In processu accretionis monocrystalli carburi silicii, transportatio vaporis physica est methodus industrializationis hodierna praecipua. Pro methodo accretionis PVT,pulvis carburi siliciimagnum momentum in processum incrementi habet. Omnes parametripulvis carburi siliciiqualitatem accretionis monocrystalli et proprietates electricas directe afficiunt. In applicationibus industrialibus hodiernis, vulgo adhibitapulvis carburi siliciiProcessus synthesis est methodus synthesis altae temperaturae se ipsam propagans.
Methodus synthesis autopropagantis temperaturae altae temperaturam altam adhibet ut reactantibus calorem initialem praebeat ad reactiones chemicas incipiendas, deinde calorem suum reactionis chemicae adhibet ut substantiae non reactae reactionem chemicam perficere possint. Quoniam autem reactio chemica Si et C minus caloris emittit, alia reactantia addenda sunt ad reactionem conservandam. Quapropter multi eruditi methodum synthesis autopropagantis emendatam proposuerunt, hac de causa activatorem introducentes. Methodus autopropagantis relative facilis est ad implendum, et varii parametri synthesis facile stabile moderantur. Synthesis magnae scalae necessitatibus industrializationis satisfacit.
Iam anno 1999, Bridgeport methodum synthesis altae temperaturae auto-propagantem ad synthesizandum adhibuit.Pulvis SiC, sed ethoxysilanum et resinam phenolicam ut materias primas adhibuit, quod sumptuosum erat. Gao Pan et alii pulverem Si altae puritatis et pulverem C ut materias primas ad synthesim adhibebant.Pulvis SiCper reactionem altae temperaturae in atmosphaera argonica. Ning Lina magnas particulas paravitPulvis SiCper synthesim secundariam.
Fornax calefactionis inductionis mediae frequentiae, a Secundo Instituto Investigationis Societatis Technologiae Electronicae Sinensis elaborata, pulverem silicii et pulverem carbonis aequaliter miscet secundum certam proportionem stoichiometricam et in crucibulo graphito ponitur.crucibulum graphitaeIn fornacem inductionis mediae frequentiae ad calefaciendum ponitur, et mutatio temperaturae ad synthesim et transformationem carburi silicii, tam temperaturae humilis quam temperaturae altae, adhibetur. Cum temperatura reactionis synthesis β-SiC in phase temperaturae humilis inferior sit temperatura volatilisationis Si, synthesis β-SiC sub vacuo alto bene auto-propagationem praestare potest. Methodus introducendi argon, hydrogenium et gas HCl in synthesis α-SiC decompositionem impedit.Pulvis SiCin stadio altae temperaturae, et efficaciter nitrogenii contentum in pulvere α-SiC reducere potest.
Shandong Tianyue fornacem syntheticam designavit, gas silanum ut materiam primam siliconis et pulverem carbonis ut materiam primam carbonis utens. Quantitas gasis materiae primae introducta methodo synthetica duorum graduum accommodata est, et magnitudo particularum carburi silicii syntheticae finalis inter 50 et 5000 µm erat.
1 Factores moderandi processus pulveris synthesis
1.1 Effectus magnitudinis particularum pulveris in incrementum crystalli
Magnitudo particularum pulveris carburi silicii momentum magnum habet in incrementum monocrystalli subsequentem. Incrementum monocrystalli SiC per methodum PVT praecipue perficitur per mutationem rationis molaris silicii et carbonii in componente phasis gaseosae, et proportio molaris silicii et carbonii in componente phasis gaseosae ad magnitudinem particularum pulveris carburi silicii pertinet. Pressio totalis et proportio silicii ad carbonium systematis incrementi augentur cum diminutione magnitudinis particularum. Cum magnitudo particularum a 2-3 mm ad 0.06 mm decrescit, proportio silicii ad carbonium ab 1.3 ad 4.0 augetur. Cum particulae ad certum gradum parvae sunt, pressio partialis Si augetur, et stratum pelliculae Si in superficie crystalli crescentis formatur, incrementum gas-liquido-solidum inducit, quod polymorphismum, defectus punctuales et defectus lineares in crystallo afficit. Ergo, magnitudo particularum pulveris carburi silicii altae puritatis bene moderanda est.
