Yn it silisiumkarbide ienkristalgroeiproses is fysyk damptransport de hjoeddeiske mainstream yndustrialisaasjemetoade. Foar de PVT-groeimetoade,silisiumkarbidpoeierhat in grutte ynfloed op it groeiproses. Alle parameters fansilisiumkarbidpoeierhawwe direkt ynfloed op de kwaliteit fan ienkristalgroei en elektryske eigenskippen. Yn hjoeddeistige yndustriële tapassingen wurdt de gewoan brûktesilisiumkarbidpoeierIt syntezeproses is de selsferspriedende hege-temperatuer syntezemetoade.
De selspropagearjende hege-temperatuer syntezemetoade brûkt hege temperatuer om de reaktanten inisjele waarmte te jaan om gemyske reaksjes te begjinnen, en brûkt dan syn eigen gemyske reaksjewaarmte om de net-reagearre stoffen troch te litten gean om de gemyske reaksje te foltôgjen. Omdat de gemyske reaksje fan Si en C lykwols minder waarmte frijmakket, moatte oare reaktanten tafoege wurde om de reaksje te behâlden. Dêrom hawwe in protte gelearden in ferbettere selspropagearjende syntezemetoade foarsteld op dizze basis, wêrby't in aktivator yntrodusearre wurdt. De selspropagearjende metoade is relatyf maklik te ymplementearjen, en ferskate syntezeparameters binne maklik stabyl te kontrolearjen. Grutskalige synteze foldocht oan 'e behoeften fan yndustrialisaasje.
Al yn 1999 brûkte Bridgeport de selsferspriedende hege-temperatuer syntezemetoade om te synthesisearjenSiC-poeier, mar it brûkte etoxysilaan en fenolhars as grûnstoffen, wat djoer wie. Gao Pan en oaren brûkten Si-poeier mei hege suverens en C-poeier as grûnstoffen om te synthesisearjenSiC-poeiertroch in reaksje op hege temperatuer yn in argonatmosfear. Ning Lina makke grutte dieltsjesSiC-poeiertroch sekundêre synteze.
De middelfrekwinsje-ynduksjeferwaarmingsoven ûntwikkele troch it Twadde Undersyksynstitút fan China Electronics Technology Group Corporation mingt silisiumpoeier en koalstofpoeier lykmatig yn in bepaalde stoichiometryske ferhâlding en pleatst se yn in grafytkroes.grafytkroeswurdt pleatst yn in middelfrekwinsje-ynduksjeferwaarmingsoven foar ferwaarming, en de temperatuerferoaring wurdt brûkt om respektivelik de lege-temperatuerfaze en hege-temperatuerfaze silisiumkarbid te synthesisearjen en te transformearjen. Om't de temperatuer fan 'e β-SiC-synthesereaksje yn' e lege-temperatuerfaze leger is as de ferdampingstemperatuer fan Si, kin de synteze fan β-SiC ûnder heech fakuüm de selsfersprieding goed garandearje. De metoade fan it ynfieren fan argon, wetterstof en HCl-gas yn 'e synteze fan α-SiC foarkomt de ûntbining fanSiC-poeieryn 'e hege temperatuerfaze, en kin it stikstofgehalte yn α-SiC-poeier effektyf ferminderje.
Shandong Tianyue ûntwurp in syntezeoven, mei silaangas as silisiumrau materiaal en koalstofpoeier as koalstofrau materiaal. De hoemannichte ynfierd rau materiaalgas waard oanpast troch in twa-stap syntezemetoade, en de úteinlike syntetisearre silisiumkarbidpartikelgrutte wie tusken 50 en 5000 µm.
