सिलिकॉन कार्बाइडच्या एकल स्फटिक वाढ प्रक्रियेमध्ये, भौतिक बाष्प परिवहन (Physical Vapor Transport) ही सध्याची मुख्य औद्योगिकीकरण पद्धत आहे. PVT वाढ पद्धतीसाठी,सिलिकॉन कार्बाइड पावडरवाढीच्या प्रक्रियेवर मोठा प्रभाव असतो. सर्व मापदंडसिलिकॉन कार्बाइड पावडरएकल क्रिस्टल वाढीच्या गुणवत्तेवर आणि विद्युत गुणधर्मांवर थेट परिणाम करतात. सध्याच्या औद्योगिक उपयोगांमध्ये, सामान्यतः वापरले जाणारेसिलिकॉन कार्बाइड पावडरसंश्लेषण प्रक्रिया ही स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण पद्धत आहे.
स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण पद्धतीमध्ये, रासायनिक अभिक्रिया सुरू करण्यासाठी अभिकारकांना उच्च तापमानाद्वारे प्रारंभिक उष्णता दिली जाते आणि नंतर स्वतःच्या रासायनिक अभिक्रियेतील उष्णतेचा वापर करून, अभिक्रिया न झालेल्या पदार्थांना रासायनिक अभिक्रिया पूर्ण करण्यासाठी पुढे चालू ठेवले जाते. तथापि, Si आणि C यांच्या रासायनिक अभिक्रियेतून कमी उष्णता बाहेर पडत असल्यामुळे, अभिक्रिया चालू ठेवण्यासाठी इतर अभिकारके घालावी लागतात. त्यामुळे, अनेक विद्वानांनी या आधारावर एक सक्रियक (activator) वापरून एक सुधारित स्व-प्रसारित संश्लेषण पद्धत प्रस्तावित केली आहे. स्व-प्रसारित पद्धत अंमलात आणायला तुलनेने सोपी आहे आणि विविध संश्लेषण मापदंडांवर स्थिरपणे नियंत्रण ठेवणे सोपे आहे. मोठ्या प्रमाणावरील संश्लेषण औद्योगिकीकरणाच्या गरजा पूर्ण करते.
१९९९ सालीच, ब्रिजपोर्टने स्व-प्रसारित उच्च-तापमान संश्लेषण पद्धतीचा वापर करून संश्लेषण केले होते.SiC पावडरपरंतु त्यात कच्चा माल म्हणून इथॉक्सिसिलीन आणि फिनॉल रेझिन वापरले जात होते, जे महाग होते. गाओ पान आणि इतरांनी संश्लेषण करण्यासाठी कच्चा माल म्हणून उच्च-शुद्धतेची Si पावडर आणि C पावडर वापरली.SiC पावडरआर्गॉनच्या वातावरणात उच्च-तापमान अभिक्रियेद्वारे. निंग लिनाने मोठे कण तयार केलेSiC पावडरद्वितीयक संश्लेषणाद्वारे.
चायना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नॉलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशनच्या दुसऱ्या संशोधन संस्थेने विकसित केलेल्या मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इंडक्शन हीटिंग फर्नेसमध्ये, सिलिकॉन पावडर आणि कार्बन पावडर एका विशिष्ट स्टॉइकिओमेट्रिक प्रमाणात एकसमान मिसळून त्यांना ग्रॅफाइट क्रुसिबलमध्ये ठेवले जाते.ग्राफाइट क्रुसिबलमध्यम-फ्रिक्वेन्सी इंडक्शन हीटिंग फर्नेसमध्ये तापवण्यासाठी ठेवले जाते, आणि तापमानातील बदलाचा उपयोग अनुक्रमे कमी-तापमान अवस्थेतील आणि उच्च-तापमान अवस्थेतील सिलिकॉन कार्बाइडचे संश्लेषण आणि रूपांतर करण्यासाठी केला जातो. कमी-तापमान अवस्थेतील β-SiC संश्लेषण अभिक्रियेचे तापमान Si च्या बाष्पीभवन तापमानापेक्षा कमी असल्यामुळे, उच्च व्हॅक्यूमखाली β-SiC चे संश्लेषण स्व-प्रसार चांगल्या प्रकारे सुनिश्चित करू शकते. α-SiC च्या संश्लेषणात आर्गॉन, हायड्रोजन आणि HCl वायूंचा समावेश करण्याची पद्धत विघटनास प्रतिबंध करते.SiC पावडरउच्च तापमानाच्या टप्प्यात, ते α-SiC पावडरमधील नायट्रोजनचे प्रमाण प्रभावीपणे कमी करू शकते.
शेंडोंग तियान्युएने एक संश्लेषण भट्टी तयार केली, ज्यामध्ये सिलिकॉन कच्चा माल म्हणून सिलेन वायू आणि कार्बन कच्चा माल म्हणून कार्बन पावडर वापरण्यात आली. दोन-टप्प्यांच्या संश्लेषण पद्धतीद्वारे आत सोडल्या जाणाऱ्या कच्च्या मालाच्या वायूचे प्रमाण समायोजित केले गेले आणि अंतिम संश्लेषित सिलिकॉन कार्बाइड कणांचा आकार ५० ते ५००० मायक्रॉन दरम्यान होता.
१. पावडर संश्लेषण प्रक्रियेचे नियंत्रण घटक
१.१ पावडरच्या कणांच्या आकाराचा स्फटिक वाढीवर होणारा परिणाम
सिलिकॉन कार्बाइड पावडरच्या कणांच्या आकाराचा त्यानंतरच्या एकल स्फटिक वाढीवर खूप महत्त्वाचा प्रभाव पडतो. PVT पद्धतीने SiC एकल स्फटिकाची वाढ मुख्यत्वे वायू अवस्थेतील घटकातील सिलिकॉन आणि कार्बनचे मोलर प्रमाण बदलून साधली जाते, आणि वायू अवस्थेतील घटकातील सिलिकॉन आणि कार्बनचे मोलर प्रमाण हे सिलिकॉन कार्बाइड पावडरच्या कणांच्या आकाराशी संबंधित असते. कणांचा आकार कमी झाल्यावर वाढ प्रणालीचा एकूण दाब आणि सिलिकॉन-कार्बन प्रमाण वाढते. जेव्हा कणांचा आकार २-३ मिमी पासून ०.०६ मिमी पर्यंत कमी होतो, तेव्हा सिलिकॉन-कार्बन प्रमाण १.३ पासून ४.० पर्यंत वाढते. जेव्हा कण एका विशिष्ट मर्यादेपर्यंत लहान होतात, तेव्हा Si चा आंशिक दाब वाढतो आणि वाढणाऱ्या स्फटिकाच्या पृष्ठभागावर Si फिल्मचा एक थर तयार होतो, ज्यामुळे वायू-द्रव-घन वाढ (gas-liquid-solid growth) प्रेरित होते, जी स्फटिकातील बहुरूपता, बिंदू दोष आणि रेखीय दोषांवर परिणाम करते. म्हणून, उच्च-शुद्धतेच्या सिलिकॉन कार्बाइड पावडरच्या कणांच्या आकारावर योग्य नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे.
याव्यतिरिक्त, जेव्हा SiC पावडरच्या कणांचा आकार तुलनेने लहान असतो, तेव्हा पावडरचे विघटन अधिक वेगाने होते, ज्यामुळे SiC एकल स्फटिकांची अत्यधिक वाढ होते. एकीकडे, SiC एकल स्फटिकांच्या वाढीच्या उच्च-तापमानाच्या वातावरणात, संश्लेषण आणि विघटन या दोन्ही प्रक्रिया एकाच वेळी घडतात. सिलिकॉन कार्बाइड पावडरचे विघटन होऊन वायू अवस्थेत आणि घन अवस्थेत Si, Si2C, SiC2 सारखा कार्बन तयार होतो, ज्यामुळे बहुस्फटिकी पावडरचे गंभीर कार्बनीकरण होते आणि स्फटिकांमध्ये कार्बनचे कण तयार होतात; दुसरीकडे, जेव्हा पावडरच्या विघटनाचा दर तुलनेने जलद असतो, तेव्हा वाढलेल्या SiC एकल स्फटिकाच्या स्फटिक संरचनेत बदल होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे वाढलेल्या SiC एकल स्फटिकाच्या गुणवत्तेवर नियंत्रण ठेवणे कठीण होते.
१.२ चूर्णाच्या स्फटिक स्वरूपाचा स्फटिक वाढीवर होणारा परिणाम
PVT पद्धतीने SiC एकल स्फटिकाची वाढ ही उच्च तापमानावर होणारी एक ऊर्ध्वपातन-पुनर्स्फटिकीकरण प्रक्रिया आहे. SiC कच्च्या मालाच्या स्फटिक स्वरूपाचा स्फटिक वाढीवर महत्त्वाचा प्रभाव असतो. चूर्ण संश्लेषणाच्या प्रक्रियेत, एकक पेशीची घन रचना असलेला कमी-तापमान संश्लेषण टप्पा (β-SiC) आणि एकक पेशीची षटकोनी रचना असलेला उच्च-तापमान संश्लेषण टप्पा (α-SiC) प्रामुख्याने तयार होतो. सिलिकॉन कार्बाइडची अनेक स्फटिक रूपे आहेत आणि तापमान नियंत्रणाची श्रेणी मर्यादित आहे. उदाहरणार्थ, 1900°C पेक्षा जास्त तापमानात 3C-SiC चे रूपांतर षटकोनी सिलिकॉन कार्बाइड बहुरूपात, म्हणजेच 4H/6H-SiC मध्ये होते.
एकल स्फटिक वाढ प्रक्रियेदरम्यान, जेव्हा स्फटिक वाढवण्यासाठी β-SiC पावडर वापरली जाते, तेव्हा सिलिकॉन-कार्बन मोलर गुणोत्तर ५.५ पेक्षा जास्त असते, तर जेव्हा स्फटिक वाढवण्यासाठी α-SiC पावडर वापरली जाते, तेव्हा सिलिकॉन-कार्बन मोलर गुणोत्तर १.२ असते. जेव्हा तापमान वाढते, तेव्हा मुशीमध्ये अवस्थांतर होते. यावेळी, वायू अवस्थेतील मोलर गुणोत्तर मोठे होते, जे स्फटिक वाढीसाठी अनुकूल नसते. याव्यतिरिक्त, अवस्थांतर प्रक्रियेदरम्यान कार्बन, सिलिकॉन आणि सिलिकॉन डायऑक्साइडसह इतर वायू अवस्थेतील अशुद्धी सहजपणे निर्माण होतात. या अशुद्धींच्या उपस्थितीमुळे स्फटिकामध्ये सूक्ष्म नळ्या आणि पोकळ्या निर्माण होतात. म्हणून, पावडरच्या स्फटिक स्वरूपावर अचूक नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे.
१.३ पावडरमधील अशुद्धतेचा स्फटिक वाढीवर होणारा परिणाम
SiC पावडरमधील अशुद्धतेचे प्रमाण स्फटिक वाढीदरम्यान होणाऱ्या स्वयंभू केंद्रनिर्मितीवर परिणाम करते. अशुद्धतेचे प्रमाण जितके जास्त असेल, तितकी स्फटिकांची स्वयंभू केंद्रनिर्मिती होण्याची शक्यता कमी असते. SiC साठी, मुख्य धातूंच्या अशुद्धींमध्ये B, Al, V, आणि Ni यांचा समावेश होतो, जे सिलिकॉन पावडर आणि कार्बन पावडरवर प्रक्रिया करताना प्रक्रिया साधनांद्वारे त्यात येऊ शकतात. त्यांपैकी, B आणि Al या SiC मधील मुख्य उथळ ऊर्जा पातळी स्वीकारणाऱ्या (shallow energy level acceptor) अशुद्धी आहेत, ज्यामुळे SiC च्या रोधकतेत घट होते. इतर धातूंच्या अशुद्धींमुळे अनेक ऊर्जा पातळ्या निर्माण होतात, ज्यामुळे उच्च तापमानात SiC एकल स्फटिकांचे विद्युत गुणधर्म अस्थिर होतात, आणि उच्च-शुद्धतेच्या अर्ध-विद्युतरोधक एकल स्फटिक सब्सट्रेट्सच्या विद्युत गुणधर्मांवर, विशेषतः रोधकतेवर, याचा मोठा परिणाम होतो. त्यामुळे, शक्य तितक्या उच्च-शुद्धतेच्या सिलिकॉन कार्बाइड पावडरचे संश्लेषण करणे आवश्यक आहे.
१.४ पावडरमधील नायट्रोजनच्या प्रमाणाचा स्फटिक वाढीवर होणारा परिणाम
नायट्रोजनच्या प्रमाणाची पातळी सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेटची रोधकता ठरवते. प्रमुख उत्पादकांना पावडर संश्लेषणादरम्यान परिपक्व क्रिस्टल वाढ प्रक्रियेनुसार संश्लेषित सामग्रीमधील नायट्रोजन डोपिंगचे प्रमाण समायोजित करणे आवश्यक असते. उच्च-शुद्धतेचे अर्ध-विद्युतरोधक सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स हे लष्करी मुख्य इलेक्ट्रॉनिक घटकांसाठी सर्वात आशादायक साहित्य आहेत. उच्च रोधकता आणि उत्कृष्ट विद्युत गुणधर्म असलेले उच्च-शुद्धतेचे अर्ध-विद्युतरोधक सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स तयार करण्यासाठी, सबस्ट्रेटमधील मुख्य अशुद्ध घटक नायट्रोजनचे प्रमाण कमी पातळीवर नियंत्रित करणे आवश्यक आहे. प्रवाहकीय सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्समध्ये नायट्रोजनचे प्रमाण तुलनेने उच्च सांद्रतेवर नियंत्रित करणे आवश्यक असते.
२ पावडर संश्लेषणासाठी प्रमुख नियंत्रण तंत्रज्ञान
सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्सच्या वापराच्या विविध वातावरणांमुळे, ग्रोथ पावडरच्या संश्लेषण तंत्रज्ञानामध्येही वेगवेगळ्या प्रक्रिया असतात. एन-टाइप प्रवाहकीय सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ पावडरसाठी, उच्च अशुद्धता शुद्धता आणि सिंगल फेज आवश्यक असते; तर सेमी-इन्सुलेटिंग सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ पावडरसाठी, नायट्रोजनच्या प्रमाणावर काटेकोर नियंत्रण आवश्यक असते.
२.१ पावडर कणांच्या आकारावर नियंत्रण
२.१.१ संश्लेषण तापमान
इतर प्रक्रिया परिस्थिती अपरिवर्तित ठेवून, १९०० ℃, २००० ℃, २१०० ℃, आणि २२०० ℃ या संश्लेषण तापमानांवर तयार केलेल्या SiC पावडरचे नमुने घेऊन त्यांचे विश्लेषण करण्यात आले. आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, असे दिसून येते की १९०० ℃ तापमानावर कणांचा आकार २५०~६०० μm असतो, आणि २००० ℃ तापमानावर तो ६००~८५० μm पर्यंत वाढतो, आणि कणांच्या आकारात लक्षणीय बदल होतो. जेव्हा तापमान २१०० ℃ पर्यंत वाढत जाते, तेव्हा SiC पावडरच्या कणांचा आकार ८५०~२३६० μm असतो, आणि ही वाढ मंदावते. २२०० ℃ तापमानावर SiC च्या कणांचा आकार सुमारे २३६० μm वर स्थिर राहतो. १९०० ℃ पासून संश्लेषण तापमानात होणाऱ्या वाढीचा SiC कणांच्या आकारावर सकारात्मक परिणाम होतो. जेव्हा संश्लेषण तापमान २१०० ℃ पासून वाढवत ठेवले जाते, तेव्हा कणांच्या आकारात लक्षणीय बदल होत नाही. त्यामुळे, जेव्हा संश्लेषण तापमान २१०० ℃ वर सेट केले जाते, तेव्हा कमी ऊर्जा वापरामध्ये मोठ्या आकाराचे कण संश्लेषित केले जाऊ शकतात.
२.१.२ संश्लेषण वेळ
इतर प्रक्रिया अटी अपरिवर्तित राहतात आणि संश्लेषण वेळ अनुक्रमे ४ तास, ८ तास आणि १२ तास निश्चित केली जाते. तयार झालेल्या SiC पावडरच्या नमुन्यांचे विश्लेषण आकृती २ मध्ये दाखवले आहे. असे आढळून आले आहे की संश्लेषण वेळेचा SiC च्या कणांच्या आकारावर लक्षणीय परिणाम होतो. जेव्हा संश्लेषण वेळ ४ तास असते, तेव्हा कणांचा आकार प्रामुख्याने २०० μm वर वितरित असतो; जेव्हा संश्लेषण वेळ ८ तास असते, तेव्हा संश्लेषित कणांचा आकार लक्षणीयरीत्या वाढतो, जो प्रामुख्याने सुमारे १,००० μm वर वितरित असतो; जसजशी संश्लेषण वेळ वाढत जाते, तसतसा कणांचा आकार आणखी वाढतो, जो प्रामुख्याने सुमारे २,००० μm वर वितरित असतो.
२.१.३ कच्च्या मालाच्या कणांच्या आकाराचा प्रभाव
देशांतर्गत सिलिकॉन सामग्री उत्पादन साखळीत जसजशी हळूहळू सुधारणा होत आहे, तसतशी सिलिकॉन सामग्रीची शुद्धता देखील अधिक सुधारत आहे. सध्या, संश्लेषणात वापरल्या जाणाऱ्या सिलिकॉन सामग्रीचे मुख्यत्वे दाणेदार सिलिकॉन आणि चूर्ण सिलिकॉन असे वर्गीकरण केले जाते, जसे की आकृती ३ मध्ये दाखवले आहे.
सिलिकॉन कार्बाइड संश्लेषण प्रयोग करण्यासाठी विविध सिलिकॉन कच्च्या मालाचा वापर करण्यात आला. संश्लेषित उत्पादनांची तुलना आकृती ४ मध्ये दर्शविली आहे. विश्लेषणातून असे दिसून येते की, जेव्हा ब्लॉक सिलिकॉन कच्चा माल वापरला जातो, तेव्हा उत्पादनामध्ये मोठ्या प्रमाणात Si (सिलिकॉन) मूलद्रव्य असते. सिलिकॉन ब्लॉक दुसऱ्यांदा बारीक केल्यानंतर, संश्लेषित उत्पादनातील Si मूलद्रव्याचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या कमी होते, परंतु ते तरीही अस्तित्वात असते. शेवटी, जेव्हा संश्लेषणासाठी सिलिकॉन पावडर वापरली जाते, तेव्हा उत्पादनामध्ये फक्त SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) शिल्लक राहते. याचे कारण असे आहे की, उत्पादन प्रक्रियेमध्ये, मोठ्या आकाराच्या सिलिकॉन कणांना प्रथम पृष्ठभागीय संश्लेषण अभिक्रियेतून जावे लागते आणि पृष्ठभागावर सिलिकॉन कार्बाइडचे संश्लेषण होते, ज्यामुळे आतील Si पावडरला C पावडरसोबत पुढील संयोग होण्यापासून प्रतिबंध होतो. म्हणून, जर ब्लॉक सिलिकॉन कच्चा माल म्हणून वापरला गेला, तर स्फटिक वाढीसाठी सिलिकॉन कार्बाइड पावडर मिळवण्याकरिता त्याला बारीक करून नंतर दुय्यम संश्लेषण प्रक्रियेतून जावे लागते.
२.२ पावडरच्या स्फटिक स्वरूपाचे नियंत्रण
२.२.१ संश्लेषण तापमानाचा प्रभाव
इतर प्रक्रिया परिस्थिती अपरिवर्तित ठेवून, संश्लेषण तापमान १५००℃, १७००℃, १९००℃ आणि २१००℃ ठेवले जाते आणि तयार झालेल्या SiC पावडरचे नमुने घेऊन त्यांचे विश्लेषण केले जाते. आकृती ५ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, β-SiC मातीसारख्या पिवळ्या रंगाचे आहे आणि α-SiC रंगाने फिकट आहे. संश्लेषित पावडरचा रंग आणि आकारविज्ञान (मॉर्फोलॉजी) पाहून, हे निश्चित करता येते की १५००℃ आणि १७००℃ तापमानावर संश्लेषित उत्पादन β-SiC आहे. १९००℃ तापमानावर, रंग अधिक फिकट होतो आणि षटकोनी कण दिसू लागतात, जे दर्शवते की तापमान १९००℃ पर्यंत वाढल्यानंतर, एक प्रावस्था संक्रमण (फेज ट्रान्झिशन) होते आणि β-SiC चा काही भाग α-SiC मध्ये रूपांतरित होतो; जेव्हा तापमान २१००℃ पर्यंत वाढवणे सुरू ठेवले जाते, तेव्हा असे आढळून येते की संश्लेषित कण पारदर्शक आहेत आणि α-SiC चे रूपांतरण मूलतः झालेले आहे.
२.२.२ संश्लेषण वेळेचा परिणाम
इतर प्रक्रिया अटी अपरिवर्तित राहतात आणि संश्लेषण वेळ अनुक्रमे ४ तास, ८ तास आणि १२ तास निश्चित केली जाते. तयार झालेल्या SiC पावडरचा नमुना घेऊन त्याचे विवर्तनमापकाद्वारे (XRD) विश्लेषण केले जाते. त्याचे परिणाम आकृती ६ मध्ये दर्शविले आहेत. संश्लेषण वेळेचा SiC पावडरपासून संश्लेषित होणाऱ्या उत्पादनावर निश्चित प्रभाव पडतो. जेव्हा संश्लेषण वेळ ४ तास आणि ८ तास असते, तेव्हा संश्लेषित उत्पादन प्रामुख्याने 6H-SiC असते; जेव्हा संश्लेषण वेळ १२ तास असते, तेव्हा उत्पादनामध्ये 15R-SiC आढळते.
२.२.३ कच्च्या मालाच्या प्रमाणाचा प्रभाव
इतर प्रक्रिया अपरिवर्तित राहतात, सिलिकॉन-कार्बन पदार्थांच्या प्रमाणाचे विश्लेषण केले जाते आणि संश्लेषण प्रयोगांसाठी गुणोत्तर अनुक्रमे 1.00, 1.05, 1.10 आणि 1.15 आहेत. निकाल आकृती 7 मध्ये दर्शविले आहेत.
एक्सआरडी स्पेक्ट्रमवरून असे दिसून येते की, जेव्हा सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तर १.०५ पेक्षा जास्त असते, तेव्हा उत्पादनात अतिरिक्त सिलिकॉन (Si) आढळते आणि जेव्हा सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तर १.०५ पेक्षा कमी असते, तेव्हा अतिरिक्त कार्बन (C) आढळते. जेव्हा सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तर १.०५ असते, तेव्हा संश्लेषित उत्पादनातील मुक्त कार्बन मूलतः नाहीसा होतो आणि कोणतेही मुक्त सिलिकॉन आढळत नाही. म्हणून, उच्च-शुद्धतेचे एसआयसी (SiC) संश्लेषित करण्यासाठी सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तराचे प्रमाण १.०५ असायला हवे.
२.३ पावडरमधील कमी नायट्रोजन प्रमाणाचे नियंत्रण
२.३.१ कृत्रिम कच्चा माल
या प्रयोगात वापरलेला कच्चा माल म्हणजे २० μm सरासरी व्यास असलेली उच्च-शुद्धता कार्बन पावडर आणि उच्च-शुद्धता सिलिकॉन पावडर आहे. त्यांच्या लहान कणांच्या आकारामुळे आणि मोठ्या विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळामुळे, ते हवेतील N2 सहजपणे शोषून घेतात. पावडरचे संश्लेषण करताना, ते पावडरच्या स्फटिक स्वरूपात आणले जाते. N-प्रकारच्या स्फटिकांच्या वाढीसाठी, पावडरमधील N2 च्या असमान डोपिंगमुळे स्फटिकाचा प्रतिरोध असमान होतो आणि स्फटिकाच्या स्वरूपातही बदल होतात. हायड्रोजन घातल्यानंतर संश्लेषित पावडरमधील नायट्रोजनचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या कमी असते. याचे कारण म्हणजे हायड्रोजनच्या रेणूंचे आकारमान लहान असते. जेव्हा कार्बन पावडर आणि सिलिकॉन पावडरमध्ये शोषलेला N2 पृष्ठभागावरून गरम होऊन विघटित होतो, तेव्हा H2 त्याच्या लहान आकारमानामुळे पावडरमधील जागेत पूर्णपणे पसरतो, N2 ची जागा घेतो आणि निर्वात प्रक्रियेदरम्यान N2 मुशीतून बाहेर पडतो, ज्यामुळे नायट्रोजनचे प्रमाण काढून टाकण्याचा उद्देश साध्य होतो.
२.३.२ संश्लेषण प्रक्रिया
सिलिकॉन कार्बाइड पावडरच्या संश्लेषणादरम्यान, कार्बन अणू आणि नायट्रोजन अणूंची त्रिज्या समान असल्यामुळे, नायट्रोजन सिलिकॉन कार्बाइडमधील कार्बनच्या रिक्त जागांची जागा घेतो, ज्यामुळे नायट्रोजनचे प्रमाण वाढते. या प्रायोगिक प्रक्रियेत H2 वायू आत सोडण्याची पद्धत वापरली जाते, आणि संश्लेषण क्रुसिबलमधील कार्बन व सिलिकॉन मूलद्रव्यांसोबत H2 ची अभिक्रिया होऊन C2H2, C2H, आणि SiH वायू तयार होतात. वायू अवस्थेतील संक्रमणामुळे कार्बन मूलद्रव्याचे प्रमाण वाढते, ज्यामुळे कार्बनच्या रिक्त जागा कमी होतात. नायट्रोजन काढून टाकण्याचा उद्देश साध्य होतो.
२.३.३ प्रक्रियेच्या पार्श्वभूमीतील नायट्रोजन सामग्रीचे नियंत्रण
जास्त सच्छिद्रता असलेल्या ग्रॅफाइट क्रुसिबलचा उपयोग वायू अवस्थेतील घटकांमधील सिलिकॉन (Si) बाष्प शोषून घेण्यासाठी, वायू अवस्थेतील घटकांमधील सिलिकॉनचे प्रमाण कमी करण्यासाठी आणि त्यामुळे C/Si गुणोत्तर वाढवण्यासाठी अतिरिक्त कार्बन स्रोत म्हणून केला जाऊ शकतो. त्याच वेळी, ग्रॅफाइट क्रुसिबल सिलिकॉनयुक्त वातावरणाशी अभिक्रिया करून Si2C, SiC2 आणि SiC तयार करू शकतात, जे सिलिकॉनयुक्त वातावरणाने ग्रॅफाइट क्रुसिबलमधून कार्बन स्रोताला वाढीच्या वातावरणात आणण्यासारखेच आहे, ज्यामुळे कार्बनचे प्रमाण वाढते आणि कार्बन-सिलिकॉन गुणोत्तरही वाढते. म्हणून, जास्त सच्छिद्रता असलेल्या ग्रॅफाइट क्रुसिबलचा वापर करून, कार्बनची रिक्तता कमी करून आणि नायट्रोजन काढून टाकण्याचा उद्देश साध्य करून कार्बन-सिलिकॉन गुणोत्तर वाढवता येते.
३ एकल क्रिस्टल पावडर संश्लेषण प्रक्रियेचे विश्लेषण आणि रचना
३.१ संश्लेषण प्रक्रियेचे तत्त्व आणि रचना
पावडर संश्लेषणाच्या कणांचा आकार, स्फटिक स्वरूप आणि नायट्रोजन सामग्रीच्या नियंत्रणावरील उपरोक्त सर्वसमावेशक अभ्यासाद्वारे, एक संश्लेषण प्रक्रिया प्रस्तावित केली आहे. उच्च-शुद्धतेची C पावडर आणि Si पावडर निवडली जाते, आणि 1.05 च्या सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तरानुसार त्यांना एकसमान मिसळून ग्रॅफाइट क्रुसिबलमध्ये भरले जाते. प्रक्रियेचे टप्पे मुख्यत्वे चार अवस्थांमध्ये विभागलेले आहेत:
१) कमी तापमानाची नायट्रोजन-निराकरण प्रक्रिया, ज्यामध्ये ५×१०⁻⁴ पास्कलपर्यंत निर्वात करून, नंतर हायड्रोजन वायू आत सोडला जातो, चेंबरचा दाब सुमारे ८० किलोपास्कलवर आणला जातो, तो १५ मिनिटे तसाच ठेवला जातो आणि ही प्रक्रिया चार वेळा पुनरावृत्त केली जाते. या प्रक्रियेद्वारे कार्बन पावडर आणि सिलिकॉन पावडरच्या पृष्ठभागावरील नायट्रोजनचे घटक काढून टाकता येतात.
२) उच्च-तापमान नायट्रोजन-निराकरण प्रक्रिया, ज्यामध्ये ५×१०⁻⁴ पास्कलपर्यंत निर्वात करून, नंतर ९५०°C पर्यंत गरम केले जाते आणि त्यानंतर हायड्रोजन वायू आत सोडून, चेंबरचा दाब सुमारे ८० किलोपास्कलवर आणला जातो. हा दाब १५ मिनिटे कायम ठेवून ही प्रक्रिया चार वेळा पुनरावृत्त केली जाते. या प्रक्रियेमुळे कार्बन पावडर आणि सिलिकॉन पावडरच्या पृष्ठभागावरील नायट्रोजनचे घटक काढून टाकले जातात आणि उष्णता क्षेत्रात नायट्रोजन प्रवाहित केला जातो.
३) कमी तापमानाच्या टप्प्यातील संश्लेषण प्रक्रियेसाठी, ५×१०⁻⁴ Pa पर्यंत निर्वात करा, नंतर १३५०℃ पर्यंत गरम करा, १२ तास तसेच ठेवा, त्यानंतर चेंबरचा दाब सुमारे ८० kPa करण्यासाठी हायड्रोजन वायू आत सोडा आणि १ तास तसेच ठेवा. या प्रक्रियेमुळे संश्लेषण प्रक्रियेदरम्यान बाष्पीभवन झालेला नायट्रोजन वायू काढून टाकता येतो.
४) उच्च तापमान टप्प्यातील संश्लेषण प्रक्रियेत, उच्च शुद्धतेच्या हायड्रोजन आणि आर्गॉन मिश्रित वायूचा एका विशिष्ट वायू प्रवाह गुणोत्तराने चेंबर भरा, चेंबरचा दाब सुमारे ८० kPa करा, तापमान २१००℃ पर्यंत वाढवा आणि १० तास तसेच ठेवा. या प्रक्रियेमुळे सिलिकॉन कार्बाइड पावडरचे β-SiC पासून α-SiC मध्ये रूपांतर पूर्ण होते आणि स्फटिक कणांची वाढ पूर्ण होते.
शेवटी, चेंबरचे तापमान खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होण्याची वाट पहा, वातावरणीय दाबापर्यंत भरा आणि पावडर बाहेर काढा.
३.२ पावडरची प्रक्रिया-पश्चात प्रक्रिया
वरील प्रक्रियेद्वारे पावडरचे संश्लेषण झाल्यावर, त्यातील मुक्त कार्बन, सिलिकॉन आणि इतर धातूंच्या अशुद्धी काढून टाकण्यासाठी आणि कणांचा आकार चाळण्यासाठी त्यावर पुढील प्रक्रिया करणे आवश्यक असते. सर्वप्रथम, संश्लेषित पावडर दळण्यासाठी बॉल मिलमध्ये ठेवली जाते आणि दळलेली सिलिकॉन कार्बाइड पावडर मफल फर्नेसमध्ये ठेवून ऑक्सिजनद्वारे ४५०°C पर्यंत गरम केली जाते. उष्णतेमुळे पावडरमधील मुक्त कार्बनचे ऑक्सिडीकरण होऊन कार्बन डायऑक्साइड वायू तयार होतो, जो चेंबरमधून बाहेर पडतो, अशा प्रकारे मुक्त कार्बन काढून टाकला जातो. त्यानंतर, संश्लेषण प्रक्रियेदरम्यान तयार झालेल्या कार्बन, सिलिकॉन आणि उर्वरित धातूंच्या अशुद्धी काढून टाकण्यासाठी एक आम्लयुक्त शुद्धीकरण द्रव तयार करून तो सिलिकॉन कार्बाइड कण शुद्धीकरण यंत्रात स्वच्छतेसाठी ठेवला जातो. त्यानंतर, उर्वरित आम्ल शुद्ध पाण्याने धुऊन वाळवले जाते. स्फटिकांच्या वाढीसाठी कणांचा आकार निवडण्याकरिता वाळलेली पावडर कंपनशील चाळणीमध्ये चाळली जाते.
पोस्ट करण्याची वेळ: ०८-ऑगस्ट-२०२४