Sa phróiseas fáis criostail aonair sileacain charbíde, is é iompar gaile fisiceach an modh tionsclaíochta príomhshrutha reatha. Maidir leis an modh fáis PVT,púdar sileacain charbaídebíonn tionchar mór aige ar an bpróiseas fáis. Gach paraiméadar depúdar sileacain charbaídebíonn tionchar díreach acu ar cháilíocht fhás criostail aonair agus ar airíonna leictreacha. In iarratais thionsclaíocha reatha, is iad na cinn a úsáidtear go coitiantapúdar sileacain charbaídeIs é an próiseas sintéise an modh sintéise ardteochta féiniomadaithe.
Úsáideann an modh sintéise féiniomadaithe ardteochta teocht ard chun teas tosaigh a thabhairt do na himoibrithe chun imoibrithe ceimiceacha a thosú, agus ansin úsáideann sé a theas imoibrithe ceimicigh féin chun ligean do na substaintí neamh-imoibrithe leanúint ar aghaidh ag críochnú an imoibrithe ceimicigh. Mar sin féin, ós rud é go scaoileann imoibriú ceimiceach Si agus C níos lú teasa, ní mór imoibrithe eile a chur leis chun an t-imoibriú a choinneáil. Dá bhrí sin, tá modh sintéise féiniomadaithe feabhsaithe molta ag go leor scoláirí ar an mbonn seo, ag tabhairt isteach gníomhachtaithe. Tá an modh féiniomadaithe réasúnta éasca a chur i bhfeidhm, agus tá sé éasca paraiméadair shintéise éagsúla a rialú go cobhsaí. Freastalaíonn sintéis ar scála mór ar riachtanais na tionsclaíochta.
Chomh luath le 1999, bhain Bridgeport úsáid as an modh sintéise ardteochta féin-iomadaithe chun sintéis a dhéanamhPúdar SiC, ach úsáideadh eitocsaisilán agus roisín feinil mar amhábhair, rud a bhí costasach. Bhain Gao Pan agus daoine eile úsáid as púdar Si ard-íonachta agus púdar C mar amhábhair chun é a shintéisiúPúdar SiCtrí imoibriú ardteochta in atmaisféar argóin. D'ullmhaigh Ning Lina cáithníní móraPúdar SiCtrí shintéis thánaisteach.
Meascann an foirnéis téimh ionduchtaithe meánmhinicíochta arna forbairt ag an Dara Institiúid Taighde de chuid Ghrúpa Teicneolaíochta Leictreonaice na Síne púdar sileacain agus púdar carbóin go cothrom i gcóimheas stoicheiméadrach áirithe agus cuireann sé iad i mbreogán graifíte.breogán graifítecuirtear i bhfoirnéis téimh ionduchtaithe meánmhinicíochta é le haghaidh téimh, agus úsáidtear an t-athrú teochta chun an chéim ísealteochta agus an chéim ardteochta a shintéisiú agus a chlaochlú faoi seach. Ós rud é go bhfuil teocht imoibriú shintéise β-SiC sa chéim ísealteochta níos ísle ná teocht luainithe Si, is féidir le sintéis β-SiC faoi fholús ard an féin-iomadú a chinntiú go maith. Cuireann an modh ina dtugtar argón, hidrigin agus gás HCl isteach i sintéis α-SiC cosc ar dhianscaoileadhPúdar SiCsa chéim ardteochta, agus is féidir leis an cion nítrigine i bpúdar α-SiC a laghdú go héifeachtach.
Dhear Shandong Tianyue foirnéis sintéise, ag baint úsáide as gás sileacain mar amhábhar sileacain agus púdar carbóin mar amhábhar carbóin. Rinneadh coigeartú ar an méid gáis amhábhar a tugadh isteach trí mhodh sintéise dhá chéim, agus bhí méid deiridh na gcáithníní cairbíde sileacain sintéisithe idir 50 agus 5,000 um.