1 Kontrôlefaktoaren fan it proses fan poeiersynteze
1.1 Effekt fan poeierpartikelgrutte op kristalgroei
De dieltsjegrutte fan silisiumkarbidpoeier hat in tige wichtige ynfloed op 'e neifolgjende groei fan ien kristal. De groei fan SiC-ien kristal mei de PVT-metoade wurdt benammen berikt troch de molferhâlding fan silisium en koalstof yn 'e gasfazekomponint te feroarjen, en de molferhâlding fan silisium en koalstof yn 'e gasfazekomponint is relatearre oan 'e dieltsjegrutte fan silisiumkarbidpoeier. De totale druk en silisium-koalstofferhâlding fan it groeisysteem nimme ta mei de ôfname fan dieltsjegrutte. As de dieltsjegrutte ôfnimt fan 2-3 mm nei 0,06 mm, nimt de silisium-koalstofferhâlding ta fan 1,3 nei 4,0. As de dieltsjes oant in beskate mjitte lyts binne, nimt de Si-partialdruk ta, en wurdt in laach Si-film foarme op it oerflak fan 'e groeiende kristal, wêrtroch gas-floeistof-fêste stof groei feroarsake wurdt, wat ynfloed hat op it polymorfisme, puntdefekten en linedefekten yn 'e kristal. Dêrom moat de dieltsjegrutte fan heechsuvere silisiumkarbidpoeier goed kontroleare wurde.
Derneist, as de grutte fan SiC-poeierdieltsjes relatyf lyts is, ûntbûnt it poeier rapper, wat resulteart yn oermjittige groei fan SiC-ienkristallen. Oan 'e iene kant wurde yn 'e hege-temperatueromjouwing fan SiC-ienkristallgroei de twa prosessen fan synteze en ûntbining tagelyk útfierd. Silisiumkarbidpoeier sil ûntbine en koalstof foarmje yn 'e gasfaze en fêste faze lykas Si, Si2C, SiC2, wat resulteart yn serieuze karbonisaasje fan polykristallijn poeier en de foarming fan koalstofynklúzjes yn it kristal; oan 'e oare kant, as de ûntbiningssnelheid fan it poeier relatyf rap is, is de kristalstruktuer fan it groeide SiC-ienkristall gefoelich foar feroaring, wêrtroch it lestich is om de kwaliteit fan it groeide SiC-ienkristall te kontrolearjen.
1.2 Effekt fan poeierkristalfoarm op kristalgroei
De groei fan SiC-ienkristal mei de PVT-metoade is in sublimaasje-rekristallisaasjeproses by hege temperatuer. De kristalfoarm fan SiC-rau materiaal hat in wichtige ynfloed op kristalgroei. Yn it proses fan poeiersynteze sille benammen de leechtemperatuersyntezefaze (β-SiC) mei in kubyske struktuer fan 'e ienheidssel en de hegetemperatuersyntezefaze (α-SiC) mei in hexagonale struktuer fan 'e ienheidssel produsearre wurde. D'r binne in protte silisiumkarbidkristalfoarmen en in smel temperatuerkontrôleberik. Bygelyks, 3C-SiC sil transformearje yn hexagonale silisiumkarbidpolymorf, dus 4H/6H-SiC, by temperatueren boppe 1900 °C.
Tidens it groeiproses fan ien kristal, as β-SiC-poeier brûkt wurdt om kristallen te groeien, is de molferhâlding silisium-koalstof grutter as 5.5, wylst as α-SiC-poeier brûkt wurdt om kristallen te groeien, de molferhâlding silisium-koalstof 1.2 is. As de temperatuer omheech giet, fynt der in fazeoergong plak yn 'e kroes. Op dit stuit wurdt de molferhâlding yn 'e gasfaze grutter, wat net geunstich is foar kristalgroei. Derneist wurde oare gasfaze-ûnreinheden, ynklusyf koalstof, silisium en silisiumdiokside, maklik generearre tidens it fazeoergongsproses. De oanwêzigens fan dizze ûnreinheden feroarsaket dat de kristal mikrobuizen en holtes foarme. Dêrom moat de poeierkristalfoarm presys kontroleare wurde.
1.3 Effekt fan ûnreinheden yn poeier op kristalgroei
It ûnreinheidsgehalte yn SiC-poeier beynfloedet de spontane kearnfoarming tidens kristalgroei. Hoe heger it ûnreinheidsgehalte, hoe minder kâns it is dat de kristal spontaan kearnfoarmet. Foar SiC omfetsje de wichtichste metaalûnreinheden B, Al, V en Ni, dy't ynfierd wurde kinne troch ferwurkingsark tidens de ferwurking fan silikonpoeier en koalstofpoeier. Dêrûnder binne B en Al de wichtichste ûnreinheden mei in ûndjippe enerzjynivo-akseptor yn SiC, wat resulteart yn in ôfname fan 'e SiC-wjerstân. Oare metaalûnreinheden sille in protte enerzjynivo's ynfiere, wat resulteart yn ynstabile elektryske eigenskippen fan SiC-ienkristallen by hege temperatueren, en in gruttere ynfloed hawwe op 'e elektryske eigenskippen fan heechsuvere healisolearjende ienkristallsubstraten, foaral de wjerstân. Dêrom moat heechsuvere silikonkarbidpoeier safolle mooglik synthetisearre wurde.
1.4 Effekt fan stikstofynhâld yn poeier op kristalgroei
It nivo fan stikstofynhâld bepaalt de wjerstân fan it ienkristalsubstraat. Grutte fabrikanten moatte de stikstofdopingkonsintraasje yn it syntetyske materiaal oanpasse neffens it groeiproses fan folwoeksen kristal tidens poeiersynteze. Heech-suvere heal-isolearjende silisiumkarbide ienkristalsubstraten binne de meast belofte materialen foar militêre kearnelektronyske komponinten. Om heech-suvere heal-isolearjende ienkristalsubstraten te kweken mei hege wjerstân en poerbêste elektryske eigenskippen, moat de ynhâld fan 'e wichtichste ûnreinheidsstikstof yn it substraat op in leech nivo kontroleare wurde. Geliedende ienkristalsubstraten fereaskje dat de stikstofynhâld op in relatyf hege konsintraasje kontroleare wurdt.
2 Wichtige kontrôletechnology foar poeiersynteze
Fanwegen de ferskillende gebrûksomjouwings fan silisiumkarbidsubstraten hat de syntezetechnology foar groeipoeders ek ferskillende prosessen. Foar N-type geleidende ienkristalgroeipoeders binne hege ûnreinheidssuverens en ienfaze fereaske; wylst foar heal-isolearjende ienkristalgroeipoeders strange kontrôle fan it stikstofgehalte fereaske is.
2.1 Kontrôle fan poeierdieltsjesgrutte
2.1.1 Syntezetemperatuer
Mei oare prosesbetingsten ûnferoare, waarden SiC-poeders generearre by syntezetemperatueren fan 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, en 2200 ℃ sampled en analysearre. Lykas te sjen is yn figuer 1, kin sjoen wurde dat de dieltsjegrutte 250~600 μm is by 1900 ℃, en de dieltsjegrutte nimt ta nei 600~850 μm by 2000 ℃, en de dieltsjegrutte feroaret signifikant. As de temperatuer bliuwt te stigen nei 2100 ℃, is de dieltsjegrutte fan SiC-poeier 850~2360 μm, en de tanimming is meastentiids stadich. De dieltsjegrutte fan SiC by 2200 ℃ is stabyl op sawat 2360 μm. De tanimming fan 'e syntezetemperatuer fan 1900 ℃ hat in posityf effekt op 'e SiC-dieltsjegrutte. As de syntezetemperatuer bliuwt te stigen fan 2100 ℃, feroaret de dieltsjegrutte net mear signifikant. Dêrom, as de syntezetemperatuer ynsteld is op 2100 ℃, kin in gruttere dieltsjegrutte synthetisearre wurde mei in leger enerzjyferbrûk.
