Ing proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, transportasi uap fisik minangka metode industrialisasi arus utama saiki. Kanggo metode pertumbuhan PVT,bubuk silikon karbidanduweni pengaruh gedhe marang proses pertumbuhan. Kabeh parameter sakabubuk silikon karbidalangsung mengaruhi kualitas pertumbuhan kristal tunggal lan sifat listrik. Ing aplikasi industri saiki, sing umum digunakakebubuk silikon karbidaProses sintesis minangka metode sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhewe.
Metode sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhewe nggunakake suhu dhuwur kanggo menehi panas awal marang reaktan kanggo miwiti reaksi kimia, banjur nggunakake panas reaksi kimia dhewe supaya zat sing ora direaksi bisa terus ngrampungake reaksi kimia. Nanging, amarga reaksi kimia Si lan C ngeculake panas sing luwih sithik, reaktan liyane kudu ditambahake kanggo njaga reaksi kasebut. Mulane, akeh sarjana sing ngusulake metode sintesis sing nyebar dhewe sing luwih apik adhedhasar iki, kanthi ngenalake aktivator. Metode sing nyebar dhewe relatif gampang dileksanakake, lan macem-macem parameter sintesis gampang dikontrol kanthi stabil. Sintesis skala gedhe nyukupi kabutuhan industrialisasi.
Wiwit taun 1999, Bridgeport migunakaké metode sintesis suhu dhuwur sing nyebar dhéwé kanggo nyintesisBubuk SiC, nanging nggunakake resin etoksisilane lan fenol minangka bahan mentah, sing larang regane. Gao Pan lan liya-liyane nggunakake bubuk Si lan bubuk C kanthi kemurnian dhuwur minangka bahan mentah kanggo nyintesis.Bubuk SiCkanthi reaksi suhu dhuwur ing atmosfer argon. Ning Lina nyiyapake partikel gedheBubuk SiCkanthi sintesis sekunder.
Tungku pemanas induksi frekuensi menengah sing dikembangake dening Institut Riset Kedua China Electronics Technology Group Corporation nyampur bubuk silikon lan bubuk karbon kanthi rata kanthi rasio stoikiometri tartamtu lan dilebokake ing wadhah grafit.wadah grafitdilebokake ing tungku pemanasan induksi frekuensi menengah kanggo pemanasan, lan owah-owahan suhu digunakake kanggo nyintesis lan ngowahi fase suhu rendah lan fase suhu tinggi silikon karbida. Amarga suhu reaksi sintesis β-SiC ing fase suhu rendah luwih murah tinimbang suhu penguapan Si, sintesis β-SiC ing vakum dhuwur bisa njamin panyebaran dhewe. Cara ngenalake gas argon, hidrogen lan HCl ing sintesis α-SiC nyegah dekomposisiBubuk SiCing tahap suhu dhuwur, lan bisa kanthi efektif nyuda kandungan nitrogen ing bubuk α-SiC.
Shandong Tianyue ngrancang tungku sintesis, nggunakake gas silana minangka bahan baku silikon lan bubuk karbon minangka bahan baku karbon. Jumlah gas bahan baku sing dilebokake diatur nganggo metode sintesis rong langkah, lan ukuran partikel silikon karbida sing disintesis pungkasan antara 50 lan 5.000 um.
1 Faktor kontrol proses sintesis bubuk
1.1 Pengaruh ukuran partikel bubuk marang pertumbuhan kristal
Ukuran partikel bubuk silikon karbida nduweni pengaruh sing penting banget marang pertumbuhan kristal tunggal sabanjure. Pertumbuhan kristal tunggal SiC kanthi metode PVT utamane ditindakake kanthi ngganti rasio molar silikon lan karbon ing komponen fase gas, lan rasio molar silikon lan karbon ing komponen fase gas ana hubungane karo ukuran partikel bubuk silikon karbida. Tekanan total lan rasio silikon-karbon saka sistem pertumbuhan mundhak kanthi penurunan ukuran partikel. Nalika ukuran partikel mudhun saka 2-3 mm dadi 0,06 mm, rasio silikon-karbon mundhak saka 1,3 dadi 4,0. Nalika partikel cilik nganti tingkat tartamtu, tekanan parsial Si mundhak, lan lapisan film Si kawangun ing permukaan kristal sing tuwuh, nyebabake pertumbuhan gas-cair-padhet, sing mengaruhi polimorfisme, cacat titik lan cacat garis ing kristal. Mulane, ukuran partikel bubuk silikon karbida kemurnian tinggi kudu dikontrol kanthi apik.
