Στη διαδικασία ανάπτυξης μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου, η φυσική μεταφορά ατμών είναι η τρέχουσα κύρια μέθοδος βιομηχανοποίησης. Για τη μέθοδο ανάπτυξης PVT,σκόνη καρβιδίου του πυριτίουέχει μεγάλη επίδραση στη διαδικασία ανάπτυξης. Όλες οι παράμετροι τουσκόνη καρβιδίου του πυριτίουεπηρεάζουν άμεσα την ποιότητα της ανάπτυξης μονοκρυστάλλων και τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Στις τρέχουσες βιομηχανικές εφαρμογές, τα συνήθως χρησιμοποιούμενασκόνη καρβιδίου του πυριτίουΗ διαδικασία σύνθεσης είναι η αυτοδιαδιδόμενη μέθοδος σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας.
Η αυτοπολλαπλασιαστική μέθοδος σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιεί υψηλή θερμοκρασία για να δώσει στα αντιδρώντα αρχική θερμότητα για την έναρξη χημικών αντιδράσεων και στη συνέχεια χρησιμοποιεί τη δική της θερμότητα χημικής αντίδρασης για να επιτρέψει στις μη αντιδράσες ουσίες να συνεχίσουν να ολοκληρώνουν τη χημική αντίδραση. Ωστόσο, επειδή η χημική αντίδραση του Si και του C απελευθερώνει λιγότερη θερμότητα, πρέπει να προστεθούν άλλα αντιδρώντα για να διατηρηθεί η αντίδραση. Ως εκ τούτου, πολλοί μελετητές έχουν προτείνει μια βελτιωμένη μέθοδο αυτοπολλαπλασιαστικής σύνθεσης σε αυτή τη βάση, εισάγοντας έναν ενεργοποιητή. Η αυτοπολλαπλασιαστική μέθοδος είναι σχετικά εύκολη στην εφαρμογή και διάφορες παράμετροι σύνθεσης είναι εύκολο να ελεγχθούν σταθερά. Η σύνθεση μεγάλης κλίμακας ανταποκρίνεται στις ανάγκες της βιομηχανοποίησης.
Ήδη από το 1999, το Μπρίτζπορτ χρησιμοποίησε την αυτοδιαδιδόμενη μέθοδο σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας για τη σύνθεσηΣκόνη SiC, αλλά χρησιμοποιούσε αιθοξυσιλάνιο και ρητίνη φαινόλης ως πρώτες ύλες, κάτι που ήταν δαπανηρό. Ο Gao Pan και άλλοι χρησιμοποίησαν σκόνη Si υψηλής καθαρότητας και σκόνη C ως πρώτες ύλες για τη σύνθεσηΣκόνη SiCμε αντίδραση υψηλής θερμοκρασίας σε ατμόσφαιρα αργού. Η Ning Lina παρασκεύασε μεγάλα σωματίδιαΣκόνη SiCμε δευτερογενή σύνθεση.
Ο φούρνος θέρμανσης με επαγωγή μέσης συχνότητας που αναπτύχθηκε από το Δεύτερο Ινστιτούτο Έρευνας της China Electronics Technology Group Corporation αναμειγνύει ομοιόμορφα σκόνη πυριτίου και σκόνη άνθρακα σε μια ορισμένη στοιχειομετρική αναλογία και τα τοποθετεί σε ένα χωνευτήριο γραφίτη.χωνευτήριο γραφίτητοποθετείται σε φούρνο θέρμανσης επαγωγής μέσης συχνότητας για θέρμανση και η αλλαγή θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για τη σύνθεση και τον μετασχηματισμό της φάσης χαμηλής θερμοκρασίας και της φάσης υψηλής θερμοκρασίας αντίστοιχα. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία της αντίδρασης σύνθεσης β-SiC στη φάση χαμηλής θερμοκρασίας είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία εξάτμισης του Si, η σύνθεση του β-SiC υπό υψηλό κενό μπορεί να διασφαλίσει την αυτοδιάδοση. Η μέθοδος εισαγωγής αργού, υδρογόνου και αερίου HCl στη σύνθεση του α-SiC αποτρέπει την αποσύνθεση τουΣκόνη SiCστο στάδιο υψηλής θερμοκρασίας, και μπορεί αποτελεσματικά να μειώσει την περιεκτικότητα σε άζωτο στη σκόνη α-SiC.
