กระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว SiC บริสุทธิ์สูง

ในกระบวนการปลูกผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ การขนส่งไอระเหยทางกายภาพ (Physical Vapor Transport หรือ PVT) เป็นวิธีการหลักที่ใช้ในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน สำหรับวิธีการปลูกแบบ PVT นั้นผงซิลิคอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการเจริญเติบโต พารามิเตอร์ทั้งหมดของผงซิลิคอนคาร์ไบด์ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวและคุณสมบัติทางไฟฟ้า ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมในปัจจุบันนั้น นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายผงซิลิคอนคาร์ไบด์กระบวนการสังเคราะห์นี้เป็นวิธีการสังเคราะห์ด้วยอุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายเอง
วิธีการสังเคราะห์ด้วยอุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายเองนั้น ใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ความร้อนเริ่มต้นแก่สารตั้งต้นเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมี จากนั้นใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีของตัวเองเพื่อให้สารที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาทำปฏิกิริยาต่อไปจนเสร็จสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีของ Si และ C ปล่อยความร้อนออกมาน้อย จึงจำเป็นต้องเติมสารตั้งต้นอื่นเพื่อรักษาปฏิกิริยา ดังนั้น นักวิชาการหลายท่านจึงได้เสนอวิธีการสังเคราะห์แบบแพร่กระจายเองที่ได้รับการปรับปรุงบนพื้นฐานนี้ โดยการแนะนำตัวกระตุ้น วิธีการแพร่กระจายเองนี้ค่อนข้างง่ายต่อการนำไปใช้ และพารามิเตอร์การสังเคราะห์ต่างๆ สามารถควบคุมได้อย่างเสถียร การสังเคราะห์ในปริมาณมากตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมได้

ตั้งแต่ปี 1999 บริดจ์พอร์ตได้ใช้วิธีการสังเคราะห์ด้วยอุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายเองเพื่อสังเคราะห์ผง SiCแต่ใช้เอทอกซีไซเลนและฟีนอลเรซินเป็นวัตถุดิบ ซึ่งมีราคาสูง เกาปานและคณะจึงใช้ผงซิลิคอนและผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผง SiCโดยปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศอาร์กอน หนิง หลิน่า ได้เตรียมอนุภาคขนาดใหญ่ผง SiCโดยการสังเคราะห์ขั้นที่สอง

เตาหลอมความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยที่สองของบริษัท China Electronics Technology Group Corporation จะผสมผงซิลิคอนและผงคาร์บอนในอัตราส่วนทางเคมีที่แน่นอนอย่างสม่ำเสมอ แล้วใส่ลงในเบ้าหลอมกราไฟต์เบ้าหลอมกราไฟต์นำตัวอย่างไปวางในเตาเหนี่ยวนำความร้อนความถี่ปานกลางเพื่อให้ความร้อน และใช้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในการสังเคราะห์และเปลี่ยนรูปซิลิคอนคาร์ไบด์เฟสอุณหภูมิต่ำและเฟสอุณหภูมิสูงตามลำดับ เนื่องจากอุณหภูมิของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ β-SiC ในเฟสอุณหภูมิต่ำต่ำกว่าอุณหภูมิการระเหยของ Si การสังเคราะห์ β-SiC ภายใต้สุญญากาศสูงจึงสามารถรับประกันการแพร่กระจายตัวเองได้เป็นอย่างดี วิธีการนำก๊าซอาร์กอน ไฮโดรเจน และ HCl เข้ามาในการสังเคราะห์ α-SiC ช่วยป้องกันการสลายตัวของผง SiCในขั้นตอนที่มีอุณหภูมิสูง และสามารถลดปริมาณไนโตรเจนในผง α-SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

บริษัท Shandong Tianyue ได้ออกแบบเตาสังเคราะห์ โดยใช้ก๊าซไซเลนเป็นวัตถุดิบซิลิคอน และผงคาร์บอนเป็นวัตถุดิบคาร์บอน ปริมาณก๊าซวัตถุดิบที่ป้อนเข้าไปถูกปรับด้วยวิธีการสังเคราะห์สองขั้นตอน และขนาดอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์ที่สังเคราะห์ได้ในขั้นสุดท้ายอยู่ระหว่าง 50 ถึง 5,000 ไมโครเมตร

 

1. ปัจจัยควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ผง

 

