In u prucessu di crescita di monocristalli di carburo di siliciu, u trasportu fisicu di vapore hè u metudu d'industrializazione principale attuale. Per u metudu di crescita PVT,polvere di carburo di siliciuhà una grande influenza nant'à u prucessu di crescita. Tutti i parametri dipolvere di carburo di siliciuaffettanu direttamente a qualità di a crescita di monocristalli è di e proprietà elettriche. In l'applicazioni industriali attuali, i cumunemente usatipolvere di carburo di siliciuU prucessu di sintesi hè u metudu di sintesi à alta temperatura autopropagante.
U metudu di sintesi autopropagante à alta temperatura usa l'alta temperatura per dà à i reagenti u calore iniziale per inizià e reazioni chimiche, è dopu usa u so propiu calore di reazione chimica per permette à e sostanze micca reagite di cuntinuà à compie a reazione chimica. Tuttavia, postu chì a reazione chimica di Si è C libera menu calore, altri reagenti devenu esse aghjunti per mantene a reazione. Dunque, parechji studiosi anu prupostu un metudu di sintesi autopropagante miglioratu nantu à sta basa, introducendu un attivatore. U metudu autopropagante hè relativamente faciule da implementà, è diversi parametri di sintesi sò faciuli da cuntrullà stabilmente. A sintesi à grande scala risponde à i bisogni di l'industrializazione.
Digià in u 1999, Bridgeport hà utilizatu u metudu di sintesi à alta temperatura autopropagante per sintetizàpolvere di SiC, ma hà utilizatu etossisilanu è resina fenolica cum'è materie prime, ciò chì era caru. Gao Pan è altri anu utilizatu polvere di Si di alta purezza è polvere di C cum'è materie prime per sintetizàpolvere di SiCper reazione à alta temperatura in una atmosfera d'argon. Ning Lina hà preparatu particelle di grande dimensionepolvere di SiCper sintesi secundaria.
U fornu di riscaldamentu à induzione à media frequenza sviluppatu da u Secondu Istitutu di Ricerca di a China Electronics Technology Group Corporation mischia uniformemente a polvere di silicone è a polvere di carbone in un certu rapportu stechiometricu è li mette in un crogiolu di grafite. Ucrogiolu di grafitehè piazzatu in un fornu di riscaldamentu à induzione di media frequenza per u riscaldamentu, è u cambiamentu di temperatura hè adupratu per sintetizà è trasfurmà rispettivamente a fase à bassa temperatura è a fase à alta temperatura di carburo di siliciu. Siccomu a temperatura di a reazione di sintesi β-SiC in a fase à bassa temperatura hè più bassa di a temperatura di volatilizazione di Si, a sintesi di β-SiC sottu altu vacuum pò assicurà bè l'autopropagazione. U metudu d'introduzione di argon, idrogenu è gasu HCl in a sintesi di α-SiC impedisce a decomposizione dipolvere di SiCin a fase di alta temperatura, è pò riduce efficacemente u cuntenutu di azotu in a polvere α-SiC.
Shandong Tianyue hà cuncipitu un fornu di sintesi, aduprendu gasu silanu cum'è materia prima di siliciu è polvere di carbone cum'è materia prima di carbone. A quantità di gasu di materia prima introdutta hè stata aghjustata da un metudu di sintesi in dui passi, è a dimensione finale di e particelle di carburo di siliciu sintetizatu era trà 50 è 5 000 um.
1 Fattori di cuntrollu di u prucessu di sintesi di polveri
1.1 Effettu di a dimensione di e particelle di polvere nantu à a crescita di i cristalli
A dimensione di e particelle di a polvere di carburo di siliciu hà una influenza assai impurtante nantu à a crescita successiva di u monocristallu. A crescita di u monocristallu SiC per mezu di u metudu PVT hè ottenuta principalmente cambiendu u rapportu molare di siliciu è carbone in u cumpunente di fase gassosa, è u rapportu molare di siliciu è carbone in u cumpunente di fase gassosa hè ligatu à a dimensione di e particelle di a polvere di carburo di siliciu. A pressione tutale è u rapportu siliciu-carboniu di u sistema di crescita aumentanu cù a diminuzione di a dimensione di e particelle. Quandu a dimensione di e particelle diminuisce da 2-3 mm à 0,06 mm, u rapportu siliciu-carboniu aumenta da 1,3 à 4,0. Quandu e particelle sò chjuche finu à un certu puntu, a pressione parziale di Si aumenta, è un stratu di film di Si hè furmatu nantu à a superficia di u cristallu in crescita, inducendu a crescita gas-liquidu-solidu, chì affetta u polimorfismu, i difetti puntuali è i difetti di linea in u cristallu. Dunque, a dimensione di e particelle di a polvere di carburo di siliciu di alta purezza deve esse ben cuntrullata.