Kajaba iku, nalika ukuran partikel bubuk SiC relatif cilik, bubuk kasebut luwih cepet bosok, sing nyebabake tuwuhing kristal tunggal SiC sing berlebihan. Ing sisih siji, ing lingkungan suhu dhuwur saka tuwuhing kristal tunggal SiC, rong proses sintesis lan dekomposisi ditindakake bebarengan. Bubuk silikon karbida bakal bosok lan mbentuk karbon ing fase gas lan fase padat kayata Si, Si2C, SiC2, sing nyebabake karbonisasi bubuk polikristalin sing serius lan pembentukan inklusi karbon ing kristal; ing sisih liya, nalika tingkat dekomposisi bubuk relatif cepet, struktur kristal kristal tunggal SiC sing wis thukul cenderung owah, saengga angel ngontrol kualitas kristal tunggal SiC sing wis thukul.
1.2 Efek saka wujud kristal bubuk marang tuwuhing kristal
Pertumbuhan kristal tunggal SiC kanthi metode PVT minangka proses sublimasi-rekristalisasi ing suhu dhuwur. Bentuk kristal saka bahan mentah SiC nduweni pengaruh penting marang pertumbuhan kristal. Ing proses sintesis bubuk, fase sintesis suhu rendah (β-SiC) kanthi struktur kubik sel unit lan fase sintesis suhu dhuwur (α-SiC) kanthi struktur heksagonal sel unit bakal utamane diasilake. Ana akeh bentuk kristal silikon karbida lan rentang kontrol suhu sing sempit. Contone, 3C-SiC bakal malih dadi polimorf silikon karbida heksagonal, yaiku 4H/6H-SiC, ing suhu ndhuwur 1900°C.
Sajrone proses pertumbuhan kristal tunggal, nalika bubuk β-SiC digunakake kanggo nuwuhake kristal, rasio molar silikon-karbon luwih gedhe saka 5,5, dene nalika bubuk α-SiC digunakake kanggo nuwuhake kristal, rasio molar silikon-karbon yaiku 1,2. Nalika suhu mundhak, transisi fase kedadeyan ing wadhah. Ing wektu iki, rasio molar ing fase gas dadi luwih gedhe, sing ora kondusif kanggo pertumbuhan kristal. Kajaba iku, pengotor fase gas liyane, kalebu karbon, silikon, lan silikon dioksida, gampang diasilake sajrone proses transisi fase. Anane pengotor kasebut nyebabake kristal ngasilake mikrotube lan rongga. Mulane, bentuk kristal bubuk kudu dikontrol kanthi tepat.
1.3 Efek saka rereged bubuk marang tuwuhing kristal
Kandungan pengotor ing bubuk SiC mengaruhi nukleasi spontan sajrone pertumbuhan kristal. Semakin dhuwur kandungan pengotor, semakin cilik kemungkinan kristal kasebut nukleasi kanthi spontan. Kanggo SiC, pengotor logam utama kalebu B, Al, V, lan Ni, sing bisa dilebokake dening alat pangolahan sajrone pangolahan bubuk silikon lan bubuk karbon. Antarane, B lan Al minangka pengotor akseptor tingkat energi cethek utama ing SiC, sing nyebabake penurunan resistivitas SiC. Pengotor logam liyane bakal ngenalake akeh tingkat energi, sing nyebabake sifat listrik kristal tunggal SiC sing ora stabil ing suhu dhuwur, lan duwe pengaruh sing luwih gedhe marang sifat listrik substrat kristal tunggal semi-isolasi kemurnian tinggi, utamane resistivitas. Mulane, bubuk silikon karbida kemurnian tinggi kudu disintesis sabisa-bisane.
1.4 Pengaruh kandungan nitrogen ing bubuk marang pertumbuhan kristal
Tingkat kandungan nitrogen nemtokake resistivitas substrat kristal tunggal. Produsen utama kudu nyetel konsentrasi doping nitrogen ing bahan sintetis miturut proses pertumbuhan kristal diwasa sajrone sintesis bubuk. Substrat kristal tunggal silikon karbida semi-isolasi kemurnian tinggi minangka bahan sing paling njanjeni kanggo komponen elektronik inti militer. Kanggo nuwuhake substrat kristal tunggal semi-isolasi kemurnian tinggi kanthi resistivitas dhuwur lan sifat listrik sing apik banget, kandungan nitrogen pengotor utama ing substrat kudu dikontrol ing tingkat sing endhek. Substrat kristal tunggal konduktif mbutuhake kandungan nitrogen sing dikontrol ing konsentrasi sing relatif dhuwur.
2 Teknologi kontrol kunci kanggo sintesis bubuk
Amarga lingkungan panggunaan substrat silikon karbida sing beda-beda, teknologi sintesis kanggo bubuk pertumbuhan uga duwe proses sing beda-beda. Kanggo bubuk pertumbuhan kristal tunggal konduktif tipe-N, dibutuhake kemurnian pengotor sing dhuwur lan fase tunggal; dene kanggo bubuk pertumbuhan kristal tunggal semi-isolasi, kontrol kandungan nitrogen sing ketat dibutuhake.
2.1 Kontrol ukuran partikel bubuk
2.1.1 Suhu sintesis
Njaga kahanan proses liyane ora owah, bubuk SiC sing diasilake ing suhu sintesis 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, lan 2200 ℃ disampel lan dianalisis. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1, bisa dideleng yen ukuran partikel yaiku 250 ~ 600 μm ing 1900 ℃, lan ukuran partikel mundhak dadi 600 ~ 850 μm ing 2000 ℃, lan ukuran partikel owah kanthi signifikan. Nalika suhu terus mundhak nganti 2100 ℃, ukuran partikel bubuk SiC yaiku 850 ~ 2360 μm, lan kenaikan cenderung alus. Ukuran partikel SiC ing 2200 ℃ stabil ing udakara 2360 μm. Peningkatan suhu sintesis saka 1900 ℃ nduweni efek positif marang ukuran partikel SiC. Nalika suhu sintesis terus mundhak saka 2100 ℃, ukuran partikel ora owah kanthi signifikan maneh. Mulane, nalika suhu sintesis disetel menyang 2100 ℃, ukuran partikel sing luwih gedhe bisa disintesis kanthi konsumsi energi sing luwih murah.
2.1.2 Wektu sintesis
Kahanan proses liyane tetep ora owah, lan wektu sintesis disetel dadi 4 jam, 8 jam, lan 12 jam. Analisis sampling bubuk SiC sing diasilake dituduhake ing Gambar 2. Ditemokake manawa wektu sintesis nduweni pengaruh sing signifikan marang ukuran partikel SiC. Nalika wektu sintesis 4 jam, ukuran partikel utamane kasebar ing 200 μm; nalika wektu sintesis 8 jam, ukuran partikel sintetik mundhak sacara signifikan, utamane kasebar ing udakara 1.000 μm; nalika wektu sintesis terus mundhak, ukuran partikel saya mundhak, utamane kasebar ing udakara 2.000 μm.
2.1.3 Pengaruh ukuran partikel bahan mentah
Amarga rantai produksi bahan silikon domestik saya apik, kemurnian bahan silikon uga saya apik. Saiki, bahan silikon sing digunakake ing sintesis utamane dipérang dadi silikon granular lan silikon bubuk, kaya sing dituduhake ing Gambar 3.
Bahan mentah silikon sing beda-beda digunakake kanggo nindakake eksperimen sintesis silikon karbida. Perbandingan produk sintetis dituduhake ing Gambar 4. Analisis nuduhake yen nalika nggunakake bahan mentah silikon blok, akeh unsur Si sing ana ing produk kasebut. Sawise blok silikon diremuk kanggo kaping pindho, unsur Si ing produk sintetis suda sacara signifikan, nanging isih ana. Pungkasan, bubuk silikon digunakake kanggo sintesis, lan mung SiC sing ana ing produk kasebut. Iki amarga ing proses produksi, silikon granular ukuran gedhe kudu ngalami reaksi sintesis permukaan dhisik, lan silikon karbida disintesis ing permukaan, sing nyegah bubuk Si internal saka gabung luwih lanjut karo bubuk C. Mulane, yen blok silikon digunakake minangka bahan mentah, kudu diremuk banjur ditindakake proses sintesis sekunder kanggo entuk bubuk silikon karbida kanggo pertumbuhan kristal.
