Yn y broses twf grisial sengl silicon carbide, cludo anwedd corfforol yw'r dull diwydiannu prif ffrwd cyfredol. Ar gyfer y dull twf PVT,powdr silicon carbidyn dylanwadu'n fawr ar y broses dwf. Pob paramedr opowdr silicon carbidyn effeithio'n uniongyrchol ar ansawdd twf crisial sengl a phriodweddau trydanol. Mewn cymwysiadau diwydiannol cyfredol, y rhai a ddefnyddir yn gyffredinpowdr silicon carbidY broses synthesis yw'r dull synthesis tymheredd uchel sy'n hunan-luosogi.
Mae'r dull synthesis tymheredd uchel hunan-luosogi yn defnyddio tymheredd uchel i roi gwres cychwynnol i'r adweithyddion i gychwyn adweithiau cemegol, ac yna'n defnyddio ei wres adwaith cemegol ei hun i ganiatáu i'r sylweddau heb adweithio barhau i gwblhau'r adwaith cemegol. Fodd bynnag, gan fod adwaith cemegol Si a C yn rhyddhau llai o wres, rhaid ychwanegu adweithyddion eraill i gynnal yr adwaith. Felly, mae llawer o ysgolheigion wedi cynnig dull synthesis hunan-luosogi gwell ar y sail hon, gan gyflwyno actifadu. Mae'r dull hunan-luosogi yn gymharol hawdd i'w weithredu, ac mae paramedrau synthesis amrywiol yn hawdd i'w rheoli'n sefydlog. Mae synthesis ar raddfa fawr yn diwallu anghenion diwydiannu.
Mor gynnar â 1999, defnyddiodd Bridgeport y dull synthesis tymheredd uchel hunan-luosog i syntheseiddioPowdr SiC, ond defnyddiodd resin ethoxysilane a ffenol fel deunyddiau crai, a oedd yn gostus. Defnyddiodd Gao Pan ac eraill bowdr Si purdeb uchel a phowdr C fel deunyddiau crai i syntheseiddioPowdr SiCdrwy adwaith tymheredd uchel mewn awyrgylch argon. Paratôdd Ning Lina gronynnau mawrPowdr SiCtrwy synthesis eilaidd.
Mae'r ffwrnais gwresogi sefydlu amledd canolig a ddatblygwyd gan Ail Sefydliad Ymchwil Corfforaeth Grŵp Technoleg Electroneg Tsieina yn cymysgu powdr silicon a phowdr carbon yn gyfartal mewn cymhareb stoichiometrig benodol ac yn eu rhoi mewn croeslin graffit.crwsibl graffityn cael ei roi mewn ffwrnais gwresogi sefydlu amledd canolig ar gyfer gwresogi, a defnyddir y newid tymheredd i syntheseiddio a thrawsnewid silicon carbid y cyfnod tymheredd isel a'r cyfnod tymheredd uchel yn y drefn honno. Gan fod tymheredd yr adwaith synthesis β-SiC yn y cyfnod tymheredd isel yn is na thymheredd anweddu Si, gall synthesis β-SiC o dan wactod uchel sicrhau hunan-lewyrchiad yn dda. Mae'r dull o gyflwyno argon, hydrogen a nwy HCl wrth synthesis α-SiC yn atal dadelfennuPowdr SiCyn y cyfnod tymheredd uchel, a gall leihau'r cynnwys nitrogen mewn powdr α-SiC yn effeithiol.
Dyluniodd Shandong Tianyue ffwrnais synthesis, gan ddefnyddio nwy silan fel deunydd crai silicon a phowdr carbon fel deunydd crai carbon. Addaswyd faint o nwy deunydd crai a gyflwynwyd trwy ddull synthesis dau gam, ac roedd maint gronynnau silicon carbid syntheseiddiedig terfynol rhwng 50 a 5000 um.
