กระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

ในกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์ การขนส่งไอทางกายภาพเป็นวิธีการผลิตทางอุตสาหกรรมกระแสหลักในปัจจุบัน สำหรับวิธีการเจริญเติบโตของ PVTผงซิลิกอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการเจริญเติบโต พารามิเตอร์ทั้งหมดของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวและคุณสมบัติทางไฟฟ้า ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน มีการใช้สารผงซิลิกอนคาร์ไบด์กระบวนการสังเคราะห์เป็นวิธีการสังเคราะห์ที่แพร่กระจายด้วยตนเองที่อุณหภูมิสูง
วิธีการสังเคราะห์อุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายด้วยตนเองใช้ความร้อนสูงเพื่อให้สารตั้งต้นได้รับความร้อนเริ่มต้นเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมี จากนั้นจึงใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีของตัวเองเพื่อให้สารที่ไม่เกิดปฏิกิริยาสามารถดำเนินปฏิกิริยาเคมีต่อไปได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีของซิลิกอนและคาร์บอนปล่อยความร้อนน้อยลง จึงจำเป็นต้องเติมสารตั้งต้นอื่นเพื่อรักษาปฏิกิริยา ดังนั้น นักวิชาการหลายคนจึงเสนอวิธีการสังเคราะห์แบบแพร่กระจายด้วยตนเองที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นโดยใช้หลักการนี้ โดยแนะนำตัวกระตุ้น วิธีการแพร่กระจายด้วยตนเองนั้นค่อนข้างง่ายต่อการนำไปใช้ และพารามิเตอร์การสังเคราะห์ต่างๆ ก็สามารถควบคุมได้อย่างเสถียร การสังเคราะห์ขนาดใหญ่ตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรม

ในช่วงต้นปี พ.ศ. 2542 เมืองบริดจ์พอร์ตได้ใช้กระบวนการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายด้วยตนเองเพื่อสังเคราะห์ผง SiCแต่ใช้เอทอกซีซิเลนและเรซินฟีนอลเป็นวัตถุดิบซึ่งมีราคาแพง เกาปานและคนอื่นๆ ใช้ผงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและผงซีเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผง SiCโดยปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงในบรรยากาศอาร์กอน Ning Lina ได้เตรียมอนุภาคขนาดใหญ่ผง SiCโดยการสังเคราะห์รอง

เตาเผาเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยที่สองของ China Electronics Technology Group Corporation ผสมผงซิลิกอนและผงคาร์บอนอย่างเท่าเทียมกันในอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกที่แน่นอนและวางไว้ในเบ้าหลอมกราไฟต์เบ้าหลอมแกรไฟท์ถูกวางไว้ในเตาเผาเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางเพื่อให้ความร้อน และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะถูกใช้เพื่อสังเคราะห์และแปลงเฟสอุณหภูมิต่ำและเฟสอุณหภูมิสูงตามลำดับ เนื่องจากอุณหภูมิของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ β-SiC ในเฟสอุณหภูมิต่ำต่ำกว่าอุณหภูมิการระเหยของ Si การสังเคราะห์ β-SiC ภายใต้สุญญากาศสูงจึงสามารถรับประกันการแพร่กระจายด้วยตนเองได้เป็นอย่างดี วิธีการนำก๊าซอาร์กอน ไฮโดรเจน และ HCl เข้ามาในการสังเคราะห์ α-SiC ช่วยป้องกันการสลายตัวของผง SiCในระยะอุณหภูมิสูง และสามารถลดปริมาณไนโตรเจนในผง α-SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

บริษัท Shandong Tianyue ออกแบบเตาเผาสังเคราะห์โดยใช้ก๊าซไซเลนเป็นวัตถุดิบซิลิกอนและผงคาร์บอนเป็นวัตถุดิบคาร์บอน ปริมาณก๊าซวัตถุดิบที่ป้อนเข้าไปได้รับการปรับด้วยวิธีการสังเคราะห์สองขั้นตอน และขนาดอนุภาคซิลิกอนคาร์ไบด์ที่สังเคราะห์ขั้นสุดท้ายอยู่ระหว่าง 50 ถึง 5,000 ไมโครเมตร