2.2 Kontrol wujud kristal bubuk
2.2.1 Pengaruh suhu sintesis
Njaga kahanan proses liyane ora owah, suhu sintesis yaiku 1500℃, 1700℃, 1900℃, lan 2100℃, lan bubuk SiC sing diasilake disampel lan dianalisis. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5, β-SiC warnane kuning kaya lemah, lan α-SiC warnane luwih padhang. Kanthi mirsani warna lan morfologi bubuk sing disintesis, bisa ditemtokake manawa produk sing disintesis yaiku β-SiC ing suhu 1500℃ lan 1700℃. Ing suhu 1900℃, warnane dadi luwih padhang, lan partikel heksagonal katon, nuduhake yen sawise suhu mundhak dadi 1900℃, transisi fase kedadeyan, lan sebagian β-SiC diowahi dadi α-SiC; nalika suhu terus mundhak dadi 2100℃, ditemokake manawa partikel sing disintesis transparan, lan α-SiC wis diowahi.
2.2.2 Efek wektu sintesis
Kahanan proses liyane tetep ora owah, lan wektu sintesis disetel dadi 4 jam, 8 jam, lan 12 jam. Bubuk SiC sing diasilake disampel lan dianalisis nganggo difraktometer (XRD). Asil kasebut dituduhake ing Gambar 6. Wektu sintesis nduweni pengaruh tartamtu marang produk sing disintesis dening bubuk SiC. Nalika wektu sintesis 4 jam lan 8 jam, produk sintetik utamane 6H-SiC; nalika wektu sintesis 12 jam, 15R-SiC katon ing produk kasebut.
2.2.3 Pengaruh rasio bahan baku
Proses liyane tetep ora owah, jumlah zat silikon-karbon dianalisis, lan rasione yaiku 1,00, 1,05, 1,10 lan 1,15 kanggo eksperimen sintesis. Asil kasebut dituduhake ing Gambar 7.
Saka spektrum XRD, bisa dideleng yen nalika rasio silikon-karbon luwih saka 1,05, Si sing berlebihan katon ing produk kasebut, lan nalika rasio silikon-karbon kurang saka 1,05, C sing berlebihan katon. Nalika rasio silikon-karbon 1,05, karbon bebas ing produk sintetis meh ilang, lan ora ana silikon bebas sing katon. Mulane, rasio jumlah rasio silikon-karbon kudu 1,05 kanggo nyintesis SiC kanthi kemurnian dhuwur.
2.3 Kontrol kandungan nitrogen sing sithik ing bubuk
2.3.1 Bahan mentah sintetis
Bahan mentah sing digunakake ing eksperimen iki yaiku bubuk karbon kemurnian tinggi lan bubuk silikon kemurnian tinggi kanthi diameter median 20 μm. Amarga ukuran partikel cilik lan area permukaan spesifik sing gedhe, gampang nyerep N2 ing udhara. Nalika nyintesis bubuk, bakal digawa menyang bentuk kristal bubuk. Kanggo tuwuhing kristal tipe-N, doping N2 sing ora rata ing bubuk nyebabake resistensi kristal sing ora rata lan malah owah-owahan ing bentuk kristal. Kandungan nitrogen bubuk sing disintesis sawise hidrogen dilebokake kanthi signifikan sithik. Iki amarga volume molekul hidrogen cilik. Nalika N2 sing diserap ing bubuk karbon lan bubuk silikon dipanasake lan diurai saka permukaan, H2 nyebar kanthi lengkap menyang celah antarane bubuk kanthi volume cilik, ngganti posisi N2, lan N2 metu saka wadah sajrone proses vakum, nggayuh tujuan mbusak kandungan nitrogen.
2.3.2 Proses sintesis
Sajrone sintesis bubuk silikon karbida, amarga radius atom karbon lan atom nitrogen padha, nitrogen bakal ngganti kekosongan karbon ing silikon karbida, saengga nambah kandungan nitrogen. Proses eksperimen iki nggunakake metode ngenalake H2, lan H2 bereaksi karo unsur karbon lan silikon ing wadah sintesis kanggo ngasilake gas C2H2, C2H, lan SiH. Kandungan unsur karbon mundhak liwat transmisi fase gas, saengga nyuda kekosongan karbon. Tujuan mbusak nitrogen wis digayuh.