1 Fachtóirí rialaithe phróiseas sintéise púdair
1.1 Éifeacht mhéid na gcáithníní púdair ar fhás criostail
Tá tionchar an-tábhachtach ag méid na gcáithníní i bpúdar cairbíde sileacain ar fhás an chriostail aonair ina dhiaidh sin. Baintear fás criostail aonair SiC tríd an modh PVT amach go príomha trí athrú a dhéanamh ar an gcóimheas mólarach de shilicean agus de charbón sa chomhpháirt chéim gháis, agus tá an cóimheas mólarach de shilicean agus de charbón sa chomhpháirt chéim gháis gaolmhar le méid na gcáithníní i bpúdar cairbíde sileacain. Méadaíonn an brú iomlán agus an cóimheas sileacain-charbóin den chóras fáis de réir mar a laghdaíonn méid na gcáithníní. Nuair a laghdaíonn méid na gcáithníní ó 2-3 mm go 0.06 mm, méadaíonn an cóimheas sileacain-charbóin ó 1.3 go 4.0. Nuair a bhíonn na cáithníní beag go pointe áirithe, méadaíonn an brú páirteach Si, agus cruthaítear sraith de scannán Si ar dhromchla an chriostail atá ag fás, rud a spreagann fás gáis-leachtach-soladach, a théann i bhfeidhm ar an bpolaimorfacht, lochtanna pointe agus lochtanna líne sa chriostal. Dá bhrí sin, ní mór méid na gcáithníní i bpúdar cairbíde sileacain ard-íonachta a rialú go maith.
Ina theannta sin, nuair a bhíonn méid na gcáithníní púdair SiC sách beag, dianscaoileann an púdar níos tapúla, rud a fhágann go bhfásann criostail aonair SiC iomarcach. Ar thaobh amháin, i dtimpeallacht ardteochta fáis criostail aonair SiC, déantar an dá phróiseas sintéise agus dianscaoilte ag an am céanna. Déanfaidh púdar cairbíde sileacain dianscaoileadh agus foirmiú carbóin sa chéim gháis agus sa chéim sholadach amhail Si, Si2C, SiC2, rud a fhágann go mbeidh carbónú tromchúiseach ar phúdar ilchriostalach agus foirmiú carbóin sa chriostal; ar an láimh eile, nuair a bhíonn ráta dianscaoilte an phúdair sách tapa, bíonn struchtúr criostail an chriostail aonair SiC atá fáisithe seans maith go n-athróidh sé, rud a fhágann go bhfuil sé deacair cáilíocht an chriostail aonair SiC atá fáisithe a rialú.
1.2 Éifeacht fhoirm chriostail púdair ar fhás criostail
Is próiseas athchriostalaithe sublimation ag teocht ard é fás criostail aonair SiC tríd an modh PVT. Tá tionchar tábhachtach ag foirm chriostail amhábhar SiC ar fhás criostail. I bpróiseas sintéise púdair, is é an chéim sintéise ísealteochta (β-SiC) le struchtúr ciúbach den chill aonaid agus an chéim sintéise ardteochta (α-SiC) le struchtúr heicseagánach den chill aonaid a tháirgtear den chuid is mó. Tá go leor foirmeacha criostail sileacain charbaíde ann agus raon rialaithe teochta cúng. Mar shampla, athróidh 3C-SiC go polamorf sileacain charbaíde heicseagánach, ie 4H/6H-SiC, ag teochtaí os cionn 1900°C.
Le linn an phróisis fáis criostail aonair, nuair a úsáidtear púdar β-SiC chun criostail a fhás, bíonn an cóimheas mólar sileacain-charbóin níos mó ná 5.5, agus nuair a úsáidtear púdar α-SiC chun criostail a fhás, bíonn an cóimheas mólar sileacain-charbóin 1.2. Nuair a ardaíonn an teocht, tarlaíonn aistriú céime sa bhreogán. Ag an am seo, éiríonn an cóimheas mólar sa chéim gháis níos mó, rud nach bhfuil fabhrach d'fhás criostail. Ina theannta sin, gintear eisíontais eile sa chéim gháis go héasca, lena n-áirítear carbón, sileacan, agus dé-ocsaíd sileacain, le linn an phróisis aistrithe céime. Fágann láithreacht na n-eisíontais seo go bpóraíonn an criostal micrea-fheadáin agus folúntais. Dá bhrí sin, ní mór foirm chriostail an phúdair a rialú go beacht.