1 Ffactorau rheoli proses synthesis powdr
1.1 Effaith maint gronynnau powdr ar dwf crisialau
Mae maint gronynnau powdr silicon carbid yn cael dylanwad pwysig iawn ar dwf y grisial sengl dilynol. Cyflawnir twf grisial sengl SiC trwy'r dull PVT yn bennaf trwy newid y gymhareb molar o silicon a charbon yn y gydran cyfnod nwy, ac mae'r gymhareb molar o silicon a charbon yn y gydran cyfnod nwy yn gysylltiedig â maint gronynnau powdr silicon carbid. Mae cyfanswm y pwysau a chymhareb silicon-carbon y system dwf yn cynyddu gyda gostyngiad maint y gronynnau. Pan fydd maint y gronynnau'n lleihau o 2-3 mm i 0.06 mm, mae'r gymhareb silicon-carbon yn cynyddu o 1.3 i 4.0. Pan fydd y gronynnau'n fach i ryw raddau, mae pwysau rhannol Si yn cynyddu, ac mae haen o ffilm Si yn cael ei ffurfio ar wyneb y grisial sy'n tyfu, gan ysgogi twf nwy-hylif-solid, sy'n effeithio ar y polymorffedd, diffygion pwynt a diffygion llinell yn y grisial. Felly, rhaid rheoli maint gronynnau powdr silicon carbid purdeb uchel yn dda.
Yn ogystal, pan fo maint gronynnau powdr SiC yn gymharol fach, mae'r powdr yn dadelfennu'n gyflymach, gan arwain at dwf gormodol crisialau sengl SiC. Ar y naill law, yn yr amgylchedd tymheredd uchel o dwf crisial sengl SiC, mae'r ddau broses o synthesis a dadelfennu yn cael eu cynnal ar yr un pryd. Bydd powdr silicon carbide yn dadelfennu ac yn ffurfio carbon yn y cyfnod nwy a'r cyfnod solet fel Si, Si2C, SiC2, gan arwain at garboneiddio difrifol o bowdr polygrisialog a ffurfio cynhwysiadau carbon yn y grisial; ar y llaw arall, pan fo cyfradd dadelfennu'r powdr yn gymharol gyflym, mae strwythur crisial y grisial sengl SiC sydd wedi tyfu yn dueddol o newid, gan ei gwneud hi'n anodd rheoli ansawdd y grisial sengl SiC sydd wedi tyfu.
1.2 Effaith ffurf grisial powdr ar dwf crisial
Mae twf grisial sengl SiC trwy'r dull PVT yn broses dyrnu-ailgrisialu ar dymheredd uchel. Mae gan ffurf grisial deunydd crai SiC ddylanwad pwysig ar dwf crisial. Yn y broses o synthesis powdr, cynhyrchir y cyfnod synthesis tymheredd isel (β-SiC) gyda strwythur ciwbig y gell uned a'r cyfnod synthesis tymheredd uchel (α-SiC) gyda strwythur hecsagonol y gell uned yn bennaf. Mae yna lawer o ffurfiau crisial silicon carbid ac ystod rheoli tymheredd gul. Er enghraifft, bydd 3C-SiC yn trawsnewid yn bolymorff silicon carbid hecsagonol, h.y. 4H/6H-SiC, ar dymheredd uwchlaw 1900°C.
Yn ystod y broses twf grisial sengl, pan ddefnyddir powdr β-SiC i dyfu crisialau, mae'r gymhareb molar silicon-carbon yn fwy na 5.5, tra pan ddefnyddir powdr α-SiC i dyfu crisialau, mae'r gymhareb molar silicon-carbon yn 1.2. Pan fydd y tymheredd yn codi, mae trawsnewidiad cyfnod yn digwydd yn y croeslin. Ar yr adeg hon, mae'r gymhareb molar yn y cyfnod nwy yn mynd yn fwy, nad yw'n ffafriol i dwf crisial. Yn ogystal, mae amhureddau cyfnod nwy eraill, gan gynnwys carbon, silicon, a silicon deuocsid, yn cael eu cynhyrchu'n hawdd yn ystod y broses drawsnewid cyfnod. Mae presenoldeb yr amhureddau hyn yn achosi i'r grisial fagu microdiwbiau a gwagleoedd. Felly, rhaid rheoli ffurf y grisial powdr yn fanwl gywir.
1.3 Effaith amhureddau powdr ar dwf crisialau
Mae cynnwys yr amhuredd mewn powdr SiC yn effeithio ar y cnewylliad digymell yn ystod twf crisial. Po uchaf yw cynnwys yr amhuredd, y lleiaf tebygol yw hi y bydd y grisial yn cnewyllu'n ddigymell. Ar gyfer SiC, mae'r prif amhureddau metel yn cynnwys B, Al, V, a Ni, a all gael eu cyflwyno gan offer prosesu wrth brosesu powdr silicon a phowdr carbon. Yn eu plith, B ac Al yw'r prif amhureddau derbynnydd lefel ynni bas mewn SiC, gan arwain at ostyngiad mewn gwrthedd SiC. Bydd amhureddau metel eraill yn cyflwyno llawer o lefelau ynni, gan arwain at briodweddau trydanol ansefydlog crisialau sengl SiC ar dymheredd uchel, a chael effaith fwy ar briodweddau trydanol swbstradau crisial sengl lled-inswleiddio purdeb uchel, yn enwedig y gwrthedd. Felly, rhaid syntheseiddio powdr silicon carbid purdeb uchel gymaint â phosibl.
1.4 Effaith cynnwys nitrogen mewn powdr ar dwf crisialau
Mae lefel y cynnwys nitrogen yn pennu gwrthedd y swbstrad grisial sengl. Mae angen i weithgynhyrchwyr mawr addasu crynodiad dopio nitrogen yn y deunydd synthetig yn ôl y broses twf crisial aeddfed yn ystod synthesis powdr. Swbstradau crisial sengl silicon carbid lled-inswleiddio purdeb uchel yw'r deunyddiau mwyaf addawol ar gyfer cydrannau electronig craidd milwrol. Er mwyn tyfu swbstradau crisial sengl lled-inswleiddio purdeb uchel gyda gwrthedd uchel a phriodweddau trydanol rhagorol, rhaid rheoli cynnwys y prif nitrogen amhuredd yn y swbstrad ar lefel isel. Mae angen rheoli cynnwys nitrogen ar grynodiad cymharol uchel ar gyfer swbstradau crisial sengl dargludol.
2 Technoleg rheoli allweddol ar gyfer synthesis powdr
Oherwydd yr amgylcheddau defnydd gwahanol ar gyfer swbstradau silicon carbid, mae gan y dechnoleg synthesis ar gyfer powdrau twf brosesau gwahanol hefyd. Ar gyfer powdrau twf grisial sengl dargludol math-N, mae angen purdeb amhuredd uchel ac un cam; tra ar gyfer powdrau twf grisial sengl lled-inswleiddio, mae angen rheolaeth lem ar gynnwys nitrogen.
2.1 Rheoli maint gronynnau powdr
2.1.1 Tymheredd synthesis
Gan gadw amodau proses eraill yr un fath, samplwyd a dadansoddwyd powdrau SiC a gynhyrchwyd ar dymheredd synthesis o 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, a 2200 ℃. Fel y dangosir yn Ffigur 1, gellir gweld bod maint y gronynnau yn 250 ~ 600 μm ar 1900 ℃, ac mae maint y gronynnau'n cynyddu i 600 ~ 850 μm ar 2000 ℃, ac mae maint y gronynnau'n newid yn sylweddol. Pan fydd y tymheredd yn parhau i godi i 2100 ℃, mae maint gronynnau powdr SiC yn 850 ~ 2360 μm, ac mae'r cynnydd yn tueddu i fod yn ysgafn. Mae maint gronynnau SiC ar 2200 ℃ yn sefydlog tua 2360 μm. Mae'r cynnydd yn nhymheredd synthesis o 1900 ℃ yn cael effaith gadarnhaol ar faint gronynnau SiC. Pan fydd tymheredd y synthesis yn parhau i gynyddu o 2100 ℃, nid yw maint y gronynnau'n newid yn sylweddol mwyach. Felly, pan osodir y tymheredd synthesis i 2100 ℃, gellir syntheseiddio maint gronynnau mwy gyda defnydd ynni is.
2.1.2 Amser synthesis
Mae amodau proses eraill yn aros yr un fath, ac mae'r amser synthesis wedi'i osod i 4 awr, 8 awr, a 12 awr yn y drefn honno. Dangosir y dadansoddiad samplu powdr SiC a gynhyrchwyd yn Ffigur 2. Canfuwyd bod gan yr amser synthesis effaith sylweddol ar faint gronynnau SiC. Pan fydd yr amser synthesis yn 4 awr, mae maint y gronynnau wedi'i ddosbarthu'n bennaf ar 200 μm; pan fydd yr amser synthesis yn 8 awr, mae maint y gronynnau synthetig yn cynyddu'n sylweddol, wedi'i ddosbarthu'n bennaf ar tua 1 000 μm; wrth i'r amser synthesis barhau i gynyddu, mae maint y gronynnau'n cynyddu ymhellach, wedi'i ddosbarthu'n bennaf ar tua 2 000 μm.
2.1.3 Dylanwad maint gronynnau deunydd crai
Wrth i gadwyn gynhyrchu deunyddiau silicon domestig wella'n raddol, mae purdeb deunyddiau silicon hefyd yn gwella ymhellach. Ar hyn o bryd, mae'r deunyddiau silicon a ddefnyddir mewn synthesis wedi'u rhannu'n bennaf yn silicon gronynnog a silicon powdr, fel y dangosir yn Ffigur 3.
Defnyddiwyd gwahanol ddeunyddiau crai silicon i gynnal arbrofion synthesis silicon carbid. Dangosir y gymhariaeth o'r cynhyrchion synthetig yn Ffigur 4. Mae dadansoddiad yn dangos, wrth ddefnyddio deunyddiau crai silicon bloc, fod llawer iawn o elfennau Si yn bresennol yn y cynnyrch. Ar ôl i'r bloc silicon gael ei falu am yr ail dro, mae'r elfen Si yn y cynnyrch synthetig yn cael ei lleihau'n sylweddol, ond mae'n dal i fodoli. Yn olaf, defnyddir powdr silicon ar gyfer synthesis, a dim ond SiC sydd yn bresennol yn y cynnyrch. Mae hyn oherwydd yn y broses gynhyrchu, mae angen i silicon gronynnog maint mawr gael adwaith synthesis arwyneb yn gyntaf, ac mae silicon carbid yn cael ei syntheseiddio ar yr wyneb, sy'n atal y powdr Si mewnol rhag cyfuno ymhellach â phowdr C. Felly, os defnyddir bloc silicon fel deunydd crai, mae angen ei falu ac yna ei roi dan broses synthesis eilaidd i gael powdr silicon carbid ar gyfer twf crisialau.
2.2 Rheoli ffurf grisial powdr
2.2.1 Dylanwad tymheredd synthesis
Gan gadw amodau proses eraill yr un fath, mae tymheredd y synthesis yn 1500℃, 1700℃, 1900℃, a 2100℃, ac mae'r powdr SiC a gynhyrchir yn cael ei samplu a'i ddadansoddi. Fel y dangosir yn Ffigur 5, mae β-SiC yn felyn priddlyd, ac mae α-SiC yn ysgafnach o ran lliw. Drwy arsylwi lliw a morffoleg y powdr syntheseiddiedig, gellir pennu mai'r cynnyrch syntheseiddiedig yw β-SiC ar dymheredd o 1500℃ a 1700℃. Ar 1900℃, mae'r lliw yn mynd yn ysgafnach, ac mae gronynnau hecsagonol yn ymddangos, sy'n dangos ar ôl i'r tymheredd godi i 1900℃, bod trawsnewidiad cyfnod yn digwydd, a bod rhan o β-SiC yn cael ei drawsnewid yn α-SiC; pan fydd y tymheredd yn parhau i godi i 2100℃, canfyddir bod y gronynnau syntheseiddiedig yn dryloyw, ac mae α-SiC wedi'i drawsnewid yn y bôn.
2.2.2 Effaith amser synthesis
Mae amodau proses eraill yn aros yr un fath, ac mae'r amser synthesis wedi'i osod i 4 awr, 8 awr, a 12 awr, yn y drefn honno. Mae'r powdr SiC a gynhyrchir yn cael ei samplu a'i ddadansoddi gan ddefnyddio diffractomedr (XRD). Dangosir y canlyniadau yn Ffigur 6. Mae gan yr amser synthesis ddylanwad penodol ar y cynnyrch a syntheseiddir gan bowdr SiC. Pan fo'r amser synthesis yn 4 awr ac 8 awr, y cynnyrch synthetig yn bennaf yw 6H-SiC; pan fo'r amser synthesis yn 12 awr, mae 15R-SiC yn ymddangos yn y cynnyrch.
