Trí theicneolaíochtaí fáis criostail aonair SIC

Is iad na príomh -mhodhanna chun criostail aonair SIC a fhás ná:Iompar Gal Fisiciúil (Pvt), Sil -leagan gaile ceimiceach ardteochta (HTCVD)isfás tuaslagáin ardteochta (HTSG). Mar a thaispeántar i bhFigiúr 1. Ina measc, is é an modh PVT an modh is aibí agus a úsáidtear go forleathan ag an bpointe seo. Faoi láthair, tá tionsclú déanta ar an tsubstráit criostail aonair 6-orlach, agus d'fhás Cree sna Stáit Aontaithe go rathúil sa chriostal singil 8 n-orlach in 2016.

Baineann an modh HTCVD úsáid as an bprionsabal go n -imoibríonn Si Source agus C Gas Gas go ceimiceach chun SIC a ghiniúint i dtimpeallacht ardteochta de thart ar 2100 ℃ chun fás criostail aonair SIC a bhaint amach. Cosúil leis an modh PVT, teastaíonn teocht ardfháis ón modh seo freisin agus tá costas ardfháis aige. Tá an modh HTSG difriúil ón dá mhodh thuas. Is é an bunphrionsabal atá aige ná díscaoileadh agus athdhéanamh eilimintí Si agus C a úsáid i dtuaslagán ardteochta chun fás criostail aonair SIC a bhaint amach. Is é an tsamhail theicniúil a úsáidtear go forleathan an modh TSSG.

Is féidir leis an modh seo fás SIC a bhaint amach i stát cothromaíochta gar-teirmidinimice ag teocht níos ísle (faoi bhun 2000 ° C), agus tá buntáistí ag na criostail fhásta maidir le leathnú ardchaighdeáin, ar chostas íseal, trastomhas éasca, agus dópáil P-chineáil éasca. Táthar ag súil go mbeidh sé ina mhodh chun criostail aonair SIC níos mó, níos airde agus níos ísle a ullmhú tar éis an mhodha PVT.

Figiúr 1. Léaráid sceidealta de phrionsabail trí theicneolaíochtaí fáis criostail aonair sic

01 Stair Forbartha agus Stádas Reatha Criostail Aonair SiC TSSG

Tá stair de níos mó ná 60 bliain ag an modh HTSG chun SIC a fhás.

I 1961, Halden et al. Ar dtús, fuarthas criostail aonair SIC ó leá ardteochta Si inar díscaoileadh C, agus ansin rinne sé iniúchadh ar fhás criostail aonair SIC ó thuaslagán ardteochta atá comhdhéanta de Si+X (áit a bhfuil X amháin nó níos mó de na heilimintí Fe, Cr, SC, TB, PR, etc.).

I 1999, tá Hofmann et al. Ó Ollscoil Erlangen sa Ghearmáin d'úsáid Si Pure mar fhéin-fhlox agus d'úsáid sé an modh TSSG ardteochta agus ardbhrú chun criostail aonair SIC a fhás le trastomhas 1.4 orlach agus tiús thart ar 1 mm den chéad uair.

Sa bhliain 2000, rinne siad an próiseas a bharrfheabhsú agus d'fhás siad criostail SIC le trastomhas 20-30 mm agus tiús suas le 20 mm ag baint úsáide as Si Pure mar fhéin-fhleasc in atmaisféar ardbhrú AR de 100-200 barra ag 1900-2400 ° C.

Ó shin i leith, tá taighdeoirí sa tSeapáin, sa Chóiré Theas, sa Fhrainc, sa tSín agus i dtíortha eile tar éis taighde a dhéanamh i ndiaidh a chéile ar fhás na bhfoshraitheanna criostail aonair SIC ag modh TSSG, a rinne an modh TSSG a fhorbairt go tapa le blianta beaga anuas. Ina measc, is é Sumitomo Metal agus Toyota a dhéanann ionadaíocht ar an tSeapáin. Taispeánann Tábla 1 agus Figiúr 2 an dul chun cinn taighde atá ag sumitomo miotail i bhfás criostail aonair SIC, agus léiríonn Tábla 2 agus Figiúr 3 an príomhphróiseas taighde agus na torthaí ionadaíocha ar Toyota.

Thosaigh an fhoireann taighde seo ag déanamh taighde ar fhás criostail SIC ag an modh TSSG in 2016, agus d'éirigh go maith leo criostail 2-orlach-SiC le tiús 10 mm. Le déanaí, d'éirigh leis an bhfoireann criostail 4H-Sic 4-orlach a fhás go rathúil, mar a thaispeántar i bhFíor 4.

Figiúr 2.Grianghraf optúil de SIC Crystal a fhástar ag foireann Sumitomo Metal's ag baint úsáide as modh TSSG

Fíor 3.Éachtaí ionadaíocha d'fhoireann Toyota maidir le criostail aonair SIC a fhás ag baint úsáide as modh TSSG

Fíor 4. Éachtaí ionadaíocha na hInstitiúide Fisice, Acadamh Eolaíochtaí na Síne, i gcriostail aonair SIC a fhás ag baint úsáide as modh TSSG

02 Prionsabail bhunúsacha a bhaineann le criostail aonair SIC a fhás trí mhodh TSSG

Níl aon leáphointe ag SIC ag an ngnáthbhrú. Nuair a shroicheann an teocht os cionn 2000 ℃, déanfaidh sé gású