1.3 Éifeacht eisíontais púdair ar fhás criostail
Bíonn tionchar ag cion na neamhíonachta i bpúdar SiC ar an núicléacht spontáineach le linn fás criostail. Dá airde an cion neamhíonachta, is ea is lú an seans go ndéanfaidh an criostal núicléacht spontáineach. I gcás SiC, áirítear ar na príomh-neamhíonachtaí miotail B, Al, V, agus Ni, a d'fhéadfadh uirlisí próiseála a thabhairt isteach le linn próiseáil púdair sileacain agus púdair carbóin. Ina measc, is iad B agus Al na príomh-neamhíonachtaí glacadóra leibhéal fuinnimh éadomhain i SiC, rud a fhágann laghdú ar fhriotaíocht SiC. Tabharfaidh neamhíonachtaí miotail eile go leor leibhéil fuinnimh isteach, rud a fhágann airíonna leictreacha éagobhsaí criostail aonair SiC ag teochtaí arda, agus bíonn tionchar níos mó acu ar airíonna leictreacha foshraitheanna criostail aonair leath-inslithe ard-íonachta, go háirithe an fhriotaíocht. Dá bhrí sin, ní mór púdar cairbíde sileacain ard-íonachta a shintéisiú a oiread agus is féidir.
1.4 Éifeacht ábhar nítrigine i bpúdar ar fhás criostail
Is é leibhéal an nítrigine a chinneann friotaíocht an tsubstráit aonchriostail. Caithfidh monaróirí móra an tiúchan dópála nítrigine san ábhar sintéiseach a choigeartú de réir an phróisis fáis criostail aibí le linn sintéis púdair. Is iad foshraitheanna criostail aonchriostail leath-inslithe ardíonachta na hábhair is geallta do chomhpháirteanna leictreonacha croí míleata. Chun foshraitheanna criostail aonchriostail leath-inslithe ardíonachta a fhás le friotaíocht ard agus airíonna leictreacha den scoth, ní mór cion an phríomh-nítrigine eisíontais sa tsubstráit a rialú ag leibhéal íseal. Éilíonn foshraitheanna criostail aonchriostail seoltaí go ndéantar cion nítrigine a rialú ag tiúchan réasúnta ard.
2 Teicneolaíocht rialaithe lárnach le haghaidh sintéis púdair
Mar gheall ar na timpeallachtaí úsáide éagsúla atá ag foshraitheanna cairbíde sileacain, tá próisis éagsúla ag baint leis an teicneolaíocht sintéise do phúdair fáis freisin. I gcás púdair fáis criostail aonair seoltaí de chineál N, tá íonacht ard eisíontas agus céim aonair ag teastáil; agus i gcás púdair fáis criostail aonair leathinslithe, tá rialú docht ar an ábhar nítrigine ag teastáil.
2.1 Rialú ar mhéid na gcáithníní púdair
2.1.1 Teocht shintéise
Agus coinníollacha próisis eile gan athrú, rinneadh sampláil agus anailís ar phúdair SiC a gineadh ag teochtaí sintéise 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, agus 2200 ℃. Mar a thaispeántar i bhFíor 1, is léir go bhfuil méid na gcáithníní 250~600 μm ag 1900 ℃, agus go méadaíonn méid na gcáithníní go 600~850 μm ag 2000 ℃, agus go n-athraíonn méid na gcáithníní go suntasach. Nuair a leanann an teocht ag ardú go 2100 ℃, is é 850~2360 μm méid na gcáithníní i bpúdar SiC, agus is gnách go mbíonn an méadú mall. Tá méid na gcáithníní SiC ag 2200 ℃ cobhsaí ag thart ar 2360 μm. Bíonn tionchar dearfach ag an méadú ar theocht na sintéise ó 1900 ℃ ar mhéid na gcáithníní SiC. Nuair a leanann teocht na sintéise ag ardú ó 2100 ℃, ní athraíonn méid na gcáithníní go suntasach a thuilleadh. Dá bhrí sin, nuair a shocraítear an teocht sintéise go 2100 ℃, is féidir méid cáithníní níos mó a shintéisiú ag tomhaltas fuinnimh níos ísle.
