उच्च शुद्धता वाले SiC एकल क्रिस्टल पाउडर संश्लेषण प्रक्रिया

सिलिकॉन कार्बाइड के एकल क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रिया में, भौतिक वाष्प परिवहन (PVT) वर्तमान में मुख्य औद्योगीकरण विधि है। PVT वृद्धि विधि के लिए,सिलिकॉन कार्बाइड पाउडरविकास प्रक्रिया पर इसका बहुत प्रभाव पड़ता है। सभी मापदंडों कासिलिकॉन कार्बाइड पाउडरएकल क्रिस्टल वृद्धि की गुणवत्ता और विद्युत गुणों को सीधे प्रभावित करते हैं। वर्तमान औद्योगिक अनुप्रयोगों में, आमतौर पर उपयोग किए जाने वालेसिलिकॉन कार्बाइड पाउडरसंश्लेषण प्रक्रिया एक स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण विधि है।
स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण विधि में अभिकारकों को प्रारंभिक ऊष्मा प्रदान करने के लिए उच्च तापमान का उपयोग किया जाता है, जिससे रासायनिक अभिक्रियाएं शुरू हो जाती हैं। इसके बाद, यह विधि अपनी रासायनिक अभिक्रिया की ऊष्मा का उपयोग करके अप्रतिक्रियाशील पदार्थों को रासायनिक अभिक्रिया पूरी करने के लिए प्रेरित करती है। हालांकि, सिलिकॉन और कार्बन की रासायनिक अभिक्रिया में कम ऊष्मा उत्पन्न होती है, इसलिए अभिक्रिया को जारी रखने के लिए अन्य अभिकारकों को मिलाना आवश्यक होता है। अतः, कई विद्वानों ने इस आधार पर एक उन्नत स्व-प्रसारित संश्लेषण विधि का प्रस्ताव दिया है, जिसमें एक सक्रियक का प्रयोग किया गया है। यह स्व-प्रसारित विधि अपेक्षाकृत आसानी से लागू की जा सकती है, और विभिन्न संश्लेषण मापदंडों को स्थिर रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। बड़े पैमाने पर संश्लेषण औद्योगीकरण की आवश्यकताओं को पूरा करता है।

सन् 1999 में ही, ब्रिजपोर्ट ने स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण विधि का उपयोग करके संश्लेषण किया था।SiC पाउडरलेकिन इसमें एथोक्सीसिलैन और फिनोल रेजिन का उपयोग कच्चे माल के रूप में किया गया था, जो महंगा था। गाओ पैन और अन्य लोगों ने उच्च शुद्धता वाले Si पाउडर और C पाउडर को कच्चे माल के रूप में उपयोग करके संश्लेषण किया।SiC पाउडरआर्गन वातावरण में उच्च तापमान अभिक्रिया द्वारा। निंग लीना ने बड़े कणों को तैयार किया।SiC पाउडरद्वितीयक संश्लेषण द्वारा।

चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशन के द्वितीय अनुसंधान संस्थान द्वारा विकसित मध्यम-आवृत्ति प्रेरण ताप भट्टी सिलिकॉन पाउडर और कार्बन पाउडर को एक निश्चित स्टोइकोमेट्रिक अनुपात में समान रूप से मिलाती है और उन्हें ग्रेफाइट क्रूसिबल में रखती है।ग्रेफाइट क्रूसिबलइसे मध्यम-आवृत्ति प्रेरण ताप भट्टी में गर्म किया जाता है, और तापमान परिवर्तन का उपयोग निम्न-तापमान चरण और उच्च-तापमान चरण सिलिकॉन कार्बाइड के संश्लेषण और रूपांतरण के लिए किया जाता है। चूंकि निम्न-तापमान चरण में β-SiC संश्लेषण अभिक्रिया का तापमान Si के वाष्पीकरण तापमान से कम होता है, इसलिए उच्च निर्वात में β-SiC का संश्लेषण स्व-प्रसार सुनिश्चित कर सकता है। α-SiC के संश्लेषण में आर्गन, हाइड्रोजन और HCl गैसों को मिलाने की विधि अपघटन को रोकती है।SiC पाउडरउच्च तापमान चरण में, यह α-SiC पाउडर में नाइट्रोजन की मात्रा को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है।