Inoltre, quandu a dimensione di e particelle di polvere di SiC hè relativamente chjuca, a polvere si decompone più rapidamente, risultendu in una crescita eccessiva di monocristalli di SiC. Da una parte, in l'ambiente à alta temperatura di a crescita di monocristalli di SiC, i dui prucessi di sintesi è di decomposizione sò realizati simultaneamente. A polvere di carburo di siliciu si decompone è forma carbone in a fase gassosa è in a fase solida cum'è Si, Si2C, SiC2, risultendu in una seria carbonizzazione di a polvere policristallina è a furmazione d'inclusioni di carbone in u cristallu; da l'altra parte, quandu a velocità di decomposizione di a polvere hè relativamente rapida, a struttura cristallina di u monocristallo di SiC cresciutu hè propensa à cambià, rendendu difficiule u cuntrollu di a qualità di u monocristallo di SiC cresciutu.
1.2 Effettu di a forma di cristalli in polvere nantu à a crescita di i cristalli
A crescita di u monocristallu SiC per mezu di u metudu PVT hè un prucessu di sublimazione-ricristallizazione à alta temperatura. A forma cristallina di a materia prima SiC hà una influenza impurtante nantu à a crescita di i cristalli. In u prucessu di sintesi di e polveri, a fase di sintesi à bassa temperatura (β-SiC) cù una struttura cubica di a cellula unitaria è a fase di sintesi à alta temperatura (α-SiC) cù una struttura esagonale di a cellula unitaria saranu principalmente prodotte. Ci sò parechje forme di cristalli di carburo di siliciu è un intervallu di cuntrollu di temperatura strettu. Per esempiu, 3C-SiC si trasformerà in un polimorfu esagonale di carburo di siliciu, vale à dì 4H/6H-SiC, à temperature superiori à 1900°C.
Durante u prucessu di crescita di cristalli singuli, quandu a polvere β-SiC hè aduprata per fà cresce i cristalli, u rapportu molare siliciu-carboniu hè più grande di 5,5, mentre chì quandu a polvere α-SiC hè aduprata per fà cresce i cristalli, u rapportu molare siliciu-carboniu hè 1,2. Quandu a temperatura aumenta, si verifica una transizione di fase in u crogiolu. In questu mumentu, u rapportu molare in a fase gassosa diventa più grande, ciò chì ùn hè micca favurevule à a crescita di i cristalli. Inoltre, altre impurità di fase gassosa, cumprese u carbone, u siliciu è u diossidu di siliciu, sò facilmente generate durante u prucessu di transizione di fase. A presenza di queste impurità face chì u cristallu generi microtubi è vuoti. Dunque, a forma di u cristallu di a polvere deve esse cuntrullata precisamente.
1.3 Effettu di l'impurità di a polvere nantu à a crescita di i cristalli
U cuntenutu d'impurità in a polvere di SiC affetta a nucleazione spontanea durante a crescita di u cristallu. Più altu hè u cuntenutu d'impurità, menu hè prubabile chì u cristallu si nuclei spontaneamente. Per SiC, e principali impurità metalliche includenu B, Al, V è Ni, chì ponu esse introdutte da strumenti di trasfurmazione durante a trasfurmazione di polvere di siliciu è polvere di carbone. Trà elle, B è Al sò e principali impurità accettori di livellu d'energia superficiale in SiC, risultendu in una diminuzione di a resistività di SiC. Altre impurità metalliche introdurranu parechji livelli d'energia, risultendu in proprietà elettriche instabili di monocristalli SiC à alte temperature, è anu un impattu più grande nantu à e proprietà elettriche di substrati monocristallini semi-isolanti di alta purità, in particulare a resistività. Dunque, a polvere di carburo di siliciu di alta purità deve esse sintetizzata u più pussibule.
1.4 Effettu di u cuntenutu di azotu in polvere nantu à a crescita di cristalli
U livellu di cuntenutu d'azotu determina a resistività di u sustratu monocristallinu. I principali pruduttori anu bisognu di adattà a cuncentrazione di doping d'azotu in u materiale sinteticu secondu u prucessu di crescita di cristalli maturi durante a sintesi di polveri. I sustrati monocristallini di carburo di siliciu semi-isolanti d'alta purità sò i materiali più promettenti per i cumpunenti elettronichi à core militare. Per cultivà sustrati monocristallini semi-isolanti d'alta purità cù alta resistività è eccellenti proprietà elettriche, u cuntenutu di l'impurità principale azotu in u sustratu deve esse cuntrullatu à un livellu bassu. I sustrati monocristallini conduttivi richiedenu chì u cuntenutu d'azotu sia cuntrullatu à una cuncentrazione relativamente alta.
2 Tecnulugia di cuntrollu chjave per a sintesi di polveri
A causa di i sfarenti ambienti d'usu di i sustrati di carburo di siliciu, a tecnulugia di sintesi per e polveri di crescita hà ancu prucessi sfarenti. Per e polveri di crescita monocristalli conduttivi di tipu N, sò necessarie impurità di alta purezza è fase unica; mentre chì per e polveri di crescita monocristalli semi-isolanti, hè necessariu un cuntrollu strettu di u cuntenutu d'azotu.
2.1 Cuntrollu di a dimensione di e particelle di polvere
2.1.1 Temperatura di sintesi
Mantenendu l'altre cundizioni di prucessu invariate, e polveri di SiC generate à temperature di sintesi di 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ è 2200 ℃ sò state campionate è analizzate. Cum'è mostratu in a Figura 1, si pò vede chì a dimensione di e particelle hè 250 ~ 600 μm à 1900 ℃, è a dimensione di e particelle aumenta à 600 ~ 850 μm à 2000 ℃, è a dimensione di e particelle cambia significativamente. Quandu a temperatura cuntinueghja à cresce finu à 2100 ℃, a dimensione di e particelle di a polvere di SiC hè 850 ~ 2360 μm, è l'aumentu tende à esse ligeru. A dimensione di e particelle di SiC à 2200 ℃ hè stabile à circa 2360 μm. L'aumentu di a temperatura di sintesi da 1900 ℃ hà un effettu pusitivu nantu à a dimensione di e particelle di SiC. Quandu a temperatura di sintesi cuntinueghja à cresce da 2100 ℃, a dimensione di e particelle ùn cambia più significativamente. Dunque, quandu a temperatura di sintesi hè fissata à 2100 ℃, una dimensione di particelle più grande pò esse sintetizzata cù un cunsumu energeticu più bassu.
2.1.2 Tempu di sintesi
L'altre cundizioni di prucessu fermanu invariate, è u tempu di sintesi hè fissatu rispettivamente à 4 ore, 8 ore è 12 ore. L'analisi di campionamentu di polvere di SiC generata hè mostrata in a Figura 2. Si trova chì u tempu di sintesi hà un effettu significativu nantu à a dimensione di e particelle di SiC. Quandu u tempu di sintesi hè di 4 ore, a dimensione di e particelle hè distribuita principalmente à 200 μm; quandu u tempu di sintesi hè di 8 ore, a dimensione di e particelle sintetiche aumenta significativamente, distribuita principalmente à circa 1 000 μm; mentre u tempu di sintesi cuntinueghja à aumentà, a dimensione di e particelle aumenta ulteriormente, distribuita principalmente à circa 2 000 μm.
2.1.3 Influenza di a dimensione di e particelle di materia prima
À misura chì a catena di pruduzzione naziunale di materiale di siliciu hè gradualmente migliurata, a purità di i materiali di siliciu hè ancu ulteriormente migliurata. Attualmente, i materiali di siliciu utilizati in a sintesi sò principalmente divisi in siliciu granulare è siliciu in polvere, cum'è mostratu in a Figura 3.
Diverse materie prime di siliciu sò state aduprate per realizà esperimenti di sintesi di carburo di siliciu. A paragone di i prudutti sintetici hè mostrata in a Figura 4. L'analisi mostra chì quandu si utilizanu materie prime di siliciu in blocchi, una grande quantità di elementi Si hè presente in u pruduttu. Dopu chì u bloccu di siliciu hè statu schiacciatu per a seconda volta, l'elementu Si in u pruduttu sinteticu hè significativamente riduttu, ma esiste sempre. Infine, a polvere di siliciu hè aduprata per a sintesi, è solu SiC hè presente in u pruduttu. Questu hè perchè in u prucessu di pruduzzione, u siliciu granulare di grande dimensione deve prima sottumessu à una reazione di sintesi superficiale, è u carburo di siliciu hè sintetizatu nantu à a superficia, ciò chì impedisce à a polvere di Si interna di cumbinà si ulteriormente cù a polvere di C. Dunque, se u siliciu in blocchi hè adupratu cum'è materia prima, deve esse schiacciatu è poi sottumessu à un prucessu di sintesi secundariu per ottene polvere di carburo di siliciu per a crescita di cristalli.
2.2 Cuntrollu di a forma di cristalli in polvere
2.2.1 Influenza di a temperatura di sintesi
Mantenendu l'altre cundizioni di prucessu invariate, a temperatura di sintesi hè 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ è 2100 ℃, è a polvere di SiC generata hè campionata è analizata. Cum'è mostratu in a Figura 5, β-SiC hè giallu terrosu, è α-SiC hè di culore più chjaru. Osservendu u culore è a morfologia di a polvere sintetizzata, si pò determinà chì u pruduttu sintetizatu hè β-SiC à temperature di 1500 ℃ è 1700 ℃. À 1900 ℃, u culore diventa più chjaru, è appariscenu particelle esagonali, chì indicanu chì dopu chì a temperatura aumenta à 1900 ℃, si verifica una transizione di fase, è una parte di β-SiC hè cunvertita in α-SiC; quandu a temperatura cuntinueghja à aumentà à 2100 ℃, si trova chì e particelle sintetizate sò trasparenti, è α-SiC hè statu basicamente cunvertitu.
2.2.2 Effettu di u tempu di sintesi
L'altre cundizioni di prucessu fermanu invariate, è u tempu di sintesi hè fissatu rispettivamente à 4 ore, 8 ore è 12 ore. A polvere di SiC generata hè campionata è analizata da un diffrattometru (XRD). I risultati sò mostrati in a Figura 6. U tempu di sintesi hà una certa influenza nantu à u pruduttu sintetizatu da a polvere di SiC. Quandu u tempu di sintesi hè di 4 ore è 8 ore, u pruduttu sinteticu hè principalmente 6H-SiC; quandu u tempu di sintesi hè di 12 ore, 15R-SiC appare in u pruduttu.
2.2.3 Influenza di u rapportu di materia prima
L'altri prucessi fermanu invariati, a quantità di sustanze siliciu-carbonu hè analizata, è i rapporti sò 1,00, 1,05, 1,10 è 1,15 rispettivamente per l'esperimenti di sintesi. I risultati sò mostrati in a Figura 7.
Da u spettru XRD, si pò vede chì quandu u rapportu siliciu-carboniu hè più grande di 1,05, un eccessu di Si appare in u pruduttu, è quandu u rapportu siliciu-carboniu hè menu di 1,05, un eccessu di C appare. Quandu u rapportu siliciu-carboniu hè 1,05, u carbone liberu in u pruduttu sinteticu hè basicamente eliminatu, è ùn appare micca siliciu liberu. Dunque, u rapportu di quantità di rapportu siliciu-carboniu deve esse 1,05 per sintetizà SiC di alta purità.
2.3 Cuntrollu di u bassu cuntenutu di azotu in polvere
2.3.1 Materie prime sintetiche
E materie prime aduprate in questu esperimentu sò polvere di carbone d'alta purità è polvere di siliciu d'alta purità cù un diametru medianu di 20 μm. A causa di a so piccula dimensione di particelle è di a so grande superficia specifica, sò faciuli d'assorbe N2 in l'aria. Quandu si sintetizza a polvere, serà purtata in a forma cristallina di a polvere. Per a crescita di cristalli di tipu N, u doping irregulare di N2 in a polvere porta à una resistenza irregulare di u cristallu è ancu cambiamenti in a forma cristallina. U cuntenutu d'azotu di a polvere sintetizzata dopu l'introduzione di l'idrogenu hè significativamente bassu. Questu hè perchè u vulume di e molecule d'idrogenu hè chjucu. Quandu l'N2 adsorbitu in a polvere di carbone è in a polvere di siliciu hè riscaldatu è decompostu da a superficia, H2 si diffonde cumpletamente in u spaziu trà e polveri cù u so picculu vulume, rimpiazzendu a pusizione di N2, è N2 scappa da u crogiolu durante u prucessu di vacuum, ottenendu u scopu di rimuovere u cuntenutu d'azotu.
2.3.2 Prucessu di sintesi
Durante a sintesi di a polvere di carburo di siliciu, postu chì u raghju di l'atomi di carbonu è di l'atomi d'azotu hè simile, l'azotu rimpiazzerà e vacanze di carbonu in u carburo di siliciu, aumentendu cusì u cuntenutu d'azotu. Stu prucessu sperimentale adotta u metudu d'introduzione di H2, è H2 reagisce cù l'elementi di carbonu è di siliciu in u crucible di sintesi per generà gasi C2H2, C2H è SiH. U cuntenutu di l'elementi di carbonu aumenta per via di a trasmissione in fase gassosa, riducendu cusì e vacanze di carbonu. U scopu di rimuovere l'azotu hè ottenutu.
2.3.3 Cuntrollu di u cuntenutu di azotu di fondu di u prucessu
I crogioli di grafite cù una grande porosità ponu esse aduprati cum'è fonti di C supplementari per assorbe u vapore di Si in i cumpunenti di a fase gassosa, riduce u Si in i cumpunenti di a fase gassosa, è cusì aumentà u C/Si. À u listessu tempu, i crogioli di grafite ponu ancu reagisce cù l'atmosfera di Si per generà Si2C, SiC2 è SiC, chì hè equivalente à l'atmosfera di Si chì porta a fonte di C da u crogiolu di grafite in l'atmosfera di crescita, aumentendu u rapportu C, è ancu aumentendu u rapportu carbonu-siliciu. Dunque, u rapportu carbonu-siliciu pò esse aumentatu aduprendu crogioli di grafite cù una grande porosità, riducendu e vacanze di carbonu, è ottenendu u scopu di rimuovere l'azotu.
3 Analisi è cuncepimentu di u prucessu di sintesi di polvere di cristallu unicu
3.1 Principiu è cuncepimentu di u prucessu di sintesi
Attraversu u studiu cumpletu sopra menzionatu nantu à u cuntrollu di a dimensione di e particelle, a forma cristallina è u cuntenutu di azotu di a sintesi di e polveri, hè prupostu un prucessu di sintesi. A polvere di C è a polvere di Si di alta purezza sò selezziunate, è sò mischiate uniformemente è caricate in un crogiolu di grafite secondu un rapportu siliciu-carboniu di 1,05. I passi di u prucessu sò principalmente divisi in quattru tappe:
1) Prucessu di denitrificazione à bassa temperatura, aspirazione à 5 × 10-4 Pa, poi introduzione di idrogenu, messa in pressione di a camera à circa 80 kPa, mantenimentu per 15 minuti, è ripetizione quattru volte. Stu prucessu pò rimuovere elementi d'azotu da a superficia di a polvere di carbone è di a polvere di siliciu.
2) Prucessu di denitrificazione à alta temperatura, cù aspirazione à 5 × 10-4 Pa, poi riscaldamentu à 950 ℃, è dopu introduzione di idrogenu, purtendu a pressione di a camera à circa 80 kPa, mantenendu per 15 minuti, è ripetendu quattru volte. Stu prucessu pò rimuovere l'elementi d'azotu nantu à a superficia di a polvere di carbone è di a polvere di siliciu, è spinghje l'azotu in u campu di calore.
3) Sintesi di u prucessu di fase à bassa temperatura, evacuate à 5 × 10-4 Pa, poi riscaldate à 1350 ℃, mantene per 12 ore, poi introducete l'idrogenu per fà chì a pressione di a camera sia di circa 80 kPa, mantene per 1 ora. Stu prucessu pò caccià l'azotu volatilizatu durante u prucessu di sintesi.
4) Sintesi di u prucessu di fase à alta temperatura, riempite cù un certu rapportu di flussu di volume di gasu di idrogenu di alta purezza è gasu mischju d'argon, fate a pressione di a camera à circa 80 kPa, aumentate a temperatura à 2100 ℃, mantene per 10 ore. Stu prucessu cumpleta a trasfurmazione di a polvere di carburo di siliciu da β-SiC à α-SiC è cumpleta a crescita di e particelle di cristallu.
Infine, aspettate chì a temperatura di a camera si rinfrischi à a temperatura ambiente, riempite à pressione atmosferica è cacciate a polvere.
3.2 Prucessu di post-elaborazione di a polvere
Dopu chì a polvere hè sintetizzata da u prucessu sopra, deve esse post-processata per rimuovere u carbone liberu, u siliciu è altre impurità metalliche è vaglià a dimensione di e particelle. Prima, a polvere sintetizzata hè posta in un mulinu à palle per a frantumazione, è a polvere di carburo di siliciu frantumata hè posta in un fornu à muffola è riscaldata à 450 ° C da l'ossigenu. U carbone liberu in a polvere hè ossidatu da u calore per generà gas di diossidu di carbonu chì scappa da a camera, ottenendu cusì a rimuzione di u carbone liberu. Successivamente, un liquidu di pulizia acidicu hè preparatu è piazzatu in una macchina di pulizia di particelle di carburo di siliciu per a pulizia per rimuovere u carbone, u siliciu è l'impurità metalliche residue generate durante u prucessu di sintesi. Dopu questu, l'acidu residuale hè lavatu in acqua pura è asciugatu. A polvere secca hè vagliata in un vaglio vibrante per a selezzione di a dimensione di e particelle per a crescita di i cristalli.
Data di publicazione: 8 d'aostu 2024