Ο Shandong Tianyue σχεδίασε έναν κλίβανο σύνθεσης, χρησιμοποιώντας αέριο σιλάνιο ως πρώτη ύλη πυριτίου και σκόνη άνθρακα ως πρώτη ύλη άνθρακα. Η ποσότητα της εισαγόμενης πρώτης ύλης ρυθμίστηκε με μια μέθοδο σύνθεσης δύο σταδίων και το τελικό μέγεθος σωματιδίων του συνθετικού καρβιδίου του πυριτίου ήταν μεταξύ 50 και 5.000 μm.
1 Παράγοντες ελέγχου της διαδικασίας σύνθεσης σκόνης
1.1 Επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων της σκόνης στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου έχει πολύ σημαντική επίδραση στην επακόλουθη ανάπτυξη του μονοκρυστάλλου. Η ανάπτυξη μονοκρυστάλλου SiC με τη μέθοδο PVT επιτυγχάνεται κυρίως με την αλλαγή της μοριακής αναλογίας πυριτίου και άνθρακα στο συστατικό της αέριας φάσης, και η μοριακή αναλογία πυριτίου και άνθρακα στο συστατικό της αέριας φάσης σχετίζεται με το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Η συνολική πίεση και η αναλογία πυριτίου-άνθρακα του συστήματος ανάπτυξης αυξάνονται με τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων. Όταν το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται από 2-3 mm σε 0,06 mm, η αναλογία πυριτίου-άνθρακα αυξάνεται από 1,3 σε 4,0. Όταν τα σωματίδια είναι μικρά σε κάποιο βαθμό, η μερική πίεση του Si αυξάνεται και σχηματίζεται ένα στρώμα μεμβράνης Si στην επιφάνεια του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου, προκαλώντας ανάπτυξη αερίου-υγρού-στερεού, η οποία επηρεάζει τον πολυμορφισμό, τα σημειακά ελαττώματα και τα γραμμικά ελαττώματα στον κρύσταλλο. Επομένως, το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας πρέπει να ελέγχεται καλά.
Επιπλέον, όταν το μέγεθος των σωματιδίων σκόνης SiC είναι σχετικά μικρό, η σκόνη αποσυντίθεται ταχύτερα, με αποτέλεσμα την υπερβολική ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC. Αφενός, στο περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας ανάπτυξης μονοκρυστάλλων SiC, οι δύο διαδικασίες σύνθεσης και αποσύνθεσης πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου αποσυντίθεται και σχηματίζει άνθρακα στην αέρια και στερεά φάση όπως Si, Si2C, SiC2, με αποτέλεσμα την σοβαρή ενανθράκωση της πολυκρυσταλλικής σκόνης και τον σχηματισμό εγκλεισμάτων άνθρακα στον κρύσταλλο. Αφετέρου, όταν ο ρυθμός αποσύνθεσης της σκόνης είναι σχετικά γρήγορος, η κρυσταλλική δομή του αναπτυγμένου μονοκρυστάλλου SiC είναι επιρρεπής σε αλλαγές, καθιστώντας δύσκολο τον έλεγχο της ποιότητας του αναπτυγμένου μονοκρυστάλλου SiC.
1.2 Επίδραση της μορφής κρυστάλλων σκόνης στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Η ανάπτυξη μονοκρυστάλλου SiC με τη μέθοδο PVT είναι μια διαδικασία εξάχνωσης-ανακρυστάλλωσης σε υψηλή θερμοκρασία. Η κρυσταλλική μορφή της πρώτης ύλης SiC έχει σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη των κρυστάλλων. Κατά τη διαδικασία σύνθεσης σκόνης, παράγεται κυρίως η φάση σύνθεσης χαμηλής θερμοκρασίας (β-SiC) με κυβική δομή του κελιού μονάδας και η φάση σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας (α-SiC) με εξαγωνική δομή του κελιού μονάδας. Υπάρχουν πολλές κρυσταλλικές μορφές καρβιδίου του πυριτίου και ένα στενό εύρος ελέγχου θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, το 3C-SiC θα μετατραπεί σε εξαγωνικό πολύμορφο καρβιδίου του πυριτίου, δηλαδή 4H/6H-SiC, σε θερμοκρασίες άνω των 1900°C.
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης μονοκρυστάλλου, όταν χρησιμοποιείται σκόνη β-SiC για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η μοριακή αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από 5,5, ενώ όταν χρησιμοποιείται σκόνη α-SiC για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η μοριακή αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι 1,2. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης στο χωνευτήριο. Σε αυτό το σημείο, η μοριακή αναλογία στην αέρια φάση γίνεται μεγαλύτερη, κάτι που δεν ευνοεί την ανάπτυξη κρυστάλλων. Επιπλέον, άλλες ακαθαρσίες αέριας φάσης, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, του πυριτίου και του διοξειδίου του πυριτίου, παράγονται εύκολα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μετάβασης φάσης. Η παρουσία αυτών των ακαθαρσιών προκαλεί τον σχηματισμό μικροσωλήνων και κενών στον κρύσταλλο. Επομένως, η μορφή του κρυστάλλου σκόνης πρέπει να ελέγχεται με ακρίβεια.
1.3 Επίδραση των ακαθαρσιών σκόνης στην ανάπτυξη κρυστάλλων
Η περιεκτικότητα σε προσμίξεις στη σκόνη SiC επηρεάζει την αυθόρμητη πυρήνωση κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε προσμίξεις, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να πυρηνωθεί αυθόρμητα ο κρύσταλλος. Για το SiC, οι κύριες μεταλλικές προσμίξεις περιλαμβάνουν τα B, Al, V και Ni, τα οποία μπορούν να εισαχθούν από εργαλεία επεξεργασίας κατά την επεξεργασία σκόνης πυριτίου και σκόνης άνθρακα. Μεταξύ αυτών, τα B και Al είναι οι κύριες προσμίξεις δέκτη ρηχής ενεργειακής στάθμης στο SiC, με αποτέλεσμα τη μείωση της ειδικής αντίστασης του SiC. Άλλες μεταλλικές προσμίξεις θα εισάγουν πολλά επίπεδα ενέργειας, με αποτέλεσμα ασταθείς ηλεκτρικές ιδιότητες των μονοκρυστάλλων SiC σε υψηλές θερμοκρασίες και έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιμονωτικών μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων υψηλής καθαρότητας, ιδιαίτερα στην ειδική αντίσταση. Επομένως, η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας πρέπει να συντίθεται όσο το δυνατόν περισσότερο.
1.4 Επίδραση της περιεκτικότητας σε άζωτο στη σκόνη στην ανάπτυξη των κρυστάλλων
Το επίπεδο περιεκτικότητας σε άζωτο καθορίζει την ειδική αντίσταση του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος. Οι μεγάλοι κατασκευαστές πρέπει να προσαρμόζουν τη συγκέντρωση προσμίξεων αζώτου στο συνθετικό υλικό σύμφωνα με τη διαδικασία ανάπτυξης ώριμων κρυστάλλων κατά τη σύνθεση σκόνης. Τα ημιμονωτικά μονοκρυσταλλικά υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας είναι τα πιο υποσχόμενα υλικά για ηλεκτρονικά εξαρτήματα στρατιωτικού πυρήνα. Για την ανάπτυξη ημιμονωτικών μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων υψηλής καθαρότητας με υψηλή ειδική αντίσταση και εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, η περιεκτικότητα του κύριου αζώτου στο υπόστρωμα πρέπει να ελέγχεται σε χαμηλό επίπεδο. Τα αγώγιμα μονοκρυσταλλικά υποστρώματα απαιτούν έλεγχο της περιεκτικότητας σε άζωτο σε σχετικά υψηλή συγκέντρωση.
2 Βασική τεχνολογία ελέγχου για τη σύνθεση σκόνης
Λόγω των διαφορετικών περιβαλλόντων χρήσης των υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου, η τεχνολογία σύνθεσης για τις σκόνες ανάπτυξης έχει επίσης διαφορετικές διαδικασίες. Για τις αγώγιμες σκόνες ανάπτυξης μονοκρυστάλλων τύπου Ν, απαιτείται υψηλή καθαρότητα προσμίξεων και μονοφασική σύνθεση, ενώ για τις ημιμονωτικές σκόνες ανάπτυξης μονοκρυστάλλων, απαιτείται αυστηρός έλεγχος της περιεκτικότητας σε άζωτο.