2.1.2 Syntezetiid
Oare prosesbetingsten bliuwe ûnferoare, en de syntezetiid is ynsteld op respektivelik 4 oeren, 8 oeren en 12 oeren. De generearre SiC-poeier-samplinganalyse wurdt werjûn yn figuer 2. It is fûn dat de syntezetiid in signifikant effekt hat op 'e dieltsjegrutte fan SiC. As de syntezetiid 4 oeren is, is de dieltsjegrutte benammen ferdield oer 200 μm; as de syntezetiid 8 oeren is, nimt de syntetyske dieltsjegrutte signifikant ta, benammen ferdield oer sawat 1.000 μm; as de syntezetiid trochgiet mei tanimmen, nimt de dieltsjegrutte fierder ta, benammen ferdield oer sawat 2.000 μm.
2.1.3 Ynfloed fan dieltsjegrutte fan grûnstoffen
As de produksjeketen foar húshâldlik silisiummateriaal stadichoan ferbetteret, wurdt de suverens fan silisiummaterialen ek fierder ferbettere. Op it stuit wurde de silisiummaterialen dy't brûkt wurde yn synteze benammen ferdield yn granulearre silisium en poeierde silisium, lykas te sjen is yn figuer 3.
Ferskillende silisiumrauwe materialen waarden brûkt om silisiumkarbidsynteze-eksperiminten út te fieren. De fergeliking fan 'e syntetyske produkten wurdt werjûn yn figuer 4. Analyse lit sjen dat by it brûken fan bloksilisiumrauwe materialen in grutte hoemannichte Si-eleminten oanwêzich binne yn it produkt. Nei't it silisiumblok foar de twadde kear ferpletterd is, wurdt it Si-elemint yn it syntetyske produkt signifikant fermindere, mar it bestiet noch altyd. Uteinlik wurdt silisiumpoeier brûkt foar synteze, en allinich SiC is oanwêzich yn it produkt. Dit komt om't yn it produksjeproses grutskalige korrelige silisium earst in oerflaksynteze-reaksje ûndergean moat, en silisiumkarbid wurdt op it oerflak synthetisearre, wat foarkomt dat it ynterne Si-poeier fierder kombinearret mei C-poeier. Dêrom, as bloksilisium as grûnstof brûkt wurdt, moat it ferpletterd wurde en dan ûnderwurpen wurde oan in sekundêr syntezeproses om silisiumkarbidpoeier te krijen foar kristalgroei.
2.2 Kontrôle fan poederkristalfoarm
2.2.1 Ynfloed fan syntezetemperatuer
As oare prosesbetingsten net feroare wurde, is de syntezetemperatuer 1500℃, 1700℃, 1900℃, en 2100℃, en wurdt it generearre SiC-poeier sampled en analysearre. Lykas te sjen is yn figuer 5, is β-SiC ierdgiel, en α-SiC is lichter fan kleur. Troch de kleur en morfology fan it synthetisearre poeier te observearjen, kin bepaald wurde dat it synthetisearre produkt β-SiC is by temperatueren fan 1500℃ en 1700℃. By 1900℃ wurdt de kleur lichter, en ferskine hexagonale dieltsjes, wat oanjout dat nei't de temperatuer omheech giet nei 1900℃, in faze-oergong plakfynt, en in diel fan β-SiC wurdt omset yn α-SiC; as de temperatuer trochgiet mei omheech gean nei 2100℃, wurdt fûn dat de synthetisearre dieltsjes transparant binne, en α-SiC is yn prinsipe omset.
2.2.2 Effekt fan syntezetiid
Oare prosesbetingsten bliuwe ûnferoare, en de syntezetiid is ynsteld op respektivelik 4 oeren, 8 oeren en 12 oeren. It generearre SiC-poeier wurdt sampled en analysearre mei in diffraktometer (XRD). De resultaten wurde werjûn yn figuer 6. De syntezetiid hat in bepaalde ynfloed op it produkt dat troch SiC-poeier synthetisearre wurdt. As de syntezetiid 4 oeren en 8 oeren is, is it synthetyske produkt benammen 6H-SiC; as de syntezetiid 12 oeren is, ferskynt 15R-SiC yn it produkt.
