יישום והתקדמות מחקרית של ציפוי SiC בחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן עבור סיליקון חד-גבישי-2

1 יישום והתקדמות מחקרית של ציפוי סיליקון קרביד בחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן

1.1 יישום והתקדמות מחקרית בהכנת כור היתוך

בשדה התרמי גבישי יחיד, ה-כור היתוך פחמן/פחמןמשמש בעיקר ככלי נשיאה לחומר סיליקון ונמצא במגע עם הכור היתוך קוורץ, כפי שמוצג באיור 2. טמפרטורת העבודה של כור ההיתוך הפחמן/פחמן היא כ-1450 ℃, אשר נתון לשחיקה כפולה של סיליקון מוצק (סיליקון דו-חמצני) ואדי סיליקון, ולבסוף כור ההיתוך הופך דק או שיש בו סדק טבעתי, וכתוצאה מכך הוא כשל.

כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן הוכן בתהליך חדירת אדים כימי ותגובה באתר. הציפוי המרוכב הורכב מציפוי סיליקון קרביד (100~300 מיקרומטר), ציפוי סיליקון (10~20 מיקרומטר) וציפוי סיליקון ניטריד (50~100 מיקרומטר), אשר יכלו לעכב ביעילות את הקורוזיה של אדי סיליקון על המשטח הפנימי של כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן. בתהליך הייצור, אובדן כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן המצופה מרוכב הוא 0.04 מ"מ לכל תנור, וחיי השירות יכולים להגיע ל-180 פעמים תנור.

החוקרים השתמשו בשיטת תגובה כימית כדי ליצור ציפוי סיליקון קרביד אחיד על פני כור ההיתוך המרוכב פחמן/פחמן בתנאי טמפרטורה מסוימים והגנה על גז נשא, תוך שימוש בסיליקון דו-חמצני ומתכת סיליקון כחומרי גלם בתנור סינטור בטמפרטורה גבוהה. התוצאות מראות כי הטיפול בטמפרטורה גבוהה לא רק משפר את טוהר וחוזק ציפוי הסיליקון, אלא גם משפר מאוד את עמידות הבלאי של פני השטח של הסיליקון/פחמן מרוכב, ומונע קורוזיה של פני כור ההיתוך על ידי אדי SiO2 ואטומי חמצן נדיפים בתנור הסיליקון המונוקריסטלי. אורך חיי כור ההיתוך גדל ב-20% בהשוואה לכור ההיתוך ללא ציפוי סיליקון.

1.2 יישום והתקדמות מחקרית בצינור הנחיית זרימה

גליל ההנחיה ממוקם מעל כור ההיתוך (כפי שמוצג באיור 1). בתהליך משיכת הגביש, הפרש הטמפרטורות בין פנים השדה לחוץ גדול, במיוחד המשטח התחתון הקרוב ביותר לחומר הסיליקון המותך, הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר, והקורוזיה מאדי הסיליקון היא החמורה ביותר.

החוקרים המציאו תהליך פשוט ועמידות טובה בפני חמצון של צינור ההנחיה נגד חמצון ושיטת הכנה. ראשית, שכבה של סיליקון קרביד שפם גודלה במקום על גבי מטריצת צינור ההנחיה, ולאחר מכן הוכנה שכבה חיצונית צפופה של סיליקון קרביד, כך שנוצרה שכבת מעבר SiCw בין המטריצה ​​לשכבת פני השטח הצפופה של סיליקון קרביד, כפי שמוצג באיור 3. מקדם ההתפשטות התרמית היה בין המטריצה ​​לסיליקון קרביד. זה יכול להפחית ביעילות את הלחץ התרמי הנגרם עקב חוסר התאמה במקדם ההתפשטות התרמית.

הניתוח מראה כי עם העלייה בתכולת ה-SiCw, גודל ומספר הסדקים בציפוי פוחתים. לאחר 10 שעות חמצון באוויר בטמפרטורה של 1100 מעלות צלזיוס, קצב אובדן המשקל של דגימת הציפוי הוא רק 0.87%~8.87%, ועמידות החמצון ועמידות ההלם התרמי של ציפוי הסיליקון קרביד משתפרות מאוד. תהליך ההכנה כולו מתבצע ברציפות באמצעות שקיעת אדים כימית, מה שפושט מאוד את הכנת ציפוי הסיליקון קרביד, והביצועים המקיפים של הפיה כולה מתחזקים.