शेडोंग तियानयुए ने सिलिकॉन कच्चे माल के रूप में सिलान गैस और कार्बन कच्चे माल के रूप में कार्बन पाउडर का उपयोग करते हुए एक संश्लेषण भट्टी डिजाइन की। कच्चे माल की गैस की मात्रा को दो-चरणीय संश्लेषण विधि द्वारा समायोजित किया गया था, और अंतिम संश्लेषित सिलिकॉन कार्बाइड कणों का आकार 50 से 5000 um के बीच था।

 

1. पाउडर संश्लेषण प्रक्रिया के नियंत्रण कारक

 

1.1 क्रिस्टल वृद्धि पर पाउडर कणों के आकार का प्रभाव

सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर के कणों का आकार एकल क्रिस्टल के विकास पर बहुत महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। पीवीटी विधि द्वारा SiC एकल क्रिस्टल का विकास मुख्य रूप से गैसीय अवस्था में सिलिकॉन और कार्बन के मोलर अनुपात को बदलकर प्राप्त किया जाता है, और यह अनुपात सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर के कणों के आकार से संबंधित होता है। कणों का आकार घटने पर विकास प्रणाली का कुल दाब और सिलिकॉन-कार्बन अनुपात बढ़ता है। जब कणों का आकार 2-3 मिमी से घटकर 0.06 मिमी हो जाता है, तो सिलिकॉन-कार्बन अनुपात 1.3 से बढ़कर 4.0 हो जाता है। जब कण एक निश्चित सीमा तक छोटे होते हैं, तो Si का आंशिक दाब बढ़ जाता है, और बढ़ते क्रिस्टल की सतह पर Si फिल्म की एक परत बन जाती है, जिससे गैस-तरल-ठोस विकास प्रेरित होता है, जो क्रिस्टल में बहुरूपता, बिंदु दोष और रेखा दोष को प्रभावित करता है। इसलिए, उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर के कणों के आकार को अच्छी तरह से नियंत्रित करना आवश्यक है।

इसके अतिरिक्त, जब SiC पाउडर के कणों का आकार अपेक्षाकृत छोटा होता है, तो पाउडर तेजी से विघटित होता है, जिसके परिणामस्वरूप SiC एकल क्रिस्टलों की अत्यधिक वृद्धि होती है। एक ओर, SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि के उच्च-तापमान वातावरण में, संश्लेषण और विघटन की दो प्रक्रियाएं एक साथ चलती हैं। सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर विघटित होकर गैसीय और ठोस अवस्था में कार्बन बनाता है, जैसे Si, Si2C, SiC2, जिसके परिणामस्वरूप बहुक्रिस्टलीय पाउडर का गंभीर कार्बनीकरण होता है और क्रिस्टल में कार्बन समावेशन का निर्माण होता है; दूसरी ओर, जब पाउडर के विघटन की दर अपेक्षाकृत तेज होती है, तो विकसित SiC एकल क्रिस्टल की क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन होने की संभावना होती है, जिससे विकसित SiC एकल क्रिस्टल की गुणवत्ता को नियंत्रित करना कठिन हो जाता है।

 

1.2 क्रिस्टल वृद्धि पर पाउडर क्रिस्टल के रूप का प्रभाव

पीवीटी विधि द्वारा SiC एकल क्रिस्टल का विकास उच्च तापमान पर ऊर्ध्वपातन-पुनर्क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया है। SiC कच्चे माल का क्रिस्टलीय रूप क्रिस्टलीय विकास को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। पाउडर संश्लेषण की प्रक्रिया में, घनाकार इकाई कोशिका संरचना वाला निम्न-तापमान संश्लेषण चरण (β-SiC) और षट्कोणीय इकाई कोशिका संरचना वाला उच्च-तापमान संश्लेषण चरण (α-SiC) मुख्य रूप से उत्पादित होते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड के कई क्रिस्टलीय रूप होते हैं और तापमान नियंत्रण की सीमा सीमित होती है। उदाहरण के लिए, 3C-SiC 1900°C से अधिक तापमान पर षट्कोणीय सिलिकॉन कार्बाइड बहुरूप, अर्थात् 4H/6H-SiC में परिवर्तित हो जाता है।