2.2.3 Ynfloed fan grûnstofferhâlding
Oare prosessen bliuwe ûnferoare, de hoemannichte silisium-koalstofstoffen wurdt analysearre, en de ferhâldingen binne respektivelik 1.00, 1.05, 1.10 en 1.15 foar synteze-eksperiminten. De resultaten wurde werjûn yn figuer 7.
Ut it XRD-spektrum kin sjoen wurde dat as de silisium-koalstofferhâlding grutter is as 1.05, in oerskot Si yn it produkt ferskynt, en as de silisium-koalstofferhâlding minder is as 1.05, in oerskot C ferskynt. As de silisium-koalstofferhâlding 1.05 is, wurdt de frije koalstof yn it synthetyske produkt yn prinsipe eliminearre, en ferskynt der gjin frij silisium. Dêrom moat de hoemannichteferhâlding fan silisium-koalstofferhâlding 1.05 wêze om SiC mei hege suverens te synthetisearjen.
2.3 Kontrôle fan leech stikstofgehalte yn poeier
2.3.1 Syntetyske grûnstoffen
De grûnstoffen dy't yn dit eksperimint brûkt wurde binne koalstofpoeier mei hege suverens en silisiumpoeier mei hege suverens mei in mediane diameter fan 20 μm. Troch har lytse dieltsjegrutte en grutte spesifike oerflakte kinne se maklik N2 yn 'e loft opnimme. By it synthetisearjen fan it poeier wurdt it yn 'e kristalfoarm fan it poeier brocht. Foar de groei fan N-type kristallen liedt de ûngelikense doping fan N2 yn it poeier ta ûngelikense wjerstân fan it kristal en sels feroaringen yn 'e kristalfoarm. It stikstofgehalte fan it synthetisearre poeier nei't wetterstof ynfierd is, is signifikant leech. Dit komt om't it folume fan wetterstofmolekulen lyts is. As de N2 dy't yn it koalstofpoeier en silisiumpoeier adsorbearre is, ferwaarme en fan it oerflak ôfbrutsen wurdt, diffundearret H2 folslein yn 'e gat tusken de poeiers mei syn lytse folume, wêrby't de posysje fan N2 ferfongen wurdt, en N2 ûntsnapt út 'e kroes tidens it fakuümproses, wêrtroch it doel berikt wurdt om it stikstofgehalte te ferwiderjen.
2.3.2 Syntezeproses
Tidens de synteze fan silisiumkarbidpoeier, om't de radius fan koalstofatomen en stikstofatomen fergelykber is, sil stikstof de koalstoffakanten yn silisiumkarbid ferfange, wêrtroch't it stikstofgehalte tanimt. Dit eksperimintele proses brûkt de metoade fan it ynfieren fan H2, en H2 reagearret mei koalstof- en silisiumeleminten yn 'e syntezekroes om C2H2-, C2H- en SiH-gassen te generearjen. It koalstofelemintgehalte nimt ta troch gasfazetransmisje, wêrtroch't de koalstoffakanten wurde fermindere. It doel fan it fuortheljen fan stikstof wurdt berikt.
2.3.3 Kontrôle fan it eftergrûnstikstofgehalte fan it proses
Grafytkroezen mei grutte porositeit kinne brûkt wurde as ekstra C-boarnen om Si-damp yn 'e gasfazekomponinten te absorbearjen, Si yn 'e gasfazekomponinten te ferminderjen en sadwaande C/Si te ferheegjen. Tagelyk kinne grafytkroezen ek reagearje mei de Si-atmosfear om Si2C, SiC2 en SiC te generearjen, wat lykweardich is oan in Si-atmosfear dy't de C-boarne fan 'e grafytkroes yn 'e groeiatmosfear bringt, wêrtroch't de C-ferhâlding tanimt en ek de koalstof-silisiumferhâlding tanimt. Dêrom kin de koalstof-silisiumferhâlding ferhege wurde troch grafytkroezen mei grutte porositeit te brûken, wêrtroch koalstoffakanten wurde fermindere en it doel fan it fuortheljen fan stikstof berikt wurdt.