החוקרים הציעו שיטה לחיזוק מטריצה ​​וציפוי פני השטח של צינור הנחיית גרפיט עבור סיליקון חד-גבישי מסוג czohr. תרחיף הסיליקון קרביד שהתקבל צופה באופן אחיד על פני צינור הנחיית הגרפיט בעובי ציפוי של 30~50 מיקרון בשיטת ציפוי מברשת או ציפוי ריסוס, ולאחר מכן הוכנס לתנור בטמפרטורה גבוהה לתגובה באתר, טמפרטורת התגובה הייתה 1850~2300 מעלות צלזיוס, ושימור החום היה 2~6 שעות. ניתן להשתמש בשכבה החיצונית של SiC בתנור גידול גביש יחיד בקוטר 24 אינץ' (60.96 ס"מ), וטמפרטורת השימוש היא 1500 מעלות צלזיוס, ונמצא כי אין סדקים ואבקה נופלת על פני צילינדר הנחיית הגרפיט לאחר 1500 שעות.

1.3 יישום והתקדמות מחקרית בגלילי בידוד

כאחד המרכיבים המרכזיים של מערכת השדה התרמי של סיליקון חד-גבישי, גליל הבידוד משמש בעיקר להפחתת אובדן חום ולשליטה על מפל הטמפרטורה של סביבת השדה התרמי. כחלק תומך בשכבת הבידוד הפנימית של הדופן של תנור גביש יחיד, קורוזיה מאדי סיליקון מובילה לירידת סיגים וסדקים של המוצר, מה שמוביל בסופו של דבר לכשל המוצר.

על מנת לשפר עוד יותר את עמידות הקורוזיה של צינור הבידוד המרוכב C/C-sic בפני אדי סיליקון, החוקרים הכניסו את מוצרי צינור הבידוד המרוכב C/C-sic שהוכנו לתנור תגובה כימי לאדים, והכינו ציפוי סיליקון קרביד צפוף על פני מוצרי צינור הבידוד המרוכב C/C-sic באמצעות תהליך שקיעת אדים כימי. התוצאות מראות כי התהליך יכול לעכב ביעילות את הקורוזיה של סיבי פחמן על ליבת החומר המרוכב C/C-sic על ידי אדי סיליקון, ועמידות הקורוזיה של אדי סיליקון גדלה פי 5 עד 10 בהשוואה לפחמן/פחמן מרוכב, וחיי השירות של גליל הבידוד ובטיחות סביבת השדה התרמי משופרים מאוד.

2. סיכום ותחזית

ציפוי סיליקון קרבידנמצא בשימוש נרחב יותר ויותר בחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן בשל עמידותו המצוינת לחמצון בטמפרטורה גבוהה. עם הגדלת הגודל של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן המשמשים בייצור סיליקון חד-גבישי, כיצד לשפר את האחידות של ציפוי סיליקון קרביד על פני השטח של חומרי שדה תרמי ולשפר את חיי השירות של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן הפכה לבעיה דחופה שיש לפתור.

מצד שני, עם התפתחות תעשיית הסיליקון המונו-קריסטלי, הביקוש לחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן בעלי טוהר גבוה גם הוא גובר, וגם ננו-סיבי SiC גדלים על סיבי הפחמן הפנימיים במהלך התגובה. קצבי אבלציה מסה ואבלציה ליניארית של חומרים מרוכבים C/C-ZRC ו- C/C-sic ZrC שהוכנו בניסויים הם -0.32 מ"ג/שנייה ו- 2.57 מיקרומטר/שנייה, בהתאמה. קצבי אבלציה מסה ואבלציה ליניארית של חומרים מרוכבים C/C-sic-ZrC הם -0.24 מ"ג/שנייה ו- 1.66 מיקרומטר/שנייה, בהתאמה. חומרים מרוכבים C/C-ZRC עם ננו-סיבי SiC בעלי תכונות אבלציה טובות יותר. בהמשך ייחקרו ההשפעות של מקורות פחמן שונים על צמיחת ננו-סיבי SiC והמנגנון של ננו-סיבי SiC המחזקים את תכונות האבלציה של חומרים מרוכבים C/C-ZRC.

כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן הוכן בתהליך חדירת אדים כימי ותגובה באתר. הציפוי המרוכב הורכב מציפוי סיליקון קרביד (100~300 מיקרומטר), ציפוי סיליקון (10~20 מיקרומטר) וציפוי סיליקון ניטריד (50~100 מיקרומטר), אשר יכלו לעכב ביעילות את הקורוזיה של אדי סיליקון על המשטח הפנימי של כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן. בתהליך הייצור, אובדן כור היתוך מרוכב פחמן/פחמן המצופה מרוכב הוא 0.04 מ"מ לכל תנור, וחיי השירות יכולים להגיע ל-180 פעמים תנור.