2.1.2 Am sintéise
Fanann coinníollacha próisis eile gan athrú, agus socraítear an t-am sintéise go 4 uair an chloig, 8 uair an chloig, agus 12 uair an chloig faoi seach. Taispeántar an anailís samplála púdair SiC a ghintear i bhFíor 2. Fuarthas amach go bhfuil tionchar suntasach ag an am sintéise ar mhéid na gcáithníní SiC. Nuair a bhíonn an t-am sintéise 4 uair an chloig, tá méid na gcáithníní dáilte go príomha ag 200 μm; nuair a bhíonn an t-am sintéise 8 uair an chloig, méadaíonn méid na gcáithníní sintéiseacha go suntasach, dáilte go príomha ag thart ar 1 000 μm; de réir mar a leanann an t-am sintéise ag méadú, méadaíonn méid na gcáithníní tuilleadh, dáilte go príomha ag thart ar 2 000 μm.
2.1.3 Tionchar mhéid na gcáithníní amhábhar
De réir mar a fheabhsaítear slabhra táirgthe ábhar sileacain intíre de réir a chéile, feabhsaítear íonacht ábhar sileacain tuilleadh freisin. Faoi láthair, roinntear na hábhair sileacain a úsáidtear i sintéis ina sileacan gráinneach agus sileacan púdraithe den chuid is mó, mar a thaispeántar i bhFíor 3.
Baineadh úsáid as amhábhair sileacain éagsúla chun turgnaimh shintéise sileacain charbaíde a dhéanamh. Taispeántar an chomparáid idir na táirgí sintéiseacha i bhFíor 4. Léiríonn anailís go bhfuil méid mór d’eilimintí Si i láthair sa táirge nuair a úsáidtear amhábhair bhloc sileacain. Tar éis an bloc sileacain a bhrú den dara huair, laghdaítear an eilimint Si sa táirge sintéiseach go suntasach, ach tá sé fós ann. Ar deireadh, úsáidtear púdar sileacain le haghaidh sintéise, agus níl ach SiC i láthair sa táirge. Tá sé seo amhlaidh toisc go gcaithfidh sileacan gráinneach mórmhéide imoibriú sintéise dromchla a dhéanamh ar dtús sa phróiseas táirgthe, agus déantar carbaíd sileacain a shintéisiú ar an dromchla, rud a chuireann cosc ar an bpúdar Si inmheánach comhcheangal a thuilleadh le púdar C. Dá bhrí sin, má úsáidtear bloc sileacain mar amhábhar, ní mór é a bhrú agus ansin próiseas sintéise tánaisteach a dhéanamh air chun púdar carbaíde sileacain a fháil le haghaidh fáis criostail.
2.2 Rialú foirm criostail púdair
2.2.1 Tionchar theocht an tsintéise
Agus coinníollacha próisis eile á gcoinneáil gan athrú, is é 1500℃, 1700℃, 1900℃, agus 2100℃ an teocht sintéise, agus déantar an púdar SiC a ghintear a shampláil agus a anailísiú. Mar a thaispeántar i bhFíor 5, tá β-SiC buí créafóigeach, agus tá α-SiC níos éadroime i ndath. Trí bhreathnú ar dhath agus ar mhórfhoirmiú an phúdair shintéisithe, is féidir a chinneadh gurb é β-SiC an táirge sintéisithe ag teochtaí 1500℃ agus 1700℃. Ag 1900℃, éiríonn an dath níos éadroime, agus feictear cáithníní heicseagánacha, rud a léiríonn go dtarlaíonn aistriú céime tar éis don teocht ardú go 1900℃, agus go ndéantar cuid de β-SiC a thiontú ina α-SiC; nuair a leanann an teocht ag ardú go 2100℃, faightear amach go bhfuil na cáithníní sintéisithe trédhearcach, agus go bhfuil α-SiC tiontaithe go bunúsach.
2.2.2 Éifeacht ama sintéise
Fanann coinníollacha próisis eile gan athrú, agus socraítear an t-am sintéise go 4 uair an chloig, 8 uair an chloig, agus 12 uair an chloig, faoi seach. Déantar an púdar SiC a ghintear a shampláil agus a anailísiú le difractóiméadar (XRD). Taispeántar na torthaí i bhFíor 6. Bíonn tionchar áirithe ag an am sintéise ar an táirge a shintéisítear leis an bpúdar SiC. Nuair a bhíonn an t-am sintéise 4 uair an chloig agus 8 uair an chloig, is é 6H-SiC den chuid is mó an táirge sintéiseach; nuair a bhíonn an t-am sintéise 12 uair an chloig, feictear 15R-SiC sa táirge.
2.2.3 Tionchar an chóimheasa amhábhar
Fanann próisis eile gan athrú, déantar anailís ar mhéid na substaintí sileacain-charbóin, agus is iad na cóimheasa 1.00, 1.05, 1.10 agus 1.15 faoi seach le haghaidh turgnaimh shintéise. Taispeántar na torthaí i bhFíor 7.
Ón speictream XRD, is léir go mbíonn barraíocht Si le feiceáil sa táirge nuair a bhíonn an cóimheas sileacain-charbóin níos mó ná 1.05, agus nuair a bhíonn an cóimheas sileacain-charbóin níos lú ná 1.05, bíonn barraíocht C le feiceáil. Nuair a bhíonn an cóimheas sileacain-charbóin 1.05, baintear an carbón saor in aisce sa táirge sintéiseach go bunúsach, agus ní bhíonn aon sileacan saor le feiceáil. Dá bhrí sin, ba cheart go mbeadh cóimheas méid an chóimheas sileacain-charbóin 1.05 chun SiC ard-íonachta a shintéisiú.
2.3 Rialú ar ábhar íseal nítrigine i bpúdar
2.3.1 Amhábhair shintéiseacha
Is iad na hamhábhair a úsáideadh sa turgnamh seo púdar carbóin ard-íonachta agus púdar sileacain ard-íonachta le trastomhas meánach de 20 μm. Mar gheall ar a méid beag cáithníní agus a n-achar dromchla sonrach mór, is furasta N2 san aer a ionsú. Agus an púdar á shintéisiú, tabharfar isteach i bhfoirm chriostail an phúdair é. Chun criostail de chineál N a fhás, bíonn friotaíocht mhíchothrom an chriostail agus fiú athruithe i bhfoirm an chriostail mar thoradh ar an dópáil mhíchothrom N2 sa phúdar. Tá cion nítrigine an phúdair shintéisithe tar éis hidrigin a thabhairt isteach an-íseal. Tá sé seo amhlaidh toisc go bhfuil méid na móilíní hidrigine beag. Nuair a théitear agus a dhíghrádaítear an N2 atá ionsúite sa phúdar carbóin agus sa phúdar sileacain ón dromchla, scaipeann H2 go hiomlán isteach sa bhearna idir na púdair lena thoirt bheag, ag athsholáthar suíomh N2, agus éalaíonn N2 ón mbreogán le linn an phróisis folúis, ag baint amach cuspóir an cion nítrigine a bhaint.
2.3.2 Próiseas sintéise
Le linn sintéis púdair charbaíde sileacain, ós rud é go bhfuil ga na n-adamh carbóin agus na n-adamh nítrigine cosúil, cuirfidh nítrigin folúntais carbóin in ionad charbaíde sileacain, rud a mhéadaíonn an cion nítrigine. Glacann an próiseas turgnamhach seo leis an modh H2 a thabhairt isteach, agus imoibríonn H2 le heilimintí carbóin agus sileacain sa bhreogán sintéise chun gáis C2H2, C2H, agus SiH a ghiniúint. Méadaíonn cion na n-eilimintí carbóin trí tharchur céim gháis, rud a laghdaíonn folúntais carbóin. Baintear amach cuspóir an nítrigin a bhaint.
2.3.3 Rialú ar ábhar nítrigine cúlra sa phróiseas
Is féidir breogáin ghraifíte le tréscaoilteacht mhór a úsáid mar fhoinsí C breise chun gal Si a ionsú i gcomhpháirteanna na céime gáis, Si a laghdú i gcomhpháirteanna na céime gáis, agus dá bhrí sin C/Si a mhéadú. Ag an am céanna, is féidir le breogáin ghraifíte imoibriú le hatmaisféar Si chun Si2C, SiC2 agus SiC a ghiniúint, arb ionann é agus atmaisféar Si ag tabhairt foinse C ón mbreogán graifíte isteach san atmaisféar fáis, rud a mhéadaíonn an cóimheas C, agus a mhéadaíonn an cóimheas carbóin-sileacain freisin. Dá bhrí sin, is féidir an cóimheas carbóin-sileacain a mhéadú trí bhreogáin ghraifíte le tréscaoilteacht mhór a úsáid, rud a laghdaíonn folúntais carbóin, agus a bhaintear amach cuspóir nítrigin a bhaint.