2.3.3 Kontrol kandungan nitrogen latar mburi proses
Wadhah grafit kanthi porositas gedhe bisa digunakake minangka sumber C tambahan kanggo nyerep uap Si ing komponen fase gas, nyuda Si ing komponen fase gas, lan kanthi mangkono nambah C/Si. Ing wektu sing padha, wadhah grafit uga bisa reaksi karo atmosfer Si kanggo ngasilake Si2C, SiC2 lan SiC, sing padha karo atmosfer Si sing nggawa sumber C saka wadhah grafit menyang atmosfer pertumbuhan, nambah rasio C, lan uga nambah rasio karbon-silikon. Mulane, rasio karbon-silikon bisa ditambah kanthi nggunakake wadhah grafit kanthi porositas gedhe, nyuda kekosongan karbon, lan nggayuh tujuan mbusak nitrogen.
3 Analisis lan desain proses sintesis bubuk kristal tunggal
3.1 Prinsip lan desain proses sintesis
Liwat panliten komprehensif sing kasebut ing ndhuwur babagan kontrol ukuran partikel, bentuk kristal, lan kandungan nitrogen saka sintesis bubuk, proses sintesis diusulake. Bubuk C lan Si kanthi kemurnian dhuwur dipilih, lan dicampur rata lan dimuat menyang wadah grafit miturut rasio silikon-karbon 1,05. Langkah-langkah proses utamane dipérang dadi patang tahapan:
1) Proses denitrifikasi suhu rendah, nyedhot debu nganti 5 × 10-4 Pa, banjur ngenalake hidrogen, nggawe tekanan ruangan udakara 80 kPa, dijaga nganti 15 menit, lan dibaleni kaping papat. Proses iki bisa mbusak unsur nitrogen ing permukaan bubuk karbon lan bubuk silikon.
2) Proses denitrifikasi suhu dhuwur, nyedhot debu nganti 5 × 10-4 Pa, banjur dipanasake nganti 950 ℃, banjur ngenalake hidrogen, nggawe tekanan ruangan udakara 80 kPa, dijaga nganti 15 menit, lan dibaleni kaping papat. Proses iki bisa mbusak unsur nitrogen ing permukaan bubuk karbon lan bubuk silikon, lan ndorong nitrogen ing medan panas.
3) Sintesis proses fase suhu rendah, evakuasi nganti 5 × 10-4 Pa, banjur panasake nganti 1350 ℃, simpen nganti 12 jam, banjur lebokake hidrogen kanggo nggawe tekanan ruang udakara 80 kPa, simpen nganti 1 jam. Proses iki bisa mbusak nitrogen sing nguap sajrone proses sintesis.
4) Sintesis proses fase suhu dhuwur, isi karo rasio aliran volume gas tartamtu saka campuran gas hidrogen lan argon kemurnian dhuwur, gawe tekanan ruangan udakara 80 kPa, mundhakake suhu nganti 2100℃, lan simpen nganti 10 jam. Proses iki ngrampungake transformasi bubuk silikon karbida saka β-SiC dadi α-SiC lan ngrampungake pertumbuhan partikel kristal.
Pungkasan, enteni suhu ruangan adhem nganti suhu ruangan, isi nganti tekanan atmosfer, lan jupuk bubuk kasebut.
3.2 Proses pasca-proses bubuk
Sawise bubuk disintesis nganggo proses ing ndhuwur, kudu diolah maneh kanggo mbusak karbon bebas, silikon, lan rereged logam liyane lan nyaring ukuran partikel. Kapisan, bubuk sing disintesis dilebokake ing ball mill kanggo diremuk, lan bubuk silikon karbida sing diremuk dilebokake ing tungku muffle lan dipanasake nganti 450°C nganggo oksigen. Karbon bebas ing bubuk dioksidasi dening panas kanggo ngasilake gas karbon dioksida sing metu saka ruang kasebut, saengga bisa ngilangi karbon bebas. Sabanjure, cairan pembersih asam disiapake lan dilebokake ing mesin pembersih partikel silikon karbida kanggo ngresiki kanggo mbusak karbon, silikon, lan rereged logam sisa sing diasilake sajrone proses sintesis. Sawise iku, asam sisa dicuci nganggo banyu murni lan dikeringake. Bubuk sing wis garing disaring ing layar geter kanggo pemilihan ukuran partikel kanggo pertumbuhan kristal.
Wektu kiriman: 08-Agu-2024