 

1. ปัจจัยควบคุมของกระบวนการสังเคราะห์ผง

 

1.1 ผลของขนาดอนุภาคผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์มีอิทธิพลสำคัญมากต่อการเติบโตของผลึกเดี่ยวในเวลาต่อมา การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC โดยวิธี PVT ทำได้ส่วนใหญ่โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนโมลาร์ของซิลิกอนและคาร์บอนในส่วนประกอบเฟสก๊าซ และอัตราส่วนโมลาร์ของซิลิกอนและคาร์บอนในส่วนประกอบเฟสก๊าซเกี่ยวข้องกับขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ ความดันรวมและอัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนของระบบการเจริญเติบโตเพิ่มขึ้นตามการลดลงของขนาดอนุภาค เมื่อขนาดอนุภาคลดลงจาก 2-3 มม. เหลือ 0.06 มม. อัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนจะเพิ่มขึ้นจาก 1.3 เป็น 4.0 เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กในระดับหนึ่ง ความดันบางส่วนของ Si จะเพิ่มขึ้น และชั้นของฟิล์ม Si จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของผลึกที่กำลังเติบโต ทำให้เกิดการเติบโตของก๊าซ-ของเหลว-ของแข็ง ซึ่งส่งผลต่อความหลากหลาย ข้อบกพร่องจุด และข้อบกพร่องเส้นในผลึก ดังนั้น จึงต้องควบคุมขนาดอนุภาคของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงอย่างดี

นอกจากนี้ เมื่อขนาดของอนุภาคผง SiC ค่อนข้างเล็ก ผงจะสลายตัวเร็วขึ้น ส่งผลให้ผลึกเดี่ยว SiC เติบโตมากเกินไป ในแง่หนึ่ง ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงของการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC กระบวนการสังเคราะห์และสลายตัวทั้งสองอย่างจะดำเนินการพร้อมกัน ผงซิลิกอนคาร์ไบด์จะสลายตัวและสร้างคาร์บอนในเฟสก๊าซและเฟสของแข็ง เช่น Si, Si2C, SiC2 ส่งผลให้ผงโพลีคริสตัลไลน์เกิดการคาร์บอนอย่างรุนแรงและเกิดการรวมตัวของคาร์บอนในผลึก ในอีกแง่หนึ่ง เมื่ออัตราการสลายตัวของผงค่อนข้างเร็ว โครงสร้างผลึกของผลึกเดี่ยว SiC ที่เติบโตก็มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลง ทำให้ยากต่อการควบคุมคุณภาพของผลึกเดี่ยว SiC ที่เติบโต

 

1.2 ผลของรูปแบบผลึกผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC โดยวิธี PVT เป็นกระบวนการระเหิด-ตกผลึกใหม่ที่อุณหภูมิสูง รูปแบบผลึกของวัตถุดิบ SiC มีอิทธิพลสำคัญต่อการเจริญเติบโตของผลึก ในกระบวนการสังเคราะห์ผง เฟสการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ (β-SiC) ที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ของเซลล์ยูนิต และเฟสการสังเคราะห์อุณหภูมิสูง (α-SiC) ที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมของเซลล์ยูนิตจะถูกผลิตขึ้นเป็นหลัก มีรูปแบบผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์มากมายและช่วงการควบคุมอุณหภูมิที่แคบ ตัวอย่างเช่น 3C-SiC จะเปลี่ยนเป็นโพลีมอร์ฟซิลิกอนคาร์ไบด์หกเหลี่ยม เช่น 4H/6H-SiC ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1900°C

ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว เมื่อใช้ผง β-SiC เพื่อปลูกผลึก อัตราส่วนโมลาร์ของซิลิกอน-คาร์บอนจะมากกว่า 5.5 ในขณะที่เมื่อใช้ผง α-SiC เพื่อปลูกผลึก อัตราส่วนโมลาร์ของซิลิกอน-คาร์บอนจะอยู่ที่ 1.2 เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงเฟสจะเกิดขึ้นในเบ้าหลอม ในเวลานี้ อัตราส่วนโมลาร์ในเฟสก๊าซจะมากขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของผลึก นอกจากนี้ สิ่งเจือปนในเฟสก๊าซอื่นๆ เช่น คาร์บอน ซิลิกอน และซิลิกอนไดออกไซด์ ถูกสร้างขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนแปลงเฟส การมีอยู่ของสิ่งเจือปนเหล่านี้ทำให้ผลึกก่อตัวเป็นไมโครทิวบ์และช่องว่าง ดังนั้น จึงต้องควบคุมรูปแบบผลึกผงอย่างแม่นยำ

 

1.3 ผลของสิ่งเจือปนผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ปริมาณสิ่งเจือปนในผง SiC ส่งผลต่อการเกิดนิวเคลียสโดยธรรมชาติในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก ยิ่งปริมาณสิ่งเจือปนสูงขึ้น โอกาสที่ผลึกจะเกิดนิวเคลียสโดยธรรมชาติก็จะน้อยลง สำหรับ SiC สิ่งเจือปนโลหะหลักได้แก่ B, Al, V และ Ni ซึ่งอาจถูกนำเข้ามาโดยเครื่องมือแปรรูประหว่างการแปรรูปผงซิลิกอนและผงคาร์บอน ในจำนวนนั้น B และ Al เป็นสิ่งเจือปนตัวรับระดับพลังงานตื้นหลักใน SiC ส่งผลให้ค่าความต้านทานของ SiC ลดลง สิ่งเจือปนโลหะอื่นๆ จะทำให้เกิดระดับพลังงานหลายระดับ ส่งผลให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของผลึกเดี่ยว SiC ไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง และส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยเฉพาะค่าความต้านทาน ดังนั้น จึงต้องสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้ได้มากที่สุด

 

1.4 ผลของปริมาณไนโตรเจนในผงต่อการเจริญเติบโตของผลึก

ระดับของปริมาณไนโตรเจนจะกำหนดค่าความต้านทานของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยว ผู้ผลิตหลักจำเป็นต้องปรับความเข้มข้นของการเจือปนไนโตรเจนในวัสดุสังเคราะห์ตามกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกที่สมบูรณ์ในระหว่างการสังเคราะห์ผง สารตั้งต้นผลึกเดี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หลักทางทหาร เพื่อปลูกสารตั้งต้นผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวนที่มีความบริสุทธิ์สูงที่มีค่าความต้านทานสูงและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม เนื้อหาของไนโตรเจนเจือปนหลักในสารตั้งต้นจะต้องได้รับการควบคุมในระดับต่ำ สารตั้งต้นผลึกเดี่ยวที่มีสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าต้องได้รับการควบคุมปริมาณไนโตรเจนในความเข้มข้นที่ค่อนข้างสูง

 

เทคโนโลยีการควบคุมหลัก 2 ประการสำหรับการสังเคราะห์ผง

เนื่องจากสภาพแวดล้อมการใช้งานของสารตั้งต้นซิลิกอนคาร์ไบด์แตกต่างกัน เทคโนโลยีการสังเคราะห์สำหรับผงการเจริญเติบโตจึงมีกระบวนการที่แตกต่างกัน สำหรับผงการเจริญเติบโตแบบผลึกเดี่ยวชนิดนำไฟฟ้าชนิด N จำเป็นต้องมีสิ่งเจือปนที่มีความบริสุทธิ์สูงและเฟสเดียว ในขณะที่ผงการเจริญเติบโตแบบผลึกเดี่ยวกึ่งฉนวน จำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไนโตรเจนอย่างเข้มงวด

