuli sa mga bakanteng carbon sa silicon carbide, sa ingon nagdugang sa sulud sa nitrogen. Kini nga proseso sa eksperimento nagsagop sa pamaagi sa pagpaila sa H2, ug ang H2 mo-react sa mga elemento sa carbon ug silicon sa synthesis crucible aron makamugna og mga gas nga C2H2, C2H, ug SiH. Ang sulud sa elemento sa carbon motaas pinaagi sa transmission sa gas phase, sa ingon nagpamenos sa mga bakanteng carbon. Ang katuyoan sa pagtangtang sa nitrogen makab-ot.
2.3.3 Pagkontrol sa sulud sa nitroheno sa background sa proseso
Ang mga graphite crucible nga adunay dakong porosity mahimong gamiton isip dugang nga tinubdan sa C aron masuhop ang alisngaw sa Si sa mga sangkap sa gas phase, makunhuran ang Si sa mga sangkap sa gas phase, ug sa ingon madugangan ang C/Si. Sa samang higayon, ang mga graphite crucible mahimo usab nga mo-react sa Si atmosphere aron makamugna og Si2C, SiC2 ug SiC, nga katumbas sa Si atmosphere nga magdala sa tinubdan sa C gikan sa graphite crucible ngadto sa growth atmosphere, nga mopataas sa C ratio, ug mopataas usab sa carbon-silicon ratio. Busa, ang carbon-silicon ratio mahimong madugangan pinaagi sa paggamit sa mga graphite crucible nga adunay dakong porosity, nga mopakunhod sa mga bakanteng carbon, ug makab-ot ang katuyoan sa pagtangtang sa nitroheno.
3 Pag-analisar ug disenyo sa proseso sa paghimo og single crystal powder
3.1 Prinsipyo ug disenyo sa proseso sa sintesis
Pinaagi sa nahisgutang komprehensibo nga pagtuon sa pagkontrol sa gidak-on sa partikulo, porma sa kristal ug sulod sa nitroheno sa sintesis sa pulbos, usa ka proseso sa sintesis ang gisugyot. Ang taas nga kaputli nga C nga pulbos ug Si nga pulbos gipili, ug kini parehas nga gisagol ug gikarga sa usa ka graphite crucible sumala sa silicon-carbon ratio nga 1.05. Ang mga lakang sa proseso gibahin sa upat ka mga yugto:
1) Proseso sa denitrification sa ubos nga temperatura, pag-vacuum ngadto sa 5×10-4 Pa, dayon pagpaila sa hydrogen, nga maghimo sa presyur sa chamber nga mga 80 kPa, pagmentinar sulod sa 15 minutos, ug balikon upat ka beses. Kini nga proseso makatangtang sa mga elemento sa nitroheno sa ibabaw sa carbon powder ug silicon powder.
2) Proseso sa denitrification nga taas og temperatura, pag-vacuum ngadto sa 5×10-4 Pa, dayon pagpainit ngadto sa 950 ℃, ug dayon pagpaila sa hydrogen, nga maghimo sa presyur sa chamber nga mga 80 kPa, pagmentinar sulod sa 15 minutos, ug balikon og upat ka beses. Kini nga proseso makatangtang sa mga elemento sa nitroheno sa ibabaw sa carbon powder ug silicon powder, ug makapadagan sa nitroheno sa heat field.
3) Proseso sa sintesis sa ubos nga temperatura, i-evacuate ngadto sa 5×10-4 Pa, dayon ipainit ngadto sa 1350℃, ibutang sulod sa 12 ka oras, dayon butangi og hydrogen aron ang presyur sa chamber moabot og mga 80 kPa, ibutang sulod sa 1 ka oras. Kini nga proseso makatangtang sa nitroheno nga nasuhop atol sa proseso sa sintesis.
4) Pag-sintesis sa proseso sa taas nga temperatura, pun-a og usa ka piho nga ratio sa pag-agos sa gidaghanon sa gas sa taas nga kaputli nga hydrogen ug argon nga gisagol nga gas, himoa nga ang presyur sa chamber mga 80 kPa, ipataas ang temperatura ngadto sa 2100℃, ibutang sulod sa 10 ka oras. Kini nga proseso mokompleto sa pagbag-o sa silicon carbide powder gikan sa β-SiC ngadto sa α-SiC ug mokompleto sa pagtubo sa mga kristal nga partikulo.
Sa katapusan, hulata nga mobugnaw ang temperatura sa chamber ngadto sa temperatura sa kwarto, pun-a hangtod sa presyur sa atmospera, ug kuhaa ang pulbos.
3.2 Proseso sa pagproseso sa pulbos
Human ma-synthesize ang powder pinaagi sa proseso sa ibabaw, kinahanglan kini nga i-post-process aron makuha ang libre nga carbon, silicon ug uban pang mga hugaw sa metal ug masusi ang gidak-on sa partikulo. Una, ang na-synthesize nga powder ibutang sa ball mill para sa pagdugmok, ug ang nadugmok nga silicon carbide powder ibutang sa muffle furnace ug ipainit sa 450°C gamit ang oxygen. Ang libre nga carbon sa powder gi-oxidize sa kainit aron makamugna og carbon dioxide gas nga mogawas gikan sa chamber, sa ingon makab-ot ang pagtangtang sa libre nga carbon. Sunod, usa ka acidic cleaning liquid ang giandam ug gibutang sa silicon carbide particle cleaning machine para sa paglimpyo aron makuha ang carbon, silicon ug mga nahabilin nga hugaw sa metal nga namugna atol sa proseso sa synthesis. Pagkahuman niana, ang nahabilin nga acid hugasan sa puro nga tubig ug paugahon. Ang uga nga powder gisusi sa usa ka vibrating screen para sa pagpili sa gidak-on sa partikulo para sa pagtubo sa kristal.
Oras sa pag-post: Ago-08-2024