एकल क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, जब β-SiC पाउडर का उपयोग क्रिस्टल उगाने के लिए किया जाता है, तो सिलिकॉन-कार्बन मोलर अनुपात 5.5 से अधिक होता है, जबकि α-SiC पाउडर का उपयोग क्रिस्टल उगाने के लिए किया जाता है, तो सिलिकॉन-कार्बन मोलर अनुपात 1.2 होता है। तापमान बढ़ने पर, क्रूसिबल में एक प्रावस्था संक्रमण होता है। इस समय, गैसीय प्रावस्था में मोलर अनुपात अधिक हो जाता है, जो क्रिस्टल वृद्धि के लिए अनुकूल नहीं होता है। इसके अलावा, प्रावस्था संक्रमण प्रक्रिया के दौरान कार्बन, सिलिकॉन और सिलिकॉन डाइऑक्साइड सहित अन्य गैसीय प्रावस्था अशुद्धियाँ आसानी से उत्पन्न हो जाती हैं। इन अशुद्धियों की उपस्थिति के कारण क्रिस्टल में सूक्ष्म नलिकाएँ और रिक्त स्थान बन जाते हैं। इसलिए, पाउडर क्रिस्टल के स्वरूप को सटीक रूप से नियंत्रित करना आवश्यक है।

 

1.3 क्रिस्टल वृद्धि पर पाउडर की अशुद्धियों का प्रभाव

SiC पाउडर में अशुद्धियों की मात्रा क्रिस्टल वृद्धि के दौरान स्वतः होने वाले नाभिक निर्माण को प्रभावित करती है। अशुद्धियों की मात्रा जितनी अधिक होगी, क्रिस्टल के स्वतः बनने की संभावना उतनी ही कम होगी। SiC में मुख्य धातु अशुद्धियों में B, Al, V और Ni शामिल हैं, जो सिलिकॉन पाउडर और कार्बन पाउडर के प्रसंस्करण के दौरान प्रसंस्करण उपकरणों द्वारा डाली जा सकती हैं। इनमें से, B और Al SiC में मुख्य उथले ऊर्जा स्तर ग्राही अशुद्धियाँ हैं, जिसके परिणामस्वरूप SiC की प्रतिरोधकता में कमी आती है। अन्य धातु अशुद्धियाँ कई ऊर्जा स्तर उत्पन्न करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान पर SiC एकल क्रिस्टल के विद्युत गुण अस्थिर हो जाते हैं, और उच्च-शुद्धता वाले अर्ध-अरोधक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के विद्युत गुणों, विशेष रूप से प्रतिरोधकता पर अधिक प्रभाव डालते हैं। इसलिए, यथासंभव उच्च-शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर का संश्लेषण करना आवश्यक है।

 

1.4 पाउडर में नाइट्रोजन की मात्रा का क्रिस्टल वृद्धि पर प्रभाव

नाइट्रोजन की मात्रा एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट की प्रतिरोधकता निर्धारित करती है। प्रमुख निर्माताओं को पाउडर संश्लेषण के दौरान परिपक्व क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रिया के अनुसार सिंथेटिक सामग्री में नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता को समायोजित करने की आवश्यकता होती है। उच्च शुद्धता वाले अर्ध-अचालक सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट सैन्य कोर इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए सबसे आशाजनक सामग्री हैं। उच्च प्रतिरोधकता और उत्कृष्ट विद्युत गुणों वाले उच्च शुद्धता वाले अर्ध-अचालक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट विकसित करने के लिए, सब्सट्रेट में मुख्य अशुद्धि नाइट्रोजन की मात्रा को कम स्तर पर नियंत्रित करना आवश्यक है। चालक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के लिए नाइट्रोजन की मात्रा को अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता पर नियंत्रित करना आवश्यक है।

 

2. पाउडर संश्लेषण के लिए प्रमुख नियंत्रण तकनीक

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के विभिन्न उपयोग वातावरणों के कारण, वृद्धि पाउडर के संश्लेषण की तकनीक में भी भिन्नताएँ होती हैं। एन-प्रकार के प्रवाहकीय एकल क्रिस्टल वृद्धि पाउडर के लिए उच्च शुद्धता और एकल चरण आवश्यक हैं; जबकि अर्ध-अचालक एकल क्रिस्टल वृद्धि पाउडर के लिए नाइट्रोजन की मात्रा पर कड़ा नियंत्रण आवश्यक है।