Praeterea, cum magnitudo particularum pulveris SiC relative parva est, pulvis celerius putrescit, quod nimiam incrementum crystallorum singularium SiC efficit. Ex una parte, in ambitu altae temperaturae incrementi crystalli singularis SiC, duo processus synthesis et decompositionis simul peraguntur. Pulvis carburi silicii putrescit et carbonium in phase gaseosa et phase solida, ut Si, Si₂C, SiC₂, formabit, quod gravem carbonisationem pulveris polycrystallini et formationem inclusionum carbonii in crystallo efficit; ex altera parte, cum celeritas decompositionis pulveris relative celeris est, structura crystallina crystalli singularis SiC creti mutationi obnoxia est, quod qualitatem crystalli singularis SiC creti difficilem reddit moderari.
1.2 Effectus formae crystalli pulveris in incrementum crystalli
Incrementum crystalli singularis SiC per methodum PVT est processus sublimationis-recrystallizationis ad altam temperaturam. Forma crystallina materiae rudis SiC magnum momentum habet in incrementum crystalli. In processu synthesis pulveris, phasis synthesis temperaturae humilis (β-SiC) cum structura cubica cellulae unitariae et phasis synthesis temperaturae altae (α-SiC) cum structura hexagonali cellulae unitariae praecipue producentur. Multae formae crystallinae carburi silicii et angustum ambitum moderationis temperaturae existunt. Exempli gratia, 3C-SiC in polymorphum carburi silicii hexagonale, id est 4H/6H-SiC, ad temperaturas supra 1900°C transformabitur.
Per processum accretionis crystalli singularis, cum pulvis β-SiC ad crystallos accrescendos adhibetur, proportio molaris silicii ad carbonium maior est quam 5.5, cum autem pulvis α-SiC ad crystallos accrescendos adhibetur, proportio molaris silicii ad carbonium est 1.2. Cum temperatura crescit, transitio phasis in crispo fit. Hoc tempore, proportio molaris in phase gaseosa maior fit, quod accretioni crystalli non favet. Praeterea, aliae impuritates phases gaseosae, inter quas carbonium, silicium, et dioxidum silicii, facile per processum transitionis phasis generantur. Praesentia harum impuritatum efficit ut crystallus microtubulos et vacuitates generet. Ergo, forma crystalli pulveris accurate moderanda est.
1.3 Effectus impuritatum pulveris in incrementum crystallorum
Impuritates in pulvere SiC nucleationem spontaneam durante accretione crystalli afficiunt. Quo maior est impuritas contenta, eo minus probabile est crystallum sponte nucleare. In SiC, inter impuritates metallorum praecipuas sunt B, Al, V, et Ni, quae per instrumenta processus durante processu pulveris silicii et pulveris carbonis introduci possunt. Inter eas, B et Al sunt principales impuritates accipientes gradus energiae superficialis in SiC, quae ad diminutionem resistentiae SiC ducunt. Aliae impuritates metallorum multos gradus energiae introducent, quae ad proprietates electricas instabiles crystallorum singularium SiC ad altas temperaturas ducunt, et maiorem impulsum in proprietates electricas substratorum semi-insulantium singularium crystallorum altae puritatis, praesertim resistentiam, habent. Ergo, pulvis silicii carburi altae puritatis quam maxime synthesizandus est.
1.4 Effectus nitrogenii in pulvere in incrementum crystallorum
Gradus nitrogenii contenti resistentiam substrati monocrystallini determinat. Fabricatores maiores concentrationem nitrogenii in materia synthetica secundum processum maturitatis crystalli crescentis durante synthesi pulveris accommodare debent. Substrata monocrystallina silicii carburi semi-insulantia altae puritatis inter materias optimas pro componentibus electronicis militaribus numerantur. Ad substrata monocrystallina semi-insulantia altae puritatis cum resistentia alta et proprietatibus electricis excellentibus producenda, contentum nitrogenii impuritatis principalis in substrato ad gradum humilem moderandum est. Substrata monocrystallina conductiva requirunt ut contentum nitrogenii ad concentrationem relative altam moderetur.
Duae technologiae moderationis clavium ad pulveris synthesim
Ob diversas condiciones usus substratorum carburi silicii, technologia synthetica pulverum crescentium etiam processus diversos habet. Pro pulveribus crescentibus monocrystallinis conductivis typi N, alta puritas impuritatum et phasis singularis requiruntur; dum pro pulveribus crescentibus monocrystallinis semi-insulantibus, stricta moderatio quantitatis nitrogenii requiritur.
2.1 Imperium magnitudinis particularum pulveris
2.1.1 Temperatura synthesis
Ceteris condicionibus processus immutatis manentibus, pulveres SiC generati temperaturis synthesis 1900℃, 2000℃, 2100℃, et 2200℃ exempla collecta et analysata sunt. Ut in Figura 1 demonstratur, videri potest magnitudinem particularum 250~600 μm esse ad 1900℃, et magnitudinem particularum ad 600~850 μm augeri ad 2000℃, magnitudinem particularum significanter mutari. Cum temperatura ad 2100℃ ascendere pergit, magnitudo particularum pulveris SiC est 850~2360 μm, et incrementum leniter fieri solet. Magnitudo particularum SiC ad 2200℃ stabilis est ad circiter 2360 μm. Incrementum temperaturae synthesis ab 1900℃ effectum positivum in magnitudinem particularum SiC habet. Cum temperatura synthesis ab 2100℃ crescere pergit, magnitudo particularum non iam significanter mutatur. Ergo, cum temperatura synthesis ad 2100°C constituta est, maior magnitudo particularum minore energiae consumptione synthesizari potest.
2.1.2 Tempus synthesis
Aliae condiciones processus immutatae manent, et tempus synthesis ad 4 horas, 8 horas, et 12 horas respective statuitur. Analysis pulveris SiC generati in Figura 2 ostenditur. Invenitur tempus synthesis magnum effectum in magnitudinem particularum SiC habere. Cum tempus synthesis 4 horas est, magnitudo particularum plerumque ad 200 μm distribuitur; cum tempus synthesis 8 horas est, magnitudo particularum syntheticarum significanter augetur, plerumque ad circiter 1000 μm distribuitur; dum tempus synthesis crescere pergit, magnitudo particularum ulterius augetur, plerumque ad circiter 2000 μm distribuitur.
2.1.3 Influentia magnitudinis particularum materiae rudis
Dum catena domestica productionis materiae siliconis paulatim emendatur, puritas materiae siliconis etiam ulterius augetur. Hodie, materiae siliconis in synthesi adhibitae praecipue in siliconem granularem et siliconem pulverulentum dividuntur, ut in Figura 3 demonstratur.
Variae materiae primae silicii ad experimenta synthesis silicii carburi peragenda adhibitae sunt. Comparatio productorum syntheticorum in Figura 4 ostenditur. Analysis ostendit, cum materiae primae silicii quadrati adhibentur, magnam quantitatem elementorum Si in producto adesse. Postquam quadratum silicii secundo contritum est, elementum Si in producto synthetico significanter reducitur, sed adhuc exstat. Denique, pulvis silicii ad synthesim adhibetur, et solum SiC in producto adest. Hoc fit quia in processu productionis, silicium granulare magnae magnitudinis primum reactionem syntheticam superficialem subire debet, et carburum silicii in superficie synthesizatur, quod pulverem Si internum ne ulterius cum pulvere C coalescat impedit. Ergo, si silicium quadratum ut materia prima adhibetur, contritum et deinde processui synthetico secundario subiiciendum est ut pulvis silicii carburi ad incrementum crystallorum obtineatur.
2.2 Imperium formae crystalli pulveris
2.2.1 Influentia temperaturae syntheticae
Ceteris condicionibus processus immutatis manentibus, temperatura synthesis est 1500℃, 1700℃, 1900℃, et 2100℃, et pulvis SiC generatus exempli gratia sumitur et analyzatur. Ut in Figura 5 demonstratur, β-SiC flavum terrenum est, α-SiC autem colore clariore est. Observando colorem et morphologiam pulveris synthesizati, determinari potest productum synthesizatum esse β-SiC ad temperaturas 1500℃ et 1700℃. Ad 1900℃, color clarior fit, et particulae hexagonales apparent, quod indicat postquam temperatura ad 1900℃ ascendit, transitionem phasis fieri, et partem β-SiC in α-SiC conversam esse; cum temperatura ad 2100℃ ascendere pergit, invenitur particulas synthesizatas esse pellucidas, et α-SiC fundamentaliter conversum esse.
2.2.2 Effectus temporis synthesis
Aliae condiciones processus immutatae manent, et tempus synthesis ad 4 horas, 8 horas, et 12 horas respective statuitur. Pulvis SiC generatus exempli gratia sumitur et diffractometro (XRD) analyzatur. Resultata in Figura 6 monstrantur. Tempus synthesis quandam vim in productum a pulvere SiC synthesizatum habet. Cum tempus synthesis 4 horas et 8 horas est, productum syntheticum praecipue 6H-SiC est; cum tempus synthesis 12 horas est, 15R-SiC in producto apparet.
2.2.3 Influentia proportionis materiae rudis
Ceteri processus immutati manent, quantitas substantiarum siliconis-carbonis analysatur, et rationes sunt 1.00, 1.05, 1.10 et 1.15 respective pro experimentis syntheticis. Resultata in Figura 7 monstrantur.
Ex spectro XRD, videri potest cum proportio silicii ad carbonium maior est quam 1.05, superfluum Si in producto apparere, et cum proportio silicii ad carbonium minor est quam 1.05, superfluum C apparere. Cum proportio silicii ad carbonium 1.05 est, carbonium liberum in producto synthetico plerumque eliminatur, et nullum silicium liberum apparet. Ergo, proportio quantitatis silicii ad carbonium 1.05 esse debet ad SiC altae puritatis synthetizandum.
2.3 Imperium parvi nitrogenii in pulvere
2.3.1 Materiae primae syntheticae
Materiae primae in hoc experimento adhibitae sunt pulvis carbonis altae puritatis et pulvis silicii altae puritatis, diametro mediano 20 μm. Propter parvam magnitudinem particularum et magnam superficiem specificam, facile N2 in aere absorbent. Dum pulvis synthesizatur, in formam crystallinam pulveris adducitur. Ad crystallos N-typi crescendos, inaequalis N2 in pulvere ad resistentiam inaequalem crystalli et etiam mutationes in forma crystallina ducit. Contentum nitrogenii pulveris synthesizati postquam hydrogenium introductum est significanter humile est. Hoc fit quia volumen molecularum hydrogenii parvum est. Cum N2 in pulvere carbonis et pulvere silicii adsorptum calefacitur et a superficie decomponitur, H2 plene in spatium inter pulveres cum parvo volumine suo diffunditur, locum N2 substituens, et N2 e cribulo durante processu vacui effugit, finem removendi contentum nitrogenii assequens.
2.3.2 Processus synthesis
In synthesi pulveris carburi silicii, cum radius atomorum carbonii et atomorum nitrogenii similis sit, nitrogenium vacuitates carbonii in carburo silicii substituet, ita copiam nitrogenii augens. Hic processus experimentalis modum introducendi H2 adhibet, et H2 cum elementis carbonii et silicii in cribro synthetico reagit ad gases C2H2, C2H, et SiH generandos. Copia elementorum carbonii per transmissionem phasis gaseosae augetur, ita copiam vacuitatis carbonii minuens. Propositum removendi nitrogenium assequitur.