 

2.1 การควบคุมขนาดอนุภาคผง

2.1.1 อุณหภูมิการสังเคราะห์

โดยที่สภาวะกระบวนการอื่นๆ ไม่เปลี่ยนแปลง ผง SiC ที่ผลิตขึ้นที่อุณหภูมิการสังเคราะห์ 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ และ 2200 ℃ จะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าขนาดอนุภาคอยู่ที่ 250~600 μm ที่อุณหภูมิ 1900 ℃ และขนาดอนุภาคเพิ่มขึ้นเป็น 600~850 μm ที่อุณหภูมิ 2000 ℃ และขนาดอนุภาคเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่ออุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นถึง 2100 ℃ ขนาดอนุภาคของผง SiC จะอยู่ที่ 850~2360 μm และการเพิ่มขึ้นมีแนวโน้มที่จะไม่รุนแรง ขนาดอนุภาคของ SiC ที่อุณหภูมิ 2200 ℃ จะคงที่ที่ประมาณ 2360 μm การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิการสังเคราะห์จาก 1900 ℃ มีผลในเชิงบวกต่อขนาดอนุภาค SiC เมื่ออุณหภูมิในการสังเคราะห์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก 2100 ℃ ขนาดของอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไป ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิในการสังเคราะห์ถูกตั้งไว้ที่ 2100 ℃ ก็สามารถสังเคราะห์ขนาดอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นได้โดยใช้พลังงานน้อยลง

 

2.1.2 เวลาในการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และเวลาการสังเคราะห์ถูกตั้งไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ การวิเคราะห์การสุ่มตัวอย่างผง SiC ที่เกิดขึ้นจะแสดงในรูปที่ 2 พบว่าเวลาการสังเคราะห์มีผลอย่างมากต่อขนาดอนุภาคของ SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์อยู่ที่ 4 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคจะกระจายตัวเป็นหลักที่ 200 μm เมื่อเวลาการสังเคราะห์อยู่ที่ 8 ชั่วโมง ขนาดอนุภาคสังเคราะห์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยกระจายตัวเป็นหลักที่ประมาณ 1,000 μm เมื่อเวลาการสังเคราะห์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ขนาดอนุภาคจะเพิ่มขึ้นอีก โดยกระจายตัวเป็นหลักที่ประมาณ 2,000 μm

 

2.1.3 อิทธิพลของขนาดอนุภาคของวัตถุดิบ

เนื่องจากห่วงโซ่การผลิตวัสดุซิลิกอนในประเทศได้รับการปรับปรุงดีขึ้นเรื่อยๆ ความบริสุทธิ์ของวัสดุซิลิกอนจึงได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมด้วย ปัจจุบัน วัสดุซิลิกอนที่ใช้ในการสังเคราะห์แบ่งออกเป็นซิลิกอนแบบเม็ดและซิลิกอนแบบผงเป็นหลัก ดังแสดงในรูปที่ 3

วัตถุดิบซิลิกอนต่าง ๆ ถูกนำมาใช้เพื่อทำการทดลองสังเคราะห์ซิลิกอนคาร์ไบด์ การเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะแสดงในรูปที่ 4 การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้วัตถุดิบซิลิกอนแบบบล็อก จะมีธาตุ Si จำนวนมากอยู่ในผลิตภัณฑ์ หลังจากบดบล็อกซิลิกอนเป็นครั้งที่สอง ธาตุ Si ในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะลดลงอย่างมาก แต่ยังคงมีอยู่ ในที่สุด ผงซิลิกอนจะถูกใช้สำหรับการสังเคราะห์ และมีเพียง SiC เท่านั้นที่มีอยู่ในผลิตภัณฑ์ นั่นเป็นเพราะในกระบวนการผลิต ซิลิกอนเม็ดขนาดใหญ่ต้องผ่านปฏิกิริยาการสังเคราะห์บนพื้นผิวก่อน จากนั้นจึงสังเคราะห์ซิลิกอนคาร์ไบด์บนพื้นผิว ซึ่งป้องกันไม่ให้ผงซิลิกอนภายในรวมตัวกับผง C เพิ่มเติม ดังนั้น หากใช้ซิลิกอนแบบบล็อกเป็นวัตถุดิบ จำเป็นต้องบดแล้วนำไปผ่านกระบวนการสังเคราะห์รองเพื่อให้ได้ผงซิลิกอนคาร์ไบด์สำหรับการเจริญเติบโตของผลึก

 

2.2 การควบคุมรูปแบบผลึกผง

 

2.2.1 อิทธิพลของอุณหภูมิการสังเคราะห์

โดยรักษาสภาพกระบวนการอื่นๆ ไว้ไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิการสังเคราะห์คือ 1,500℃, 1,700℃, 1,900℃ และ 2,100℃ จากนั้นจึงสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ผง SiC ที่สร้างขึ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 5 β-SiC มีสีเหลืองเหมือนดิน และ α-SiC มีสีอ่อนกว่า โดยการสังเกตสีและสัณฐานวิทยาของผงที่สังเคราะห์ขึ้น สามารถกำหนดได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์ขึ้นคือ β-SiC ที่อุณหภูมิ 1,500℃ และ 1,700℃ ที่อุณหภูมิ 1,900℃ สีจะอ่อนลงและอนุภาคหกเหลี่ยมจะปรากฏขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าหลังจากอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1,900℃ จะเกิดการเปลี่ยนเฟส และ β-SiC บางส่วนจะถูกแปลงเป็น α-SiC เมื่ออุณหภูมิยังคงสูงขึ้นถึง 2,100℃ พบว่าอนุภาคที่สังเคราะห์ขึ้นนั้นโปร่งใส และ α-SiC ถูกแปลงเป็นพื้นฐานแล้ว

 

2.2.2 ผลของระยะเวลาการสังเคราะห์

เงื่อนไขกระบวนการอื่นๆ ยังคงเหมือนเดิม และเวลาการสังเคราะห์ถูกตั้งไว้ที่ 4 ชั่วโมง 8 ชั่วโมง และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ ผง SiC ที่สร้างขึ้นจะถูกสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ด้วยเครื่องดิฟแฟรกโตมิเตอร์ (XRD) ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 6 เวลาการสังเคราะห์มีอิทธิพลบางอย่างต่อผลิตภัณฑ์ที่สังเคราะห์โดยผง SiC เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 4 ชั่วโมงและ 8 ชั่วโมง ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะเป็น 6H-SiC เป็นหลัก เมื่อเวลาการสังเคราะห์คือ 12 ชั่วโมง 15R-SiC จะปรากฏขึ้นในผลิตภัณฑ์

 

2.2.3 อิทธิพลของอัตราส่วนวัตถุดิบ

กระบวนการอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาณของสารซิลิกอน-คาร์บอนจะถูกวิเคราะห์ และอัตราส่วนคือ 1.00, 1.05, 1.10 และ 1.15 ตามลำดับสำหรับการทดลองสังเคราะห์ ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 7

จากสเปกตรัม XRD จะเห็นได้ว่าเมื่ออัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนมากกว่า 1.05 จะมี Si ส่วนเกินปรากฏในผลิตภัณฑ์ และเมื่ออัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนน้อยกว่า 1.05 จะมี C ส่วนเกินปรากฏขึ้น เมื่ออัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนอยู่ที่ 1.05 คาร์บอนอิสระในผลิตภัณฑ์สังเคราะห์จะถูกกำจัดโดยพื้นฐาน และไม่มีซิลิกอนอิสระปรากฏขึ้น ดังนั้น อัตราส่วนปริมาณของอัตราส่วนซิลิกอน-คาร์บอนควรเป็น 1.05 เพื่อสังเคราะห์ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

 

2.3 การควบคุมปริมาณไนโตรเจนต่ำในผง

2.3.1 วัตถุดิบสังเคราะห์

วัตถุดิบที่ใช้ในการทดลองนี้คือผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและผงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 20 ไมโครเมตร เนื่องจากมีขนาดอนุภาคเล็กและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ จึงสามารถดูดซับ N2 ในอากาศได้ง่าย เมื่อสังเคราะห์ผง ผงจะถูกนำมาอยู่ในรูปผลึกของผง สำหรับการเจริญเติบโตของผลึกประเภท N การเติม N2 ที่ไม่สม่ำเสมอในผงทำให้ความต้านทานของผลึกไม่สม่ำเสมอและเปลี่ยนแปลงรูปร่างผลึกอย่างเท่าเทียมกัน ปริมาณไนโตรเจนในผงที่สังเคราะห์หลังจากเติมไฮโดรเจนลงไปนั้นต่ำมาก เนื่องจากปริมาตรของโมเลกุลไฮโดรเจนนั้นน้อย เมื่อ N2 ที่ดูดซับในผงคาร์บอนและผงซิลิกอนถูกให้ความร้อนและสลายตัวจากพื้นผิว H2 จะแพร่กระจายเข้าไปในช่องว่างระหว่างผงที่มีปริมาตรน้อยอย่างสมบูรณ์ โดยแทนที่ตำแหน่งของ N2 และ N2 จะหลุดออกจากเบ้าหลอมในระหว่างกระบวนการสูญญากาศ ทำให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดปริมาณไนโตรเจน

 

2.3.2 กระบวนการสังเคราะห์

ในระหว่างการสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ เนื่องจากรัศมีของอะตอมคาร์บอนและอะตอมไนโตรเจนมีความคล้ายคลึงกัน ไนโตรเจนจะเข้ามาแทนที่ช่องว่างคาร์บอนในซิลิกอนคาร์ไบด์ จึงทำให้ปริมาณไนโตรเจนเพิ่มขึ้น กระบวนการทดลองนี้ใช้หลักการของการนำ H2 เข้ามา และ H2 จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนและธาตุซิลิกอนในเบ้าหลอมการสังเคราะห์เพื่อสร้างก๊าซ C2H2, C2H และ SiH ปริมาณธาตุคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นผ่านการส่งผ่านเฟสก๊าซ จึงทำให้ช่องว่างคาร์บอนลดลง วัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจนจึงสำเร็จ

 

2.3.3 การควบคุมปริมาณไนโตรเจนพื้นหลังของกระบวนการ

เบ้าหลอมกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่สามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนเพิ่มเติมเพื่อดูดซับไอของซิลิกอนในส่วนประกอบในเฟสก๊าซ ลดซิลิกอนในส่วนประกอบในเฟสก๊าซ และเพิ่ม C/Si ในเวลาเดียวกัน เบ้าหลอมกราไฟต์ยังสามารถทำปฏิกิริยากับชั้นบรรยากาศซิลิกอนเพื่อสร้าง Si2C, SiC2 และ SiC ซึ่งเทียบเท่ากับชั้นบรรยากาศซิลิกอนที่นำแหล่งคาร์บอนจากเบ้าหลอมกราไฟต์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศการเจริญเติบโต เพิ่มอัตราส่วนของ C และเพิ่มอัตราส่วนของคาร์บอน-ซิลิกอนด้วย ดังนั้น อัตราส่วนของคาร์บอน-ซิลิกอนจึงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้เบ้าหลอมกราไฟต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ ลดช่องว่างของคาร์บอน และบรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดไนโตรเจน

 

3. การวิเคราะห์และการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ผงผลึกเดี่ยว

 

3.1 หลักการและการออกแบบกระบวนการสังเคราะห์

จากการศึกษาเชิงลึกข้างต้นเกี่ยวกับการควบคุมขนาดอนุภาค รูปแบบผลึก และปริมาณไนโตรเจนในการสังเคราะห์ผง จึงได้เสนอกระบวนการสังเคราะห์ โดยเลือกผง C ที่มีความบริสุทธิ์สูงและผง Si จากนั้นผสมให้เข้ากันและบรรจุลงในเบ้าหลอมกราไฟต์ตามอัตราส่วนซิลิกอนต่อคาร์บอนที่ 1.05 ขั้นตอนของกระบวนการแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอนหลักๆ ดังนี้
1) กระบวนการลดไนเตรตที่อุณหภูมิต่ำ โดยดูดสูญญากาศที่ 5×10-4 Pa จากนั้นจึงเติมไฮโดรเจน ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำ 4 ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิกอนได้
2) กระบวนการดีไนเตรตที่อุณหภูมิสูง โดยดูดสูญญากาศที่ 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนที่ 950 ℃ จากนั้นจึงเติมไฮโดรเจน ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa คงไว้เป็นเวลา 15 นาที และทำซ้ำ 4 ครั้ง กระบวนการนี้สามารถกำจัดธาตุไนโตรเจนบนพื้นผิวของผงคาร์บอนและผงซิลิกอน และขับไนโตรเจนในสนามความร้อน
3) การสังเคราะห์กระบวนการเฟสอุณหภูมิต่ำ อพยพออกที่ 5×10-4 Pa จากนั้นให้ความร้อนถึง 1350℃ เก็บไว้เป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นใส่ไฮโดรเจนลงไปเพื่อให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa เก็บไว้เป็นเวลา 1 ชั่วโมง กระบวนการนี้สามารถกำจัดไนโตรเจนที่ระเหยในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ได้
4) การสังเคราะห์กระบวนการเฟสอุณหภูมิสูง เติมด้วยอัตราการไหลของปริมาณก๊าซที่แน่นอนของไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงและก๊าซอาร์กอนผสม ทำให้ความดันในห้องอยู่ที่ประมาณ 80 kPa เพิ่มอุณหภูมิเป็น 2100℃ เก็บไว้เป็นเวลา 10 ชั่วโมง กระบวนการนี้ทำให้ผงซิลิกอนคาร์ไบด์เปลี่ยนจาก β-SiC เป็น α-SiC เสร็จสมบูรณ์ และทำให้อนุภาคผลึกเติบโตเสร็จสมบูรณ์
สุดท้าย รอจนกระทั่งอุณหภูมิห้องเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง เติมให้ถึงความดันบรรยากาศ และนำผงออกมา

 

3.2 กระบวนการหลังการผลิตผง

หลังจากสังเคราะห์ผงด้วยกระบวนการข้างต้นแล้ว จะต้องมีการประมวลผลภายหลังเพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิกอน และสิ่งสกปรกโลหะอื่นๆ และคัดกรองขนาดอนุภาค ขั้นแรก ผงที่สังเคราะห์แล้วจะถูกวางไว้ในเครื่องบดลูกบอลเพื่อบด จากนั้นผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่บดแล้วจะถูกวางไว้ในเตาเผาแบบปิดและให้ความร้อนถึง 450°C ด้วยออกซิเจน คาร์บอนอิสระในผงจะถูกออกซิไดซ์ด้วยความร้อนเพื่อสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่หลุดออกจากห้อง จึงทำให้กำจัดคาร์บอนอิสระได้ จากนั้น จะเตรียมน้ำยาทำความสะอาดที่เป็นกรดและวางไว้ในเครื่องทำความสะอาดอนุภาคซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อทำความสะอาดเพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิกอน และสิ่งสกปรกโลหะที่เหลือที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ หลังจากนั้น กรดที่เหลือจะถูกล้างในน้ำบริสุทธิ์และทำให้แห้ง ผงแห้งจะถูกคัดกรองในตะแกรงสั่นเพื่อเลือกขนาดอนุภาคสำหรับการเจริญเติบโตของผลึก