1.1 ผลกระทบของขนาดอนุภาคผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ขนาดอนุภาคของผงซิลิคอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลอย่างมากต่อการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวในขั้นตอนต่อไป การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ด้วยวิธี PVT นั้นส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนโมลของซิลิคอนและคาร์บอนในส่วนประกอบของเฟสแก๊ส และอัตราส่วนโมลของซิลิคอนและคาร์บอนในส่วนประกอบของเฟสแก๊สนั้นสัมพันธ์กับขนาดอนุภาคของผงซิลิคอนคาร์ไบด์ ความดันรวมและอัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนของระบบการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดอนุภาคลดลง เมื่อขนาดอนุภาคลดลงจาก 2-3 มม. เหลือ 0.06 มม. อัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นจาก 1.3 เป็น 4.0 เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กถึงระดับหนึ่ง ความดันย่อยของ Si จะเพิ่มขึ้น และเกิดชั้นฟิล์ม Si บนพื้นผิวของผลึกที่กำลังเจริญเติบโต ทำให้เกิดการเจริญเติบโตแบบแก๊ส-ของเหลว-ของแข็ง ซึ่งส่งผลต่อโพลีมอร์ฟิซึม จุดบกพร่อง และเส้นบกพร่องในผลึก ดังนั้นขนาดอนุภาคของผงซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างดี

นอกจากนี้ เมื่อขนาดอนุภาคผง SiC มีขนาดเล็ก ผงจะสลายตัวเร็วขึ้น ส่งผลให้ผลึกเดี่ยว SiC เจริญเติบโตมากเกินไป ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC นั้น กระบวนการสังเคราะห์และการสลายตัวจะเกิดขึ้นพร้อมกัน ผงซิลิคอนคาร์ไบด์จะสลายตัวและเกิดคาร์บอนในสถานะแก๊สและของแข็ง เช่น Si, Si2C, SiC2 ส่งผลให้เกิดการคาร์บอนไนเซชันอย่างรุนแรงของผงผลึกหลายเหลี่ยมและการเกิดคาร์บอนแทรกในผลึก ในอีกด้านหนึ่ง เมื่ออัตราการสลายตัวของผงค่อนข้างเร็ว โครงสร้างผลึกของผลึกเดี่ยว SiC ที่เจริญเติบโตจะเปลี่ยนแปลงได้ง่าย ทำให้ยากต่อการควบคุมคุณภาพของผลึกเดี่ยว SiC ที่เจริญเติบโต

 

1.2 ผลกระทบของรูปแบบผลึกผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ด้วยวิธี PVT เป็นกระบวนการระเหิดและการตกผลึกใหม่ที่อุณหภูมิสูง รูปทรงผลึกของวัตถุดิบ SiC มีอิทธิพลสำคัญต่อการเจริญเติบโตของผลึก ในกระบวนการสังเคราะห์ผง ผลึกที่สังเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ (β-SiC) ซึ่งมีโครงสร้างลูกบาศก์ของหน่วยเซลล์ และผลึกที่สังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูง (α-SiC) ซึ่งมีโครงสร้างหกเหลี่ยมของหน่วยเซลล์ จะถูกผลิตขึ้นเป็นหลัก มีรูปแบบผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์หลายรูปแบบและช่วงอุณหภูมิที่ควบคุมได้ค่อนข้างแคบ ตัวอย่างเช่น 3C-SiC จะเปลี่ยนไปเป็นโพลีมอร์ฟซิลิคอนคาร์ไบด์หกเหลี่ยม เช่น 4H/6H-SiC ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1900°C

ในกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว เมื่อใช้ผง β-SiC ในการปลูกผลึก อัตราส่วนโมลของซิลิคอนต่อคาร์บอนจะมากกว่า 5.5 ในขณะที่เมื่อใช้ผง α-SiC ในการปลูกผลึก อัตราส่วนโมลของซิลิคอนต่อคาร์บอนจะอยู่ที่ 1.2 เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จะเกิดการเปลี่ยนเฟสขึ้นในเบ้าหลอม ในขณะนั้น อัตราส่วนโมลในเฟสแก๊สจะสูงขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของผลึก นอกจากนี้ สารเจือปนในเฟสแก๊สอื่นๆ เช่น คาร์บอน ซิลิคอน และซิลิคอนไดออกไซด์ จะเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนเฟส การมีอยู่ของสารเจือปนเหล่านี้ทำให้ผลึกเกิดท่อขนาดเล็กและช่องว่าง ดังนั้น รูปทรงของผลึกผงจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ

 

1.3 ผลกระทบของสิ่งเจือปนในผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ปริมาณสิ่งเจือปนในผง SiC ส่งผลต่อการเกิดนิวเคลียสเองตามธรรมชาติระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก ยิ่งมีปริมาณสิ่งเจือปนสูง โอกาสที่ผลึกจะเกิดนิวเคลียสเองตามธรรมชาติก็จะยิ่งน้อยลง สำหรับ SiC สิ่งเจือปนโลหะหลัก ได้แก่ B, Al, V และ Ni ซึ่งอาจเข้ามาจากเครื่องมือในการแปรรูปผงซิลิคอนและผงคาร์บอน ในบรรดาสิ่งเจือปนเหล่านี้ B และ Al เป็นสิ่งเจือปนตัวรับระดับพลังงานตื้นหลักใน SiC ส่งผลให้ความต้านทานของ SiC ลดลง สิ่งเจือปนโลหะอื่นๆ จะทำให้เกิดระดับพลังงานจำนวนมาก ส่งผลให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของผลึกเดี่ยว SiC ไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง และมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพื้นผิวผลึกเดี่ยวแบบกึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทาน ดังนั้นจึงต้องสังเคราะห์ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

 

1.4 ผลของปริมาณไนโตรเจนในผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ปริมาณไนโตรเจนในวัสดุตั้งต้นเป็นตัวกำหนดความต้านทานของผลึกเดี่ยว ผู้ผลิตรายใหญ่จำเป็นต้องปรับความเข้มข้นของการเติมไนโตรเจนในวัสดุสังเคราะห์ตามกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกที่สมบูรณ์ในระหว่างการสังเคราะห์ผง วัสดุตั้งต้นผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลักทางการทหาร เพื่อให้ได้วัสดุตั้งต้นผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูง มีความต้านทานสูง และคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม จำเป็นต้องควบคุมปริมาณไนโตรเจนซึ่งเป็นสิ่งเจือปนหลักในวัสดุตั้งต้นให้อยู่ในระดับต่ำ ส่วนวัสดุตั้งต้นผลึกเดี่ยวที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจำเป็นต้องควบคุมปริมาณไนโตรเจนให้มีความเข้มข้นค่อนข้างสูง

 

2. เทคโนโลยีควบคุมหลักสำหรับการสังเคราะห์ผง

เนื่องจากสภาพแวดล้อมการใช้งานของวัสดุตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์แตกต่างกัน เทคโนโลยีการสังเคราะห์ผงสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกจึงมีกระบวนการที่แตกต่างกันด้วย สำหรับผงสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวแบบนำไฟฟ้าชนิด N นั้น จำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์ของสิ่งเจือปนสูงและเป็นเฟสเดียว ในขณะที่สำหรับผงสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวแบบกึ่งฉนวนนั้น จำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไนโตรเจนอย่างเข้มงวด

 

2.1 การควบคุมขนาดอนุภาคผง

2.1.1 อุณหภูมิในการสังเคราะห์

โดยคงเงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ไว้เหมือนเดิม ได้ทำการสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ผง SiC ที่ได้จากการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิ 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ และ 2200 ℃ ดังแสดงในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าขนาดอนุภาคอยู่ที่ 250~600 μm ที่ 1900 ℃ และขนาดอนุภาคเพิ่มขึ้นเป็น 600~850 μm ที่ 2000 ℃ ซึ่งขนาดอนุภาคเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 2100 ℃ ขนาดอนุภาคของผง SiC จะอยู่ที่ 850~2360 μm และการเพิ่มขึ้นมีแนวโน้มช้าลง ขนาดอนุภาคของ SiC ที่ 2200 ℃ มีเสถียรภาพอยู่ที่ประมาณ 2360 μm การเพิ่มอุณหภูมิการสังเคราะห์จาก 1900 ℃ มีผลดีต่อขนาดอนุภาคของ SiC เมื่ออุณหภูมิการสังเคราะห์เพิ่มขึ้นจาก 2100 ℃ ขนาดอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไป ดังนั้น เมื่อตั้งอุณหภูมิการสังเคราะห์ไว้ที่ 2100 ℃ จะสามารถสังเคราะห์อนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นได้โดยใช้พลังงานน้อยลง

 