3 Anailís agus dearadh ar phróiseas sintéise púdair criostail aonair
3.1 Prionsabal agus dearadh an phróisis shintéise
Tríd an staidéar cuimsitheach thuasluaite ar rialú mhéid na gcáithníní, foirm na gcriostal agus cion nítrigine shintéis an phúdair, moltar próiseas sintéise. Roghnaítear púdar C ard-íonachta agus púdar Si, agus measctar go cothrom iad agus luchtaítear iad i mbreogán graifíte de réir cóimheas sileacain-charbóin de 1.05. Tá céimeanna an phróisis roinnte ina gceithre chéim den chuid is mó:
1) Próiseas dínítriúcháin ísealteochta, folúsghlanadh go 5 × 10-4 Pa, ansin hidrigin a thabhairt isteach, brú an tseomra a dhéanamh thart ar 80 kPa, a choinneáil ar feadh 15 nóiméad, agus é a athdhéanamh ceithre huaire. Is féidir leis an bpróiseas seo eilimintí nítrigine a bhaint de dhromchla púdair charbóin agus púdair sileacain.
2) Próiseas dínítriúcháin ardteochta, folúsghlanadh go 5 × 10-4 Pa, ansin téamh go 950 ℃, agus ansin hidrigin a thabhairt isteach, brú an tseomra a dhéanamh thart ar 80 kPa, a choinneáil ar feadh 15 nóiméad, agus a athdhéanamh ceithre huaire. Is féidir leis an bpróiseas seo eilimintí nítrigine a bhaint de dhromchla púdair charbóin agus púdair sileacain, agus nítrigin a thiomáint sa réimse teasa.
3) Sintéisiú an phróisis chéim ísealteochta, folmhaigh go 5 × 10-4 Pa, ansin téigh go 1350 ℃, coinnigh ar feadh 12 uair an chloig, ansin cuir hidrigin isteach chun brú an tseomra a dhéanamh thart ar 80 kPa, coinnigh ar feadh 1 uair an chloig. Is féidir leis an bpróiseas seo an nítrigin a ghalú le linn an phróisis shintéise a bhaint.
4) Sintéisiú próiseas céim ardteochta, líon le cóimheas sreabhadh toirte gáis áirithe de hidrigin ardíonachta agus gás measctha argóin, déan brú an tseomra thart ar 80 kPa, ardaigh an teocht go 2100 ℃, coinnigh ar feadh 10 n-uaire an chloig. Críochnaíonn an próiseas seo claochlú púdar sileacain charbíde ó β-SiC go α-SiC agus críochnaíonn sé fás na gcáithníní criostail.
Ar deireadh, fan go dtí go mbeidh an seomra fuaraithe go teocht an tseomra, líon go brú atmaisféarach é, agus bain an púdar amach.
3.2 Próiseas iarphróiseála púdair
Tar éis an púdar a shintéisiú tríd an bpróiseas thuas, ní mór é a iarphróiseáil chun carbón saor, sileacan agus eisíontais miotail eile a bhaint agus méid na gcáithníní a scagadh. Ar dtús, cuirtear an púdar sintéisithe i muileann liathróide le haghaidh brúite, agus cuirtear an púdar sileacain cairbíde brúite i bhfoirnéis mhúfála agus téitear é go 450°C le hocsaigin. Déantar an carbón saor sa phúdar a ocsaídiú le teas chun gás dé-ocsaíde carbóin a ghiniúint a scaoileann ón seomra, rud a bhaintear an carbón saor. Ina dhiaidh sin, ullmhaítear leacht glantacháin aigéadach agus cuirtear i meaisín glantacháin cáithníní sileacain cairbíde é le haghaidh glanadh chun carbón, sileacan agus eisíontais miotail iarmharacha a ghintear le linn an phróisis shintéise a bhaint. Ina dhiaidh sin, nitear an t-aigéad iarmharach in uisce íon agus triomaítear é. Déantar an púdar triomaithe a scagadh i scáileán creathach chun méid na gcáithníní a roghnú le haghaidh fás criostail.
Am an phoist: 08 Lúnasa 2024