2.3.3 Moderatio nitrogenii in cursu processuum
Crustula graphita magna porositate ut fontes C additionales ad vaporem Si in componentibus phasis gaseosae absorbendum, Si in componentibus phasis gaseosae reducendum, atque ita rationem C/Si augendam adhiberi possunt. Simul, crustula graphita etiam cum atmosphaera Si reagere possunt ad Si₂C, SiC₂ et SiC generandum, quod aequivalet atmosphaerae Si fontem C e crustula graphita in atmosphaeram crescentiae afferenti, rationem C augentem, et etiam rationem carbonii ad silicium augentem. Ergo, proportio carbonii ad silicium augeri potest per usum crustulorum graphitarum magna porositate, vacuitates carbonii reducendo, et finem nitrogenii removendi consequendo.
3 Analysis et consilium processus synthesis pulveris monocrystallini
3.1 Principium et consilium processus synthetici
Per studium comprehensivum supra memoratum de moderatione magnitudinis particularum, formae crystallinae et contenti nitrogenii in pulveris synthesis, processus synthesis proponitur. Pulvis C et pulvis Si altae puritatis eliguntur, et aequaliter miscentur et in crucibulum graphitum secundum rationem silicii et carbonii 1.05 imponuntur. Gradus processus plerumque in quattuor partes dividuntur:
1) Processus denitrificationis temperaturae humilis, vacuum ad 5×10⁻⁴ Pa sublato, deinde hydrogenium adhibito, pressione camerae ad circiter 80 kPa adducta, per 15 minutas conservata, et quater repetenda. Hic processus elementa nitrogenii e superficie pulveris carbonis et pulveris silicii removere potest.
2) Processus denitrificationis altae temperaturae, vacuum ad 5×10⁻⁴ Pa sublato, deinde ad 950°C calefacto, et tum hydrogenium adhibito, pressionem camerae ad circiter 80 kPa adducta, per 15 minutas conservata, et quater repetenda. Hic processus elementa nitrogenii e superficie pulveris carbonis et pulveris silicii removere et nitrogenium in campum caloris impellere potest.
3) Synthesis per processum phasis temperaturae humilis, evacuatio ad 5×10⁻⁴ Pa, deinde calefactio ad 1350℃, manet per 12 horas, tum hydrogenium adde ut pressio camerae ad circiter 80 kPa perveniat, manet per 1 horam. Hic processus nitrogenium volatilizatum per processum synthesis removere potest.
4) Synthesis processus phasis altae temperaturae, impletione certa proportione fluxus voluminis gasis hydrogenii altae puritatis et argonis mixti, pressione camerae circiter 80 kPa adducta, temperatura ad 2100℃ elevata, et per 10 horas servata. Hic processus transformationem pulveris carburi silicii ex β-SiC ad α-SiC perficit et incrementum particularum crystallinarum perficit.
Denique, exspecta dum temperatura camerae ad temperaturam cubiculi refrigescat, ad pressionem atmosphaericam imple, et pulverem extrahe.
3.2 Processus post-processus pulveris
Postquam pulvis per processum supradictum synthesizatus est, post-processum subiici debet ut carbonium liberum, silicium, aliaeque impuritates metallorum removeantur et magnitudo particularum cribretur. Primo, pulvis synthesizatus in molam globulorum ad contundendum ponitur, et pulvis silicii carburi contritus in fornacem mufflam ponitur et ad 450°C oxygenio calefacitur. Carbo liber in pulvere calore oxidatur ut gas carbonii dioxidi generetur quod e camera effluit, ita carbonii liberi remotio efficitur. Deinde, liquor purgans acidus praeparatur et in machinam purgantem particularum silicii carburi ad purgandum ponitur ut carbonium, silicium, et impuritates metallorum residuas, quae per processum synthesis generantur, removeantur. Post hoc, acidum residuum in aqua pura lavatur et siccatur. Pulvis siccatus in cribro vibratorio cribratur ad magnitudinem particularum selectam pro incremento crystalli.
Tempus publicationis: VIII Augusti, MMXXIV