2.1.2 เวลาในการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และกำหนดเวลาการสังเคราะห์ไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ การวิเคราะห์ตัวอย่างผง SiC ที่ได้แสดงในรูปที่ 2 พบว่าเวลาการสังเคราะห์มีผลอย่างมากต่อขนาดอนุภาคของ SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 4 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคส่วนใหญ่กระจายตัวอยู่ที่ประมาณ 200 ไมโครเมตร เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 8 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคที่สังเคราะห์ได้จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยส่วนใหญ่กระจายตัวอยู่ที่ประมาณ 1,000 ไมโครเมตร และเมื่อเวลาการสังเคราะห์เพิ่มขึ้นอีก ขนาดอนุภาคก็จะเพิ่มขึ้นอีก โดยส่วนใหญ่กระจายตัวอยู่ที่ประมาณ 2,000 ไมโครเมตร

 

2.1.3 อิทธิพลของขนาดอนุภาควัตถุดิบ

เนื่องจากห่วงโซ่การผลิตวัสดุซิลิคอนภายในประเทศได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ความบริสุทธิ์ของวัสดุซิลิคอนจึงได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น ปัจจุบัน วัสดุซิลิคอนที่ใช้ในการสังเคราะห์ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นซิลิคอนเม็ดและซิลิคอนผง ดังแสดงในรูปที่ 3

มีการใช้ซิลิคอนดิบที่แตกต่างกันในการทดลองสังเคราะห์ซิลิคอนคาร์ไบด์ ผลการเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์ได้แสดงในรูปที่ 4 จากการวิเคราะห์พบว่า เมื่อใช้ซิลิคอนแบบก้อนเป็นวัตถุดิบ จะมีธาตุ Si อยู่ในผลิตภัณฑ์เป็นจำนวนมาก หลังจากบดซิลิคอนแบบก้อนเป็นครั้งที่สอง ปริมาณธาตุ Si ในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะลดลงอย่างมาก แต่ก็ยังคงมีอยู่ สุดท้าย เมื่อใช้ผงซิลิคอนในการสังเคราะห์ จะพบเฉพาะ SiC ในผลิตภัณฑ์เท่านั้น เนื่องจากในกระบวนการผลิต ซิลิคอนเม็ดขนาดใหญ่จำเป็นต้องผ่านปฏิกิริยาการสังเคราะห์บนพื้นผิวก่อน ทำให้เกิดการสังเคราะห์ซิลิคอนคาร์ไบด์บนพื้นผิว ซึ่งจะป้องกันไม่ให้ผง Si ภายในรวมตัวกับผง C ต่อไป ดังนั้น หากใช้ซิลิคอนแบบก้อนเป็นวัตถุดิบ จะต้องนำมาบดและผ่านกระบวนการสังเคราะห์ครั้งที่สองเพื่อให้ได้ผงซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับการเจริญเติบโตของผลึก

 

2.2 การควบคุมรูปแบบผลึกผง

 

2.2.1 อิทธิพลของอุณหภูมิในการสังเคราะห์

โดยคงเงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ไว้เหมือนเดิม อุณหภูมิในการสังเคราะห์คือ 1500℃, 1700℃, 1900℃ และ 2100℃ จากนั้นจึงเก็บตัวอย่างผง SiC ที่เกิดขึ้นมาวิเคราะห์ ดังแสดงในรูปที่ 5 β-SiC มีสีเหลืองอมน้ำตาล และ α-SiC มีสีอ่อนกว่า จากการสังเกตสีและรูปร่างของผงที่สังเคราะห์ได้ สามารถระบุได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์ได้คือ β-SiC ที่อุณหภูมิ 1500℃ และ 1700℃ ที่อุณหภูมิ 1900℃ สีจะอ่อนลง และปรากฏอนุภาคหกเหลี่ยม ซึ่งบ่งชี้ว่าหลังจากอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1900℃ จะเกิดการเปลี่ยนเฟส และ β-SiC บางส่วนเปลี่ยนเป็น α-SiC เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นต่อไปถึง 2100℃ พบว่าอนุภาคที่สังเคราะห์ได้มีความโปร่งใส และ α-SiC ได้ถูกเปลี่ยนไปเกือบหมดแล้ว

 

2.2.2 ผลกระทบของเวลาในการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และกำหนดเวลาสังเคราะห์ไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ ผง SiC ที่ได้จะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ด้วยเครื่องเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 6 เวลาในการสังเคราะห์มีผลต่อผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์จากผง SiC เมื่อเวลาในการสังเคราะห์คือ 4 ชั่วโมงและ 8 ชั่วโมง ผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์ได้ส่วนใหญ่จะเป็น 6H-SiC ในขณะที่เมื่อเวลาในการสังเคราะห์คือ 12 ชั่วโมง จะพบ 15R-SiC ในผลิตภัณฑ์

 

2.2.3 อิทธิพลของอัตราส่วนวัตถุดิบ

กระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาณสารซิลิคอน-คาร์บอนได้รับการวิเคราะห์ และอัตราส่วนอยู่ที่ 1.00, 1.05, 1.10 และ 1.15 ตามลำดับสำหรับการทดลองสังเคราะห์ ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 7

จากสเปกตรัม XRD จะเห็นได้ว่า เมื่ออัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนมากกว่า 1.05 จะมีซิลิคอนส่วนเกินปรากฏในผลิตภัณฑ์ และเมื่ออัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนน้อยกว่า 1.05 จะมีคาร์บอนส่วนเกินปรากฏ เมื่ออัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนเท่ากับ 1.05 คาร์บอนอิสระในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะถูกกำจัดออกไปโดยพื้นฐาน และไม่มีซิลิคอนอิสระปรากฏ ดังนั้น อัตราส่วนปริมาณซิลิคอนต่อคาร์บอนควรเป็น 1.05 เพื่อสังเคราะห์ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

 

2.3 การควบคุมปริมาณไนโตรเจนต่ำในผงยา

2.3.1 วัตถุดิบสังเคราะห์

วัตถุดิบที่ใช้ในการทดลองนี้คือผงคาร์บอนบริสุทธิ์สูงและผงซิลิคอนบริสุทธิ์สูงที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 20 ไมโครเมตร เนื่องจากขนาดอนุภาคเล็กและพื้นที่ผิวจำเพาะสูง จึงดูดซับไนโตรเจนในอากาศได้ง่าย เมื่อสังเคราะห์ผง ไนโตรเจนจะถูกทำให้เป็นผลึก สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกชนิด N การเติมไนโตรเจนที่ไม่สม่ำเสมอในผงจะนำไปสู่ความต้านทานที่ไม่สม่ำเสมอของผลึกและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของผลึก ปริมาณไนโตรเจนในผงที่สังเคราะห์ได้หลังจากเติมไฮโดรเจนแล้วจะต่ำมาก เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลไฮโดรเจนมีน้อย เมื่อไนโตรเจนที่ดูดซับอยู่ในผงคาร์บอนและผงซิลิคอนถูกให้ความร้อนและสลายตัวจากพื้นผิว ไฮโดรเจนที่มีปริมาตรน้อยจะแพร่กระจายเข้าไปในช่องว่างระหว่างผงอย่างสมบูรณ์ แทนที่ตำแหน่งของไนโตรเจน และไนโตรเจนจะระเหยออกจากเบ้าหลอมในระหว่างกระบวนการสุญญากาศ ทำให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจน

 

2.3.2 กระบวนการสังเคราะห์

ในระหว่างการสังเคราะห์ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากรัศมีของอะตอมคาร์บอนและอะตอมไนโตรเจนใกล้เคียงกัน ไนโตรเจนจะเข้าไปแทนที่ตำแหน่งว่างของคาร์บอนในซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้ปริมาณไนโตรเจนเพิ่มขึ้น กระบวนการทดลองนี้ใช้วิธีการเติม H2 โดย H2 จะทำปฏิกิริยากับธาตุคาร์บอนและซิลิคอนในเบ้าหลอมสังเคราะห์ ทำให้เกิดก๊าซ C2H2, C2H และ SiH ตามลำดับ ปริมาณธาตุคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นผ่านการส่งผ่านก๊าซ ทำให้ตำแหน่งว่างของคาร์บอนลดลง และบรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจน

 

2.3.3 การควบคุมปริมาณไนโตรเจนพื้นฐานในกระบวนการ

เบ้าหลอมกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่สามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนเพิ่มเติมเพื่อดูดซับไอระเหยของซิลิคอนในส่วนประกอบของเฟสแก๊ส ลดปริมาณซิลิคอนในส่วนประกอบของเฟสแก๊ส และเพิ่มอัตราส่วน C/Si ในขณะเดียวกัน เบ้าหลอมกราไฟต์ยังสามารถทำปฏิกิริยากับบรรยากาศซิลิคอนเพื่อสร้าง Si2C, SiC2 และ SiC ซึ่งเทียบเท่ากับการที่บรรยากาศซิลิคอนนำแหล่งคาร์บอนจากเบ้าหลอมกราไฟต์เข้าสู่บรรยากาศการเจริญเติบโต เพิ่มอัตราส่วน C และเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิคอนด้วย ดังนั้น การใช้เบ้าหลอมกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่จะช่วยเพิ่มอัตราส่วนคาร์บอนต่อซิลิคอน ลดช่องว่างของคาร์บอน และบรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจนได้

 

3. การวิเคราะห์และการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว

 

3.1 หลักการและการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์

จากการศึกษาอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับการควบคุมขนาดอนุภาค รูปทรงผลึก และปริมาณไนโตรเจนในการสังเคราะห์ผงดังกล่าวข้างต้น จึงได้เสนอวิธีการสังเคราะห์ขึ้น โดยเลือกใช้ผงคาร์บอนและผงซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง นำมาผสมให้เข้ากันและบรรจุลงในเบ้าหลอมกราไฟต์ตามอัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอนที่ 1.05 ขั้นตอนของกระบวนการแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอนหลักๆ ดังนี้:
1) กระบวนการกำจัดไนโตรเจนที่อุณหภูมิต่ำ โดยการดูดสุญญากาศจนถึง 5×10-4 Pa จากนั้นจึงเติมไฮโดรเจนเข้าไป ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำสี่ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิคอนได้
2) กระบวนการกำจัดไนโตรเจนที่อุณหภูมิสูง โดยการดูดสุญญากาศจนถึง 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนจนถึง 950 ℃ แล้วจึงเติมไฮโดรเจนเข้าไป ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำสี่ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิคอน และขับไล่ไนโตรเจนในบริเวณที่มีความร้อนได้
3) การสังเคราะห์ด้วยกระบวนการเฟสอุณหภูมิต่ำ เริ่มจากดูดอากาศออกจนเหลือความดัน 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนจนถึง 1350℃ คงอุณหภูมิไว้ 12 ชั่วโมง แล้วจึงเติมไฮโดรเจนเข้าไปเพื่อให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงอุณหภูมิไว้ 1 ชั่วโมง กระบวนการนี้สามารถกำจัดไนโตรเจนที่ระเหยออกมาในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ได้
4) การสังเคราะห์ด้วยกระบวนการเฟสอุณหภูมิสูง เติมก๊าซผสมไฮโดรเจนและอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงในอัตราส่วนปริมาตรการไหลที่กำหนด ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa เพิ่มอุณหภูมิเป็น 2100℃ และคงไว้เป็นเวลา 10 ชั่วโมง กระบวนการนี้จะทำให้ผงซิลิคอนคาร์ไบด์เปลี่ยนจาก β-SiC เป็น α-SiC และทำให้การเจริญเติบโตของอนุภาคผลึกเสร็จสมบูรณ์
สุดท้าย รอจนกว่าอุณหภูมิภายในห้องจะลดลงจนถึงอุณหภูมิห้อง เติมอากาศให้มีความดันเท่ากับความดันบรรยากาศ แล้วจึงนำผงออกมา

 

3.2 กระบวนการหลังการแปรรูปผง

หลังจากสังเคราะห์ผงด้วยกระบวนการข้างต้นแล้ว จะต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อกำจัดคาร์บอนอิสระ ซิลิคอน และสิ่งเจือปนโลหะอื่นๆ รวมถึงคัดกรองขนาดอนุภาค ขั้นแรก นำผงที่สังเคราะห์ได้ไปบดในเครื่องบดลูกบอล จากนั้นนำผงซิลิคอนคาร์ไบด์ที่บดแล้วไปใส่ในเตาเผาแบบมัฟเฟิลและให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 450°C โดยใช้ออกซิเจน ความร้อนจะออกซิไดซ์คาร์บอนอิสระในผง ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งระเหยออกจากห้อง ทำให้สามารถกำจัดคาร์บอนอิสระได้ ต่อมา เตรียมของเหลวทำความสะอาดที่เป็นกรดและใส่ลงในเครื่องทำความสะอาดอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์เพื่อทำความสะอาด เพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิคอน และสิ่งเจือปนโลหะที่ตกค้างซึ่งเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ หลังจากนั้น ล้างกรดที่เหลืออยู่ด้วยน้ำบริสุทธิ์และทำให้แห้ง ผงที่แห้งแล้วจะถูกคัดกรองในตะแกรงสั่นเพื่อคัดเลือกขนาดอนุภาคสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก