Dina prosés kamekaran kristal tunggal silikon karbida, transportasi uap fisik mangrupikeun metode industrialisasi arus utama ayeuna. Pikeun metode kamekaran PVT,bubuk silikon karbidamiboga pangaruh anu ageung kana prosés kamekaran. Sadaya parameter tinabubuk silikon karbidalangsung mangaruhan kualitas kamekaran kristal tunggal sareng sipat listrik. Dina aplikasi industri ayeuna, anu umum dianggobubuk silikon karbidaProsés sintésis nyaéta métode sintésis suhu luhur anu merambat sorangan.
Métode sintésis suhu luhur anu nyebarkeun sorangan nganggo suhu luhur pikeun masihan panas awal ka réaktan pikeun ngamimitian réaksi kimia, teras nganggo panas réaksi kimia sorangan pikeun ngamungkinkeun zat anu teu diréaksikeun teras ngalengkepan réaksi kimia. Nanging, kumargi réaksi kimia Si sareng C ngaleupaskeun panas anu langkung sakedik, réaktan sanés kedah ditambahkeun pikeun ngajaga réaksi. Ku alatan éta, seueur sarjana anu parantos ngusulkeun metode sintésis anu nyebarkeun sorangan anu langkung saé dina dasar ieu, ngenalkeun aktivator. Métode anu nyebarkeun sorangan relatif gampang diimplementasikeun, sareng rupa-rupa parameter sintésis gampang dikontrol sacara stabil. Sintésis skala ageung nyumponan kabutuhan industrialisasi.
Ti mimiti taun 1999, Bridgeport nganggo metode sintésis suhu luhur anu nyebarkeun sorangan pikeun nyintésisBubuk SiC, tapi éta ngagunakeun résin etoksisilana sareng fenol salaku bahan baku, anu mahal. Gao Pan sareng anu sanésna nganggo bubuk Si sareng bubuk C anu kualitasna luhur salaku bahan baku pikeun nyintésis.Bubuk SiCku réaksi suhu luhur dina atmosfir argon. Ning Lina nyiapkeun partikel ageungBubuk SiCku sintésis sekundér.
Tungku pemanasan induksi frékuénsi sedeng anu dikembangkeun ku Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation nyampur bubuk silikon sareng bubuk karbon sacara rata dina babandingan stoikiometri anu tangtu teras nempatkeunana dina wadah grafit.wadah grafitdisimpen dina tungku pemanasan induksi frékuénsi sedeng pikeun dipanaskeun, sareng parobahan suhu dianggo pikeun nyintésis sareng ngarobih fase suhu handap sareng fase suhu luhur masing-masing. Kusabab suhu réaksi sintésis β-SiC dina fase suhu handap langkung handap tibatan suhu volatilisasi Si, sintésis β-SiC dina vakum anu luhur tiasa mastikeun panyebaran diri. Métode ngenalkeun argon, hidrogén sareng gas HCl dina sintésis α-SiC nyegah dékomposisiBubuk SiCdina tahap suhu luhur, sareng tiasa sacara efektif ngirangan kandungan nitrogén dina bubuk α-SiC.
Shandong Tianyue ngarancang tungku sintésis, nganggo gas silana salaku bahan baku silikon sareng bubuk karbon salaku bahan baku karbon. Jumlah gas bahan baku anu diwanohkeun disaluyukeun ku metode sintésis dua léngkah, sareng ukuran partikel silikon karbida anu disintésis ahir nyaéta antara 50 sareng 5.000 um.
1 Faktor kontrol prosés sintésis bubuk
1.1 Pangaruh ukuran partikel bubuk kana kamekaran kristal
Ukuran partikel bubuk silikon karbida gaduh pangaruh anu penting pisan kana kamekaran kristal tunggal salajengna. Tumuwuhna kristal tunggal SiC ku metode PVT utamina kahontal ku cara ngarobih babandingan molar silikon sareng karbon dina komponén fase gas, sareng babandingan molar silikon sareng karbon dina komponén fase gas aya hubunganana sareng ukuran partikel bubuk silikon karbida. Tekanan total sareng babandingan silikon-karbon tina sistem kamekaran ningkat kalayan turunna ukuran partikel. Nalika ukuran partikel turun tina 2-3 mm ka 0,06 mm, babandingan silikon-karbon ningkat tina 1,3 ka 4,0. Nalika partikelna alit dugi ka tingkat anu tangtu, tekanan parsial Si ningkat, sareng lapisan pilem Si kabentuk dina permukaan kristal anu tumuwuh, ngainduksi kamekaran gas-cair-padet, anu mangaruhan polimorfisme, cacad titik sareng cacad garis dina kristal. Ku alatan éta, ukuran partikel bubuk silikon karbida murni tinggi kedah dikontrol kalayan saé.
Salian ti éta, nalika ukuran partikel bubuk SiC relatif leutik, bubukna langkung gancang terurai, ngahasilkeun kamekaran kristal tunggal SiC anu kaleuleuwihi. Di hiji sisi, dina lingkungan suhu luhur kamekaran kristal tunggal SiC, dua prosés sintésis sareng dekomposisi dilaksanakeun sacara simultan. Bubuk silikon karbida bakal terurai sareng ngabentuk karbon dina fase gas sareng fase padet sapertos Si, Si2C, SiC2, ngahasilkeun karbonisasi anu serius tina bubuk polikristalin sareng formasi inklusi karbon dina kristal; di sisi anu sanés, nalika laju dekomposisi bubuk relatif gancang, struktur kristal kristal tunggal SiC anu dipelak condong robih, janten hésé pikeun ngontrol kualitas kristal tunggal SiC anu dipelak.
1.2 Pangaruh bentuk kristal bubuk kana kamekaran kristal
Tumuwuhna kristal tunggal SiC ku metode PVT mangrupikeun prosés sublimasi-rekristalisasi dina suhu anu luhur. Bentuk kristal bahan baku SiC gaduh pangaruh anu penting kana tumuhna kristal. Dina prosés sintésis bubuk, fase sintésis suhu handap (β-SiC) kalayan struktur kubik sél unit sareng fase sintésis suhu luhur (α-SiC) kalayan struktur heksagonal sél unit bakal dihasilkeun utamina. Aya seueur bentuk kristal silikon karbida sareng rentang kontrol suhu anu sempit. Salaku conto, 3C-SiC bakal robah janten polimorf silikon karbida heksagonal, nyaéta 4H/6H-SiC, dina suhu di luhur 1900°C.
Salila prosés kamekaran kristal tunggal, nalika bubuk β-SiC dianggo pikeun numuwuhkeun kristal, babandingan molar silikon-karbon langkung ageung tibatan 5,5, sedengkeun nalika bubuk α-SiC dianggo pikeun numuwuhkeun kristal, babandingan molar silikon-karbon nyaéta 1,2. Nalika suhu naék, transisi fase lumangsung dina wadah. Dina waktos ieu, babandingan molar dina fase gas janten langkung ageung, anu henteu kondusif pikeun kamekaran kristal. Salian ti éta, pangotor fase gas anu sanés, kalebet karbon, silikon, sareng silikon dioksida, gampang dihasilkeun nalika prosés transisi fase. Ayana pangotor ieu nyababkeun kristal baranahan mikrotube sareng rongga. Ku alatan éta, bentuk kristal bubuk kedah dikontrol sacara tepat.
1.3 Pangaruh pangotor bubuk kana kamekaran kristal
Kandungan pangotor dina bubuk SiC mangaruhan nukleasi spontan nalika tumuwuhna kristal. Beuki luhur kandungan pangotorna, beuki leutik kamungkinan kristal pikeun nukleasi sacara spontan. Pikeun SiC, pangotor logam utama kalebet B, Al, V, sareng Ni, anu tiasa diwanohkeun ku alat-alat pamrosésan nalika ngolah bubuk silikon sareng bubuk karbon. Di antarana, B sareng Al mangrupikeun pangotor akseptor tingkat énergi déét utama dina SiC, anu nyababkeun panurunan résistansi SiC. Kotoran logam sanésna bakal ngenalkeun seueur tingkat énergi, anu nyababkeun sipat listrik kristal tunggal SiC anu teu stabil dina suhu anu luhur, sareng gaduh dampak anu langkung ageung kana sipat listrik substrat kristal tunggal semi-insulating anu luhur, khususna résistansi. Ku alatan éta, bubuk silikon karbida anu luhur kedah disintésis sabisa-bisa.
1.4 Pangaruh kandungan nitrogén dina bubuk kana kamekaran kristal
Tingkat kandungan nitrogén nangtukeun résistansi substrat kristal tunggal. Pabrik-pabrik utama kedah nyaluyukeun konsentrasi doping nitrogén dina bahan sintétis numutkeun prosés kamekaran kristal dewasa nalika sintésis bubuk. Substrat kristal tunggal silikon karbida semi-insulating kemurnian tinggi mangrupikeun bahan anu paling ngajangjikeun pikeun komponén éléktronik inti militer. Pikeun numuwuhkeun substrat kristal tunggal semi-insulating kemurnian tinggi kalayan résistansi anu luhur sareng sipat listrik anu saé, eusi nitrogén pangotor utama dina substrat kedah dikontrol dina tingkat anu handap. Substrat kristal tunggal konduktif meryogikeun kandungan nitrogén dikontrol dina konsentrasi anu relatif luhur.
2 Téhnologi kontrol konci pikeun sintésis bubuk
Kusabab lingkungan panggunaan substrat silikon karbida anu béda-béda, téknologi sintésis pikeun bubuk pertumbuhan ogé ngagaduhan prosés anu béda-béda. Pikeun bubuk pertumbuhan kristal tunggal konduktif tipe-N, diperyogikeun kamurnian pangotor anu luhur sareng fase tunggal; sedengkeun pikeun bubuk pertumbuhan kristal tunggal semi-insulating, diperyogikeun kontrol anu ketat kana eusi nitrogén.
2.1 Kontrol ukuran partikel bubuk
2.1.1 Suhu sintésis
Ngajaga kaayaan prosés anu sanés teu robih, bubuk SiC anu dihasilkeun dina suhu sintésis 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, sareng 2200 ℃ disampel sareng dianalisis. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 1, tiasa katingali yén ukuran partikel nyaéta 250 ~ 600 μm dina 1900 ℃, sareng ukuran partikel ningkat janten 600 ~ 850 μm dina 2000 ℃, sareng ukuran partikel robih sacara signifikan. Nalika suhu terus naék janten 2100 ℃, ukuran partikel bubuk SiC nyaéta 850 ~ 2360 μm, sareng paningkatanana condong hampang. Ukuran partikel SiC dina 2200 ℃ stabil dina sakitar 2360 μm. Kanaékan suhu sintésis ti 1900 ℃ gaduh pangaruh positip kana ukuran partikel SiC. Nalika suhu sintésis terus ningkat ti 2100 ℃, ukuran partikel henteu robih sacara signifikan. Ku kituna, nalika suhu sintésis disetel ka 2100 ℃, ukuran partikel anu langkung ageung tiasa disintésis kalayan konsumsi énergi anu langkung handap.
2.1.2 Waktos sintésis
Kaayaan prosés séjénna tetep teu robah, sarta waktu sintésis disetel ka 4 jam, 8 jam, jeung 12 jam masing-masing. Analisis sampling bubuk SiC anu dihasilkeun dipidangkeun dina Gambar 2. Kapanggih yén waktu sintésis miboga pangaruh anu signifikan kana ukuran partikel SiC. Nalika waktu sintésis 4 jam, ukuran partikel utamana kasebar dina 200 μm; nalika waktu sintésis 8 jam, ukuran partikel sintésis ningkat sacara signifikan, utamana kasebar dina sakitar 1.000 μm; nalika waktu sintésis terus ningkat, ukuran partikel ningkat deui, utamana kasebar dina sakitar 2.000 μm.
2.1.3 Pangaruh ukuran partikel bahan baku
Sabot ranté produksi bahan silikon domestik laun-laun ningkat, kamurnian bahan silikon ogé langkung ningkat. Ayeuna, bahan silikon anu dianggo dina sintésis utamina dibagi kana silikon granular sareng silikon bubuk, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3.
Bahan baku silikon anu béda-béda dianggo pikeun ngalaksanakeun ékspérimén sintésis silikon karbida. Babandingan produk sintétis dipidangkeun dina Gambar 4. Analisis nunjukkeun yén nalika nganggo bahan baku silikon blok, seueur unsur Si anu aya dina produk éta. Saatos blok silikon diremuk pikeun kadua kalina, unsur Si dina produk sintétis ngirang sacara signifikan, tapi éta tetep aya. Pamungkas, bubuk silikon dianggo pikeun sintésis, sareng ngan ukur SiC anu aya dina produk éta. Ieu kusabab dina prosés produksi, silikon granular ukuran ageung kedah ngalaman réaksi sintésis permukaan heula, sareng silikon karbida disintésis dina permukaan, anu nyegah bubuk Si internal tina ngahiji deui sareng bubuk C. Ku alatan éta, upami blok silikon dianggo salaku bahan baku, éta kedah diremuk teras dilakukeun prosés sintésis sekundér pikeun kéngingkeun bubuk silikon karbida pikeun kamekaran kristal.
2.2 Kontrol bentuk kristal bubuk
2.2.1 Pangaruh suhu sintésis
Ngajaga kaayaan prosés anu sanés teu robih, suhu sintésis nyaéta 1500℃, 1700℃, 1900℃, sareng 2100℃, sareng bubuk SiC anu dihasilkeun disampel sareng dianalisis. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 5, β-SiC warnana konéng taneuh, sareng α-SiC warnana langkung hampang. Ku niténan warna sareng morfologi bubuk anu disintésis, tiasa ditangtukeun yén produk anu disintésis nyaéta β-SiC dina suhu 1500℃ sareng 1700℃. Dina suhu 1900℃, warnana janten langkung hampang, sareng partikel heksagonal muncul, nunjukkeun yén saatos suhu naék ka 1900℃, transisi fase lumangsung, sareng sabagian β-SiC dirobih janten α-SiC; nalika suhu terus naék ka 2100℃, kapendak yén partikel anu disintésis transparan, sareng α-SiC sacara dasarna parantos dirobih.
2.2.2 Pangaruh waktu sintésis
Kaayaan prosés séjénna tetep teu robah, sarta waktu sintésis disetel ka 4 jam, 8 jam, jeung 12 jam, masing-masing. Bubuk SiC anu dihasilkeun dicokot sampelna sarta dianalisis ku difraktométer (XRD). Hasilna dipidangkeun dina Gambar 6. Waktu sintésis miboga pangaruh anu tangtu kana produk anu disintésis ku bubuk SiC. Nalika waktu sintésis 4 jam jeung 8 jam, produk sintésis utamana 6H-SiC; nalika waktu sintésis 12 jam, 15R-SiC muncul dina produk éta.
2.2.3 Pangaruh babandingan bahan baku
Prosés séjénna tetep teu robah, jumlah zat silikon-karbon dianalisis, sarta babandinganana masing-masing nyaéta 1,00, 1,05, 1,10 jeung 1,15 pikeun ékspérimén sintésis. Hasilna dipidangkeun dina Gambar 7.
Tina spéktrum XRD, tiasa katingali yén nalika babandingan silikon-karbon langkung ageung tibatan 1,05, kaleuwihan Si muncul dina produk éta, sareng nalika babandingan silikon-karbon kirang ti 1,05, kaleuwihan C muncul. Nalika babandingan silikon-karbon 1,05, karbon bébas dina produk sintétis sacara dasarna dileungitkeun, sareng teu aya silikon bébas anu muncul. Ku alatan éta, babandingan jumlah babandingan silikon-karbon kedah 1,05 pikeun nyintésis SiC anu luhur kamurnianna.
2.3 Kontrol kandungan nitrogén anu handap dina bubuk
2.3.1 Bahan baku sintétis
Bahan baku anu dianggo dina ékspérimén ieu nyaéta bubuk karbon murni sareng bubuk silikon murni kalayan diaméter rata-rata 20 μm. Kusabab ukuran partikelna anu alit sareng luas permukaan spésifik anu ageung, éta gampang nyerep N2 dina hawa. Nalika nyintésis bubuk, éta bakal dibawa kana bentuk kristal bubuk. Pikeun kamekaran kristal tipe-N, doping N2 anu henteu rata dina bubuk nyababkeun résistansi kristal anu henteu rata sareng bahkan parobahan dina bentuk kristal. Kandungan nitrogén dina bubuk anu disintésis saatos hidrogén diwanohkeun sacara signifikan rendah. Ieu kusabab volume molekul hidrogén alit. Nalika N2 anu diserep dina bubuk karbon sareng bubuk silikon dipanaskeun sareng diuraikeun tina permukaan, H2 nyebar pinuh kana celah antara bubuk kalayan volume alitna, ngagentos posisi N2, sareng N2 kaluar tina wadah nalika prosés vakum, ngahontal tujuan pikeun miceun kandungan nitrogén.
2.3.2 Prosés sintésis
Salila sintésis bubuk silikon karbida, kumargi radius atom karbon sareng atom nitrogén sami, nitrogén bakal ngagentos lowongan karbon dina silikon karbida, sahingga ningkatkeun kandungan nitrogén. Prosés ékspériméntal ieu nganut metode ngenalkeun H2, sareng H2 ngaréaksikeun sareng unsur karbon sareng silikon dina wadah sintésis pikeun ngahasilkeun gas C2H2, C2H, sareng SiH. Kandungan unsur karbon ningkat ngalangkungan transmisi fase gas, sahingga ngirangan lowongan karbon. Tujuan pikeun miceun nitrogén kahontal.
2.3.3 Kontrol eusi nitrogén latar tukang prosés
Wadah grafit anu porositasna ageung tiasa dianggo salaku sumber C tambahan pikeun nyerep uap Si dina komponén fase gas, ngirangan Si dina komponén fase gas, sahingga ningkatkeun C/Si. Dina waktos anu sami, wadah grafit ogé tiasa réaksi sareng atmosfir Si pikeun ngahasilkeun Si2C, SiC2 sareng SiC, anu sami sareng atmosfir Si anu mawa sumber C tina wadah grafit kana atmosfir kamekaran, ningkatkeun babandingan C, sareng ogé ningkatkeun babandingan karbon-silikon. Ku alatan éta, babandingan karbon-silikon tiasa ditingkatkeun ku cara nganggo wadah grafit anu porositasna ageung, ngirangan lowongan karbon, sareng ngahontal tujuan pikeun miceun nitrogén.
3 Analisis sareng desain prosés sintésis bubuk kristal tunggal
3.1 Prinsip sareng desain prosés sintésis
Ngaliwatan studi komprehensif anu kasebat di luhur ngeunaan kontrol ukuran partikel, bentuk kristal sareng eusi nitrogén tina sintésis bubuk, prosés sintésis diusulkeun. Bubuk C sareng bubuk Si anu kualitasna luhur dipilih, teras dicampur rata sareng dimuat kana wadah grafit numutkeun babandingan silikon-karbon 1,05. Léngkah-léngkah prosés utamina dibagi kana opat tahapan:
1) Prosés denitrifikasi suhu handap, nyedot debu ka 5 × 10-4 Pa, teras ngenalkeun hidrogén, ngajantenkeun tekanan kamar sakitar 80 kPa, dijaga salami 15 menit, sareng diulang opat kali. Prosés ieu tiasa miceun unsur nitrogén dina permukaan bubuk karbon sareng bubuk silikon.
2) Prosés denitrifikasi suhu luhur, nyedot debu ka 5 × 10-4 Pa, teras dipanaskeun ka 950 ℃, teras ngenalkeun hidrogén, ngajantenkeun tekanan kamar sakitar 80 kPa, dijaga salami 15 menit, sareng diulang opat kali. Prosés ieu tiasa miceun unsur nitrogén dina permukaan bubuk karbon sareng bubuk silikon, sareng ngadorong nitrogén dina médan panas.
3) Sintésis prosés fase suhu handap, pindahkeun ka 5 × 10-4 Pa, teras panaskeun ka 1350 ℃, simpen salami 12 jam, teras lebetkeun hidrogén pikeun ngadamel tekanan rohangan sakitar 80 kPa, simpen salami 1 jam. Prosés ieu tiasa miceun nitrogén anu nguap salami prosés sintésis.
4) Sintésis prosés fase suhu luhur, eusian ku babandingan aliran volume gas anu tangtu tina campuran gas hidrogén sareng argon anu luhur, jieun tekanan rohangan sakitar 80 kPa, naékkeun suhu ka 2100℃, simpen salami 10 jam. Prosés ieu ngalengkepan transformasi bubuk silikon karbida tina β-SiC ka α-SiC sareng ngalengkepan kamekaran partikel kristal.
Pamungkas, antosan dugi suhu kamar tiis dugi ka suhu kamar, eusian dugi ka tekenan atmosfir, teras kaluarkeun bubukna.
3.2 Prosés pasca-pangolahan bubuk
Saatos bubuk disintésis ku prosés di luhur, éta kedah diolah deui pikeun miceun karbon bébas, silikon, sareng pangotor logam sanésna sareng nyaring ukuran partikel. Mimitina, bubuk anu disintésis disimpen dina ball mill pikeun ditumbuk, sareng bubuk silikon karbida anu ditumbuk disimpen dina tungku muffle sareng dipanaskeun dugi ka 450°C ku oksigén. Karbon bébas dina bubuk dioksidasi ku panas pikeun ngahasilkeun gas karbon dioksida anu kaluar tina kamar, sahingga ngahontal panyabutan karbon bébas. Salajengna, cairan pembersih asam disiapkeun sareng disimpen dina mesin pembersih partikel silikon karbida pikeun beberesih pikeun miceun karbon, silikon, sareng pangotor logam sésa anu dihasilkeun nalika prosés sintésis. Saatos éta, asam sésa dikumbah dina cai murni sareng dikeringkeun. Bubuk garing disaring dina saringan anu ngageter pikeun pamilihan ukuran partikel pikeun kamekaran kristal.
Waktos posting: 08-Agu-2024