 

2.1 पाउडर कण आकार नियंत्रण

2.1.1 संश्लेषण तापमान

अन्य प्रक्रिया स्थितियों को अपरिवर्तित रखते हुए, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ और 2200 ℃ के संश्लेषण तापमान पर उत्पन्न SiC पाउडर के नमूने लेकर उनका विश्लेषण किया गया। चित्र 1 में दर्शाए अनुसार, 1900 ℃ पर कण का आकार 250~600 μm है, और 2000 ℃ पर यह बढ़कर 600~850 μm हो जाता है, जिससे कण के आकार में उल्लेखनीय परिवर्तन होता है। तापमान 2100 ℃ तक बढ़ने पर, SiC पाउडर के कण का आकार 850~2360 μm हो जाता है, और वृद्धि धीमी गति से होती है। 2200 ℃ पर SiC के कण का आकार लगभग 2360 μm पर स्थिर हो जाता है। 1900 ℃ से संश्लेषण तापमान में वृद्धि का SiC कण के आकार पर सकारात्मक प्रभाव पड़ता है। जब संश्लेषण तापमान 2100 ℃ से लगातार बढ़ता है, तो कणों के आकार में कोई खास बदलाव नहीं होता। इसलिए, जब संश्लेषण तापमान 2100 ℃ पर सेट किया जाता है, तो कम ऊर्जा खपत पर बड़े आकार के कणों का संश्लेषण किया जा सकता है।

 

2.1.2 संश्लेषण समय

अन्य प्रक्रिया संबंधी स्थितियाँ अपरिवर्तित रहती हैं, और संश्लेषण समय क्रमशः 4 घंटे, 8 घंटे और 12 घंटे निर्धारित किया जाता है। उत्पन्न SiC पाउडर के नमूने का विश्लेषण चित्र 2 में दर्शाया गया है। यह पाया गया है कि संश्लेषण समय का SiC के कण आकार पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। जब संश्लेषण समय 4 घंटे होता है, तो कण आकार मुख्य रूप से 200 μm पर वितरित होता है; जब संश्लेषण समय 8 घंटे होता है, तो संश्लेषित कण आकार में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, जो मुख्य रूप से लगभग 1000 μm पर वितरित होता है; संश्लेषण समय बढ़ने के साथ-साथ कण आकार और भी बढ़ता जाता है, जो मुख्य रूप से लगभग 2000 μm पर वितरित होता है।

 

2.1.3 कच्चे माल के कणों के आकार का प्रभाव

घरेलू सिलिकॉन सामग्री उत्पादन श्रृंखला में क्रमिक सुधार के साथ-साथ सिलिकॉन सामग्रियों की शुद्धता में भी और सुधार हो रहा है। वर्तमान में, संश्लेषण में उपयोग की जाने वाली सिलिकॉन सामग्री को मुख्य रूप से दानेदार सिलिकॉन और पाउडर सिलिकॉन में विभाजित किया गया है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।

सिलिकॉन कार्बाइड संश्लेषण प्रयोगों के लिए विभिन्न सिलिकॉन कच्चे माल का उपयोग किया गया। संश्लेषित उत्पादों की तुलना चित्र 4 में दर्शाई गई है। विश्लेषण से पता चलता है कि ब्लॉक सिलिकॉन कच्चे माल का उपयोग करने पर उत्पाद में Si तत्व की मात्रा अधिक होती है। सिलिकॉन ब्लॉक को दूसरी बार पीसने के बाद, संश्लेषित उत्पाद में Si तत्व की मात्रा काफी कम हो जाती है, लेकिन फिर भी यह मौजूद रहता है। अंत में, संश्लेषण के लिए सिलिकॉन पाउडर का उपयोग किया जाता है, और उत्पाद में केवल SiC ही मौजूद होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उत्पादन प्रक्रिया में, बड़े आकार के दानेदार सिलिकॉन को पहले सतह संश्लेषण प्रतिक्रिया से गुजरना पड़ता है, और सतह पर सिलिकॉन कार्बाइड का संश्लेषण होता है, जो आंतरिक Si पाउडर को C पाउडर के साथ आगे जुड़ने से रोकता है। इसलिए, यदि ब्लॉक सिलिकॉन को कच्चे माल के रूप में उपयोग किया जाता है, तो क्रिस्टल वृद्धि के लिए सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर प्राप्त करने के लिए इसे पीसना और फिर द्वितीयक संश्लेषण प्रक्रिया से गुजरना आवश्यक है।