3 Analyse en ûntwerp fan it proses foar it synthesearjen fan ienkristalpoeier
3.1 Prinsipe en ûntwerp fan syntezeproses
Troch de hjirboppe neamde wiidweidige stúdzje oer de kontrôle fan 'e dieltsjegrutte, kristalfoarm en stikstofynhâld fan 'e poeiersynteze, wurdt in syntezeproses foarsteld. Heechsuvere C-poeier en Si-poeier wurde selektearre, en se wurde lykmatig mingd en yn in grafytkroes laden neffens in silisium-koalstofferhâlding fan 1.05. De prosesstappen binne benammen ferdield yn fjouwer stadia:
1) Denitrifikaasjeproses by lege temperatuer, ûnder fakuüm nei 5 × 10-4 Pa, dan wetterstof ynfiere, de keamerdruk sawat 80 kPa meitsje, 15 minuten oanhâlde en fjouwer kear werhelje. Dit proses kin stikstofeleminten op it oerflak fan koalstofpoeier en silisiumpoeier fuortsmite.
2) Hege-temperatuer denitrifikaasjeproses, stofzuigje nei 5 × 10-4 Pa, dan ferwaarmje nei 950 ℃, en dan wetterstof ynfiere, de keamerdruk sawat 80 kPa meitsje, 15 minuten oanhâlde, en fjouwer kear werhelje. Dit proses kin stikstofeleminten op it oerflak fan koalstofpoeier en silisiumpoeier fuortsmite, en stikstof yn it waarmtefjild oandriuwe.
3) Synteze fan it lege temperatuerfazeproses, evakuearje nei 5 × 10-4 Pa, dan ferwaarmje oant 1350 ℃, hâld 12 oeren, dan wetterstof ynfiere om de keamerdruk sawat 80 kPa te meitsjen, hâld 1 oere. Dit proses kin de stikstof fuortsmite dy't ferdampt is tidens it syntezeproses.
4) Synteze fan it hege-temperatuerfazeproses, folje mei in bepaalde gasvolumestreamferhâlding fan hege suverens wetterstof en argonmingd gas, meitsje de keamerdruk sawat 80 kPa, ferheegje de temperatuer nei 2100 ℃, hâld it 10 oeren. Dit proses foltôget de transformaasje fan silisiumkarbidpoeier fan β-SiC nei α-SiC en foltôget de groei fan kristalpartikels.
Wachtsje úteinlik oant de keamertemperatuer ôfkuolle is nei keamertemperatuer, folje oant atmosfearyske druk, en nim it poeier derút.
3.2 Proses nei ferwurking fan poeier
Nei't it poeier troch it boppesteande proses synthetisearre is, moat it neiferwurke wurde om frije koalstof, silisium en oare metaalûnreinheden te ferwiderjen en de dieltsjesgrutte te screenen. Earst wurdt it synthetisearre poeier yn in kûgelmûne pleatst foar it ferpletterjen, en it ferpletterde silisiumkarbidpoeier wurdt yn in muffeloven pleatst en ferwaarme oant 450 °C troch soerstof. De frije koalstof yn it poeier wurdt oksidearre troch waarmte om koalstofdioksidegas te generearjen dat út 'e keamer ûntsnapt, wêrtroch't de frije koalstof fuorthelle wurdt. Dêrnei wurdt in soere reinigingsfloeistof taret en yn in silisiumkarbidpartikelreinigingsmasine pleatst foar skjinmeitsjen om koalstof, silisium en oerbleaune metaalûnreinheden te ferwiderjen dy't ûntstien binne tidens it syntezeproses. Dêrnei wurdt it oerbleaune soer wosken yn suver wetter en droege. It droege poeier wurdt screene yn in triljende skerm foar dieltsjesgrutte seleksje foar kristalgroei.
Pleatsingstiid: 8 augustus 2024