2.2.3 Dylanwad cymhareb deunydd crai
Mae prosesau eraill yn aros yr un fath, dadansoddir faint o sylweddau silicon-carbon, a'r cymhareb yw 1.00, 1.05, 1.10 ac 1.15 yn y drefn honno ar gyfer arbrofion synthesis. Dangosir y canlyniadau yn Ffigur 7.
O'r sbectrwm XRD, gellir gweld pan fydd y gymhareb silicon-carbon yn fwy nag 1.05, mae gormod o Si yn ymddangos yn y cynnyrch, a phan fydd y gymhareb silicon-carbon yn llai nag 1.05, mae gormod o C yn ymddangos. Pan fydd y gymhareb silicon-carbon yn 1.05, mae'r carbon rhydd yn y cynnyrch synthetig yn cael ei ddileu i raddau helaeth, ac nid oes unrhyw silicon rhydd yn ymddangos. Felly, dylai'r gymhareb silicon-carbon fod yn 1.05 i syntheseiddio SiC purdeb uchel.
2.3 Rheoli cynnwys nitrogen isel mewn powdr
2.3.1 Deunyddiau crai synthetig
Y deunyddiau crai a ddefnyddir yn yr arbrawf hwn yw powdr carbon purdeb uchel a phowdr silicon purdeb uchel gyda diamedr canolrifol o 20 μm. Oherwydd eu maint gronynnau bach a'u harwynebedd penodol mawr, maent yn hawdd amsugno N2 yn yr awyr. Wrth syntheseiddio'r powdr, bydd yn cael ei ddwyn i ffurf grisial y powdr. Ar gyfer twf crisialau math-N, mae dopio anwastad N2 yn y powdr yn arwain at wrthwynebiad anwastad y grisial a hyd yn oed newidiadau yn y ffurf grisial. Mae cynnwys nitrogen y powdr syntheseiddiedig ar ôl cyflwyno hydrogen yn sylweddol isel. Mae hyn oherwydd bod cyfaint y moleciwlau hydrogen yn fach. Pan fydd yr N2 sydd wedi'i amsugno yn y powdr carbon a'r powdr silicon yn cael ei gynhesu a'i ddadelfennu o'r wyneb, mae H2 yn tryledu'n llwyr i'r bwlch rhwng y powdrau gyda'i gyfaint bach, gan ddisodli safle N2, ac mae N2 yn dianc o'r croeslin yn ystod y broses gwactod, gan gyflawni'r pwrpas o gael gwared ar y cynnwys nitrogen.
2.3.2 Proses synthesis
Yn ystod synthesis powdr silicon carbid, gan fod radiws yr atomau carbon a'r atomau nitrogen yn debyg, bydd nitrogen yn disodli bylchau carbon mewn silicon carbid, a thrwy hynny'n cynyddu'r cynnwys nitrogen. Mae'r broses arbrofol hon yn mabwysiadu'r dull o gyflwyno H2, ac mae H2 yn adweithio ag elfennau carbon a silicon yn y croeslin synthesis i gynhyrchu nwyon C2H2, C2H, a SiH. Mae cynnwys yr elfen carbon yn cynyddu trwy drosglwyddiad cyfnod nwy, a thrwy hynny'n lleihau bylchau carbon. Cyflawnir y pwrpas o gael gwared ar nitrogen.
2.3.3 Rheoli cynnwys nitrogen cefndir proses
Gellir defnyddio croesliniau graffit â mandylledd mawr fel ffynonellau C ychwanegol i amsugno anwedd Si yng nghydrannau'r cyfnod nwy, lleihau Si yng nghydrannau'r cyfnod nwy, ac felly cynyddu C/Si. Ar yr un pryd, gall croesliniau graffit hefyd adweithio ag awyrgylch Si i gynhyrchu Si2C, SiC2 a SiC, sy'n cyfateb i awyrgylch Si yn dod â ffynhonnell C o'r croeslin graffit i'r awyrgylch twf, gan gynyddu'r gymhareb C, a hefyd gynyddu'r gymhareb carbon-silicon. Felly, gellir cynyddu'r gymhareb carbon-silicon trwy ddefnyddio croesliniau graffit â mandylledd mawr, gan leihau gwagleoedd carbon, a chyflawni'r pwrpas o gael gwared ar nitrogen.
3 Dadansoddi a dylunio proses synthesis powdr grisial sengl
3.1 Egwyddor a dyluniad y broses synthesis
Drwy'r astudiaeth gynhwysfawr a grybwyllwyd uchod ar reoli maint y gronynnau, ffurf y grisial a chynnwys nitrogen y synthesis powdr, cynigir proses synthesis. Dewisir powdr C purdeb uchel a phowdr Si, ac maent yn cael eu cymysgu'n gyfartal a'u llwytho i mewn i grossibl graffit yn ôl cymhareb silicon-carbon o 1.05. Mae camau'r broses wedi'u rhannu'n bennaf yn bedwar cam:
1) Proses dadnitreiddio tymheredd isel, gan sugno llwch i 5 × 10-4 Pa, yna cyflwyno hydrogen, gan wneud pwysau'r siambr tua 80 kPa, ei gynnal am 15 munud, ac ailadrodd bedair gwaith. Gall y broses hon gael gwared ar elfennau nitrogen ar wyneb powdr carbon a phowdr silicon.
2) Proses dadnitreiddio tymheredd uchel, gan sugno i 5 × 10-4 Pa, yna cynhesu i 950 ℃, ac yna cyflwyno hydrogen, gan wneud pwysau'r siambr tua 80 kPa, ei gynnal am 15 munud, ac ailadrodd bedair gwaith. Gall y broses hon gael gwared ar elfennau nitrogen ar wyneb powdr carbon a phowdr silicon, a gyrru nitrogen yn y maes gwres.
3) Synthesis o'r broses cyfnod tymheredd isel, gwagio i 5 × 10-4 Pa, yna gwresogi i 1350 ℃, cadw am 12 awr, yna cyflwyno hydrogen i wneud pwysau'r siambr tua 80 kPa, cadw am 1 awr. Gall y broses hon gael gwared ar y nitrogen a anweddwyd yn ystod y broses synthesis.
4) Synthesis o'r broses cyfnod tymheredd uchel, llenwi â chymhareb llif cyfaint nwy penodol o hydrogen purdeb uchel ac nwy cymysg argon, gwneud pwysau'r siambr tua 80 kPa, codi'r tymheredd i 2100 ℃, cadw am 10 awr. Mae'r broses hon yn cwblhau trawsnewid powdr silicon carbid o β-SiC i α-SiC ac yn cwblhau twf gronynnau crisial.
Yn olaf, arhoswch i dymheredd y siambr oeri i dymheredd yr ystafell, llenwch i bwysau atmosfferig, a thynnwch y powdr allan.
3.2 Proses ôl-brosesu powdr
Ar ôl i'r powdr gael ei syntheseiddio gan y broses uchod, rhaid ei ôl-brosesu i gael gwared ar garbon rhydd, silicon ac amhureddau metel eraill a sgrinio maint y gronynnau. Yn gyntaf, rhoddir y powdr syntheseiddiedig mewn melin bêl i'w falu, a rhoddir y powdr silicon carbid wedi'i falu mewn ffwrnais muffle a'i gynhesu i 450°C gan ocsigen. Caiff y carbon rhydd yn y powdr ei ocsideiddio gan wres i gynhyrchu nwy carbon deuocsid sy'n dianc o'r siambr, gan gyflawni tynnu carbon rhydd. Wedi hynny, paratoir hylif glanhau asidig a'i roi mewn peiriant glanhau gronynnau silicon carbid i'w lanhau i gael gwared ar garbon, silicon ac amhureddau metel gweddilliol a gynhyrchir yn ystod y broses synthesis. Ar ôl hynny, caiff yr asid gweddilliol ei olchi mewn dŵr pur a'i sychu. Caiff y powdr sych ei sgrinio mewn sgrin ddirgrynol i ddewis maint gronynnau ar gyfer twf crisialau.
Amser postio: Awst-08-2024