 

2.2 पाउडर क्रिस्टल रूप नियंत्रण

 

2.2.1 संश्लेषण तापमान का प्रभाव

अन्य प्रक्रिया स्थितियों को अपरिवर्तित रखते हुए, संश्लेषण तापमान 1500℃, 1700℃, 1900℃ और 2100℃ है, और उत्पन्न SiC पाउडर का नमूना लेकर विश्लेषण किया जाता है। जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, β-SiC मृदु पीले रंग का है, और α-SiC हल्के रंग का है। संश्लेषित पाउडर के रंग और आकारिकी का अवलोकन करके, यह निर्धारित किया जा सकता है कि 1500℃ और 1700℃ के तापमान पर संश्लेषित उत्पाद β-SiC है। 1900℃ पर, रंग हल्का हो जाता है, और षट्कोणीय कण दिखाई देते हैं, जो दर्शाता है कि तापमान 1900℃ तक बढ़ने के बाद, एक चरण संक्रमण होता है, और β-SiC का एक हिस्सा α-SiC में परिवर्तित हो जाता है; जब तापमान बढ़कर 2100℃ तक पहुँच जाता है, तो यह पाया जाता है कि संश्लेषित कण पारदर्शी होते हैं, और α-SiC मूल रूप से परिवर्तित हो चुका होता है।

 

2.2.2 संश्लेषण समय का प्रभाव

अन्य प्रक्रिया संबंधी स्थितियाँ अपरिवर्तित रहती हैं, और संश्लेषण समय क्रमशः 4 घंटे, 8 घंटे और 12 घंटे निर्धारित किया जाता है। उत्पन्न SiC पाउडर का नमूना लेकर उसका विवर्तनमापी (XRD) द्वारा विश्लेषण किया जाता है। परिणाम चित्र 6 में दर्शाए गए हैं। संश्लेषण समय का SiC पाउडर द्वारा संश्लेषित उत्पाद पर एक निश्चित प्रभाव पड़ता है। जब संश्लेषण समय 4 घंटे और 8 घंटे होता है, तो संश्लेषित उत्पाद मुख्य रूप से 6H-SiC होता है; जब संश्लेषण समय 12 घंटे होता है, तो उत्पाद में 15R-SiC दिखाई देता है।

 

2.2.3 कच्चे माल के अनुपात का प्रभाव

अन्य प्रक्रियाएं अपरिवर्तित रहती हैं, सिलिकॉन-कार्बन पदार्थों की मात्रा का विश्लेषण किया जाता है, और संश्लेषण प्रयोगों के लिए अनुपात क्रमशः 1.00, 1.05, 1.10 और 1.15 हैं। परिणाम चित्र 7 में दर्शाए गए हैं।

एक्सआरडी स्पेक्ट्रम से यह देखा जा सकता है कि जब सिलिकॉन-कार्बन अनुपात 1.05 से अधिक होता है, तो उत्पाद में अतिरिक्त सिलिकॉन (Si) मौजूद होता है, और जब सिलिकॉन-कार्बन अनुपात 1.05 से कम होता है, तो अतिरिक्त कार्बन (C) मौजूद होता है। सिलिकॉन-कार्बन अनुपात 1.05 होने पर, संश्लेषित उत्पाद में मुक्त कार्बन लगभग समाप्त हो जाता है और कोई मुक्त सिलिकॉन मौजूद नहीं होता है। इसलिए, उच्च शुद्धता वाले SiC के संश्लेषण के लिए सिलिकॉन-कार्बन अनुपात 1.05 होना चाहिए।

 

2.3 पाउडर में कम नाइट्रोजन सामग्री का नियंत्रण

2.3.1 सिंथेटिक कच्चा माल

इस प्रयोग में प्रयुक्त कच्चे माल उच्च शुद्धता वाले कार्बन पाउडर और उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन पाउडर हैं, जिनका औसत व्यास 20 माइक्रोमीटर है। अपने छोटे कण आकार और बड़े विशिष्ट सतही क्षेत्रफल के कारण, ये हवा में मौजूद नाइट्रोजन (N2) को आसानी से अवशोषित कर लेते हैं। पाउडर के संश्लेषण के दौरान, इसे क्रिस्टलीय रूप में लाया जाता है। N-प्रकार के क्रिस्टलों के विकास के लिए, पाउडर में N2 की असमान मात्रा क्रिस्टल के प्रतिरोध में असमानता और यहां तक ​​कि क्रिस्टल के आकार में परिवर्तन का कारण बनती है। हाइड्रोजन मिलाने के बाद संश्लेषित पाउडर में नाइट्रोजन की मात्रा काफी कम होती है। इसका कारण हाइड्रोजन अणुओं का छोटा आयतन है। जब कार्बन पाउडर और सिलिकॉन पाउडर में अवशोषित N2 को गर्म किया जाता है और सतह से विघटित किया जाता है, तो H2 अपने छोटे आयतन के कारण पाउडर के बीच के अंतराल में पूरी तरह से फैल जाती है, N2 की जगह ले लेती है, और निर्वात प्रक्रिया के दौरान N2 क्रूसिबल से बाहर निकल जाती है, जिससे नाइट्रोजन की मात्रा को हटाने का उद्देश्य पूरा हो जाता है।

 

2.3.2 संश्लेषण प्रक्रिया

सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर के संश्लेषण के दौरान, कार्बन और नाइट्रोजन परमाणुओं की त्रिज्या समान होने के कारण, नाइट्रोजन सिलिकॉन कार्बाइड में कार्बन रिक्त स्थानों को भर देता है, जिससे नाइट्रोजन की मात्रा बढ़ जाती है। इस प्रायोगिक प्रक्रिया में H2 गैस प्रवाहित करने की विधि अपनाई जाती है, और H2 संश्लेषण पात्र में कार्बन और सिलिकॉन तत्वों के साथ अभिक्रिया करके C2H2, C2H और SiH गैसें उत्पन्न करती है। गैसीय संचरण के माध्यम से कार्बन तत्व की मात्रा बढ़ जाती है, जिससे कार्बन रिक्त स्थान कम हो जाते हैं। इस प्रकार नाइट्रोजन को हटाने का उद्देश्य पूरा हो जाता है।

 

2.3.3 प्रक्रिया पृष्ठभूमि नाइट्रोजन सामग्री नियंत्रण

उच्च छिद्रयुक्त ग्रेफाइट क्रूसिबल का उपयोग गैसीय अवस्था घटकों में Si वाष्प को अवशोषित करने, गैसीय अवस्था घटकों में Si की मात्रा कम करने और इस प्रकार C/Si अनुपात बढ़ाने के लिए अतिरिक्त C स्रोत के रूप में किया जा सकता है। साथ ही, ग्रेफाइट क्रूसिबल Si वातावरण के साथ अभिक्रिया करके Si2C, SiC2 और SiC उत्पन्न कर सकते हैं, जो Si वातावरण द्वारा ग्रेफाइट क्रूसिबल से C स्रोत को वृद्धि वातावरण में लाने, C अनुपात बढ़ाने और कार्बन-सिलिकॉन अनुपात बढ़ाने के समतुल्य है। अतः, उच्च छिद्रयुक्त ग्रेफाइट क्रूसिबल का उपयोग करके कार्बन-सिलिकॉन अनुपात को बढ़ाया जा सकता है, कार्बन रिक्तियों को कम किया जा सकता है और नाइट्रोजन को हटाने का उद्देश्य प्राप्त किया जा सकता है।

 

3. एकल क्रिस्टल पाउडर संश्लेषण प्रक्रिया का विश्लेषण और डिजाइन

 

3.1 संश्लेषण प्रक्रिया का सिद्धांत और डिजाइन

पाउडर संश्लेषण में कण आकार, क्रिस्टल रूप और नाइट्रोजन सामग्री के नियंत्रण पर उपरोक्त व्यापक अध्ययन के माध्यम से, एक संश्लेषण प्रक्रिया प्रस्तावित की गई है। उच्च शुद्धता वाले C पाउडर और Si पाउडर का चयन किया जाता है, और उन्हें 1.05 के सिलिकॉन-कार्बन अनुपात के अनुसार समान रूप से मिलाकर ग्रेफाइट क्रूसिबल में डाला जाता है। प्रक्रिया के चरणों को मुख्य रूप से चार चरणों में विभाजित किया गया है:
1) निम्न-तापमान विनाइट्रीकरण प्रक्रिया: 5×10⁻⁴ Pa तक निर्वात करना, फिर हाइड्रोजन प्रवाहित करना, कक्ष के दबाव को लगभग 80 kPa तक लाना, 15 मिनट तक बनाए रखना और इस प्रक्रिया को चार बार दोहराना। यह प्रक्रिया कार्बन पाउडर और सिलिकॉन पाउडर की सतह पर मौजूद नाइट्रोजन तत्वों को हटा सकती है।
2) उच्च तापमान विनाइट्रीकरण प्रक्रिया, जिसमें 5×10⁻⁴ Pa तक निर्वात किया जाता है, फिर 950 ℃ तक गर्म किया जाता है, और फिर हाइड्रोजन प्रवाहित की जाती है, जिससे कक्ष का दबाव लगभग 80 kPa हो जाता है, इसे 15 मिनट तक बनाए रखा जाता है, और इस प्रक्रिया को चार बार दोहराया जाता है। यह प्रक्रिया कार्बन पाउडर और सिलिकॉन पाउडर की सतह पर मौजूद नाइट्रोजन तत्वों को हटा सकती है और ऊष्मा क्षेत्र में नाइट्रोजन को प्रवाहित कर सकती है।
3) निम्न तापमान चरण प्रक्रिया द्वारा संश्लेषण: कक्ष को 5×10⁻⁴ Pa तक निर्वातित करें, फिर 1350℃ तक गर्म करें, 12 घंटे तक इसी तापमान पर रखें, फिर हाइड्रोजन प्रवाहित करके कक्ष का दबाव लगभग 80 kPa तक लाएँ, 1 घंटे तक इसी तापमान पर रखें। इस प्रक्रिया से संश्लेषण प्रक्रिया के दौरान वाष्पीकृत नाइट्रोजन को हटाया जा सकता है।
4) उच्च तापमान चरण प्रक्रिया का संश्लेषण करते समय, उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन और आर्गन मिश्रित गैस के एक निश्चित आयतन प्रवाह अनुपात से कक्ष को भरें, कक्ष के दबाव को लगभग 80 kPa तक बढ़ाएँ, तापमान को 2100℃ तक बढ़ाएँ और 10 घंटे तक बनाए रखें। यह प्रक्रिया सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर को β-SiC से α-SiC में परिवर्तित करती है और क्रिस्टल कणों के विकास को पूर्ण करती है।
अंत में, कक्ष का तापमान कमरे के तापमान तक ठंडा होने दें, उसे वायुमंडलीय दबाव तक भरें और पाउडर को बाहर निकाल लें।

 

3.2 पाउडर की उत्तर-प्रसंस्करण प्रक्रिया

उपरोक्त प्रक्रिया द्वारा पाउडर के संश्लेषण के बाद, मुक्त कार्बन, सिलिकॉन और अन्य धातु अशुद्धियों को हटाने और कण आकार को छानने के लिए इसका पोस्ट-प्रोसेसिंग किया जाना आवश्यक है। सबसे पहले, संश्लेषित पाउडर को पीसने के लिए बॉल मिल में रखा जाता है, और पीसे हुए सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर को मफल फर्नेस में ऑक्सीजन द्वारा 450°C तक गर्म किया जाता है। पाउडर में मौजूद मुक्त कार्बन ऊष्मा द्वारा ऑक्सीकृत होकर कार्बन डाइऑक्साइड गैस उत्पन्न करता है जो कक्ष से बाहर निकल जाती है, इस प्रकार मुक्त कार्बन को हटा दिया जाता है। इसके बाद, एक अम्लीय सफाई द्रव तैयार किया जाता है और संश्लेषण प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न कार्बन, सिलिकॉन और अवशिष्ट धातु अशुद्धियों को हटाने के लिए सिलिकॉन कार्बाइड कण सफाई मशीन में डाला जाता है। इसके बाद, अवशिष्ट अम्ल को शुद्ध पानी में धोकर सुखाया जाता है। क्रिस्टल वृद्धि के लिए कण आकार चयन हेतु सूखे पाउडर को वाइब्रेटिंग स्क्रीन में छाना जाता है।