2.1 Έλεγχος μεγέθους σωματιδίων σκόνης
2.1.1 Θερμοκρασία σύνθεσης
Διατηρώντας αμετάβλητες τις υπόλοιπες συνθήκες διεργασίας, ελήφθησαν δείγματα και αναλύθηκαν σκόνες SiC που δημιουργήθηκαν σε θερμοκρασίες σύνθεσης 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ και 2200 ℃. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, φαίνεται ότι το μέγεθος των σωματιδίων είναι 250~600 μm στους 1900 ℃ και το μέγεθος των σωματιδίων αυξάνεται στα 600~850 μm στους 2000 ℃, με το μέγεθος των σωματιδίων να αλλάζει σημαντικά. Όταν η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται στους 2100 ℃, το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης SiC είναι 850~2360 μm και η αύξηση τείνει να είναι ήπια. Το μέγεθος των σωματιδίων του SiC στους 2200 ℃ είναι σταθερό περίπου στα 2360 μm. Η αύξηση της θερμοκρασίας σύνθεσης από τους 1900 ℃ έχει θετική επίδραση στο μέγεθος των σωματιδίων SiC. Όταν η θερμοκρασία σύνθεσης συνεχίζει να αυξάνεται από τους 2100 ℃, το μέγεθος των σωματιδίων δεν αλλάζει πλέον σημαντικά. Επομένως, όταν η θερμοκρασία σύνθεσης ρυθμιστεί στους 2100 ℃, μπορεί να συντεθεί μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
2.1.2 Χρόνος σύνθεσης
Οι υπόλοιπες συνθήκες της διεργασίας παραμένουν αμετάβλητες και ο χρόνος σύνθεσης ορίζεται σε 4 ώρες, 8 ώρες και 12 ώρες αντίστοιχα. Η ανάλυση δειγματοληψίας σκόνης SiC που δημιουργήθηκε φαίνεται στο Σχήμα 2. Διαπιστώνεται ότι ο χρόνος σύνθεσης έχει σημαντική επίδραση στο μέγεθος των σωματιδίων του SiC. Όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 4 ώρες, το μέγεθος των σωματιδίων κατανέμεται κυρίως στα 200 μm. όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 8 ώρες, το μέγεθος των συνθετικών σωματιδίων αυξάνεται σημαντικά, κατανεμημένο κυρίως στα 1.000 μm. Καθώς ο χρόνος σύνθεσης συνεχίζει να αυξάνεται, το μέγεθος των σωματιδίων αυξάνεται περαιτέρω, κατανεμημένο κυρίως στα 2.000 μm.
2.1.3 Επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων της πρώτης ύλης
Καθώς η εγχώρια αλυσίδα παραγωγής πυριτικών υλικών βελτιώνεται σταδιακά, βελτιώνεται περαιτέρω και η καθαρότητα των πυριτικών υλικών. Προς το παρόν, τα πυριτικά υλικά που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση χωρίζονται κυρίως σε κοκκώδες πυρίτιο και σε σκόνη πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.
Για τη διεξαγωγή πειραμάτων σύνθεσης καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές πρώτες ύλες πυριτίου. Η σύγκριση των συνθετικών προϊόντων φαίνεται στο Σχήμα 4. Η ανάλυση δείχνει ότι όταν χρησιμοποιούνται πρώτες ύλες πυριτίου σε μπλοκ, υπάρχει μεγάλη ποσότητα στοιχείων Si στο προϊόν. Μετά τη θραύση του μπλοκ πυριτίου για δεύτερη φορά, το στοιχείο Si στο συνθετικό προϊόν μειώνεται σημαντικά, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει. Τέλος, χρησιμοποιείται σκόνη πυριτίου για σύνθεση και μόνο SiC υπάρχει στο προϊόν. Αυτό συμβαίνει επειδή κατά τη διαδικασία παραγωγής, το μεγάλου μεγέθους κοκκώδες πυρίτιο πρέπει πρώτα να υποστεί αντίδραση επιφανειακής σύνθεσης και το καρβίδιο του πυριτίου συντίθεται στην επιφάνεια, γεγονός που εμποδίζει την περαιτέρω ένωση της εσωτερικής σκόνης Si με τη σκόνη C. Επομένως, εάν χρησιμοποιείται πυρίτιο σε μπλοκ ως πρώτη ύλη, πρέπει να θρυμματιστεί και στη συνέχεια να υποβληθεί σε δευτερογενή διαδικασία σύνθεσης για να ληφθεί σκόνη καρβιδίου του πυριτίου για ανάπτυξη κρυστάλλων.
2.2 Έλεγχος μορφής κρυστάλλων σκόνης
2.2.1 Επίδραση της θερμοκρασίας σύνθεσης
Διατηρώντας τις υπόλοιπες συνθήκες διεργασίας αμετάβλητες, η θερμοκρασία σύνθεσης είναι 1500℃, 1700℃, 1900℃ και 2100℃, και η παραγόμενη σκόνη SiC δειγματίζεται και αναλύεται. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, το β-SiC είναι γήινο κίτρινο και το α-SiC έχει ανοιχτότερο χρώμα. Παρατηρώντας το χρώμα και τη μορφολογία της συνθετικής σκόνης, μπορεί να προσδιοριστεί ότι το συνθετικό προϊόν είναι β-SiC σε θερμοκρασίες 1500℃ και 1700℃. Στους 1900℃, το χρώμα γίνεται ανοιχτότερο και εμφανίζονται εξαγωνικά σωματίδια, υποδεικνύοντας ότι μετά την άνοδο της θερμοκρασίας στους 1900℃, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης και μέρος του β-SiC μετατρέπεται σε α-SiC. Όταν η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται στους 2100℃, διαπιστώνεται ότι τα συνθετικά σωματίδια είναι διαφανή και το α-SiC έχει ουσιαστικά μετατραπεί.
2.2.2 Επίδραση του χρόνου σύνθεσης
Οι υπόλοιπες συνθήκες της διεργασίας παραμένουν αμετάβλητες και ο χρόνος σύνθεσης ορίζεται σε 4 ώρες, 8 ώρες και 12 ώρες, αντίστοιχα. Η παραγόμενη σκόνη SiC λαμβάνεται ως δείγμα και αναλύεται με περιθλασίμετρο (XRD). Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 6. Ο χρόνος σύνθεσης έχει κάποια επίδραση στο προϊόν που συντίθεται από τη σκόνη SiC. Όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 4 ώρες και 8 ώρες, το συνθετικό προϊόν είναι κυρίως 6H-SiC. Όταν ο χρόνος σύνθεσης είναι 12 ώρες, εμφανίζεται στο προϊόν 15R-SiC.
2.2.3 Επίδραση της αναλογίας πρώτων υλών
Οι υπόλοιπες διεργασίες παραμένουν αμετάβλητες, αναλύεται η ποσότητα των ουσιών πυριτίου-άνθρακα και οι αναλογίες είναι 1,00, 1,05, 1,10 και 1,15 αντίστοιχα για τα πειράματα σύνθεσης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 7.
Από το φάσμα XRD, φαίνεται ότι όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από 1,05, εμφανίζεται περίσσεια Si στο προϊόν, και όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι μικρότερη από 1,05, εμφανίζεται περίσσεια C. Όταν η αναλογία πυριτίου-άνθρακα είναι 1,05, ο ελεύθερος άνθρακας στο συνθετικό προϊόν ουσιαστικά εξαλείφεται και δεν εμφανίζεται ελεύθερο πυρίτιο. Επομένως, η αναλογία ποσοτήτων πυριτίου-άνθρακα θα πρέπει να είναι 1,05 για τη σύνθεση SiC υψηλής καθαρότητας.
2.3 Έλεγχος χαμηλής περιεκτικότητας σε άζωτο στη σκόνη
2.3.1 Συνθετικές πρώτες ύλες
Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το πείραμα είναι σκόνη άνθρακα υψηλής καθαρότητας και σκόνη πυριτίου υψηλής καθαρότητας με μέση διάμετρο 20 μm. Λόγω του μικρού μεγέθους των σωματιδίων και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας, απορροφούν εύκολα το N2 στον αέρα. Κατά τη σύνθεση της σκόνης, αυτή θα μετατραπεί στην κρυσταλλική μορφή της σκόνης. Για την ανάπτυξη κρυστάλλων τύπου Ν, η ανομοιόμορφη πρόσμιξη του N2 στη σκόνη οδηγεί σε ανομοιόμορφη αντίσταση του κρυστάλλου και ακόμη και σε αλλαγές στην κρυσταλλική μορφή. Η περιεκτικότητα σε άζωτο της συντιθέμενης σκόνης μετά την εισαγωγή υδρογόνου είναι σημαντικά χαμηλή. Αυτό συμβαίνει επειδή ο όγκος των μορίων υδρογόνου είναι μικρός. Όταν το N2 που προσροφάται στη σκόνη άνθρακα και τη σκόνη πυριτίου θερμαίνεται και αποσυντίθεται από την επιφάνεια, το H2 διαχέεται πλήρως στο κενό μεταξύ των σκονών με τον μικρό του όγκο, αντικαθιστώντας τη θέση του N2, και το N2 διαφεύγει από το χωνευτήριο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κενού, επιτυγχάνοντας τον σκοπό της απομάκρυνσης της περιεκτικότητας σε άζωτο.
2.3.2 Διαδικασία σύνθεσης
Κατά τη σύνθεση σκόνης καρβιδίου του πυριτίου, επειδή η ακτίνα των ατόμων άνθρακα και των ατόμων αζώτου είναι παρόμοια, το άζωτο θα αντικαταστήσει τις κενές θέσεις άνθρακα στο καρβίδιο του πυριτίου, αυξάνοντας έτσι την περιεκτικότητα σε άζωτο. Αυτή η πειραματική διαδικασία υιοθετεί τη μέθοδο εισαγωγής H2, και το H2 αντιδρά με στοιχεία άνθρακα και πυριτίου στο χωνευτήριο σύνθεσης για να παράγει αέρια C2H2, C2H και SiH. Η περιεκτικότητα σε στοιχεία άνθρακα αυξάνεται μέσω της μετάδοσης σε αέρια φάση, μειώνοντας έτσι τις κενές θέσεις άνθρακα. Ο σκοπός της απομάκρυνσης του αζώτου επιτυγχάνεται.
2.3.3 Έλεγχος περιεκτικότητας σε άζωτο υποβάθρου διεργασίας
Τα χωνευτήρια γραφίτη με μεγάλο πορώδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόσθετες πηγές C για την απορρόφηση ατμών Si στα συστατικά της αέριας φάσης, τη μείωση του Si στα συστατικά της αέριας φάσης και, επομένως, την αύξηση του C/Si. Ταυτόχρονα, τα χωνευτήρια γραφίτη μπορούν επίσης να αντιδράσουν με την ατμόσφαιρα Si για να παράγουν Si2C, SiC2 και SiC, κάτι που ισοδυναμεί με την ατμόσφαιρα Si που φέρνει την πηγή C από το χωνευτήριο γραφίτη στην ατμόσφαιρα ανάπτυξης, αυξάνοντας την αναλογία C και επίσης αυξάνοντας την αναλογία άνθρακα-πυριτίου. Επομένως, η αναλογία άνθρακα-πυριτίου μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας χωνευτήρια γραφίτη με μεγάλο πορώδες, μειώνοντας τις κενές θέσεις άνθρακα και επιτυγχάνοντας τον σκοπό της απομάκρυνσης του αζώτου.
3 Ανάλυση και σχεδιασμός της διαδικασίας σύνθεσης μονοκρυσταλλικής σκόνης
3.1 Αρχή και σχεδιασμός της διαδικασίας σύνθεσης
Μέσω της προαναφερθείσας ολοκληρωμένης μελέτης σχετικά με τον έλεγχο του μεγέθους των σωματιδίων, της κρυσταλλικής μορφής και της περιεκτικότητας σε άζωτο της σύνθεσης σκόνης, προτείνεται μια διαδικασία σύνθεσης. Επιλέγεται σκόνη C υψηλής καθαρότητας και σκόνη Si, αναμειγνύονται ομοιόμορφα και φορτώνονται σε χωνευτήριο γραφίτη σύμφωνα με αναλογία πυριτίου-άνθρακα 1,05. Τα βήματα της διαδικασίας χωρίζονται κυρίως σε τέσσερα στάδια:
1) Διαδικασία απονιτροποίησης σε χαμηλή θερμοκρασία, με κενό στα 5×10-4 Pa, στη συνέχεια εισαγωγή υδρογόνου, αύξηση της πίεσης του θαλάμου στα περίπου 80 kPa, διατήρηση για 15 λεπτά και επανάληψη τέσσερις φορές. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφαιρέσει τα στοιχεία αζώτου από την επιφάνεια της σκόνης άνθρακα και της σκόνης πυριτίου.
2) Διαδικασία απονιτροποίησης υψηλής θερμοκρασίας, με κενό στα 5×10-4 Pa, στη συνέχεια θέρμανση στους 950 ℃ και στη συνέχεια εισαγωγή υδρογόνου, αυξάνοντας την πίεση του θαλάμου στα περίπου 80 kPa, διατηρώντας την για 15 λεπτά και επαναλαμβάνοντας τέσσερις φορές. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφαιρέσει τα στοιχεία αζώτου από την επιφάνεια της σκόνης άνθρακα και της σκόνης πυριτίου και να οδηγήσει το άζωτο στο θερμικό πεδίο.
3) Σύνθεση φάσης χαμηλής θερμοκρασίας, εκκένωση σε 5×10-4 Pa, στη συνέχεια θέρμανση στους 1350℃, διατήρηση για 12 ώρες, στη συνέχεια εισαγωγή υδρογόνου για να επιτευχθεί πίεση θαλάμου περίπου 80 kPa, διατήρηση για 1 ώρα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να απομακρύνει το άζωτο που εξατμίζεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης.
4) Σύνθεση διεργασίας φάσης υψηλής θερμοκρασίας, πλήρωση με μια ορισμένη αναλογία ροής όγκου αερίου από μικτό αέριο υδρογόνου και αργού υψηλής καθαρότητας, αύξηση της πίεσης του θαλάμου περίπου 80 kPa, αύξηση της θερμοκρασίας στους 2100℃, διατήρηση για 10 ώρες. Αυτή η διαδικασία ολοκληρώνει τον μετασχηματισμό της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου από β-SiC σε α-SiC και ολοκληρώνει την ανάπτυξη κρυσταλλικών σωματιδίων.
Τέλος, περιμένετε να κρυώσει η θερμοκρασία του θαλάμου σε θερμοκρασία δωματίου, γεμίστε μέχρι την ατμοσφαιρική πίεση και αφαιρέστε τη σκόνη.
3.2 Διαδικασία μετεπεξεργασίας σκόνης
Αφού η σκόνη συντεθεί με την παραπάνω διαδικασία, πρέπει να υποβληθεί σε μετεπεξεργασία για την απομάκρυνση του ελεύθερου άνθρακα, του πυριτίου και άλλων μεταλλικών ακαθαρσιών και να κοσκινιστεί το μέγεθος των σωματιδίων. Αρχικά, η συνθετική σκόνη τοποθετείται σε σφαιρόμυλο για σύνθλιψη και η θρυμματισμένη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου τοποθετείται σε κλίβανο μούφλας και θερμαίνεται στους 450°C με οξυγόνο. Ο ελεύθερος άνθρακας στη σκόνη οξειδώνεται με θερμότητα για να παράγει αέριο διοξείδιο του άνθρακα που διαφεύγει από τον θάλαμο, επιτυγχάνοντας έτσι την απομάκρυνση του ελεύθερου άνθρακα. Στη συνέχεια, παρασκευάζεται ένα όξινο υγρό καθαρισμού και τοποθετείται σε μια μηχανή καθαρισμού σωματιδίων καρβιδίου του πυριτίου για καθαρισμό, ώστε να αφαιρεθεί ο άνθρακας, το πυρίτιο και οι υπολειμματικές μεταλλικές ακαθαρσίες που παράγονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης. Στη συνέχεια, το υπολειμματικό οξύ πλένεται με καθαρό νερό και ξηραίνεται. Η αποξηραμένη σκόνη κοσκινίζεται σε δονούμενο κόσκινο για επιλογή μεγέθους σωματιδίων για ανάπτυξη κρυστάλλων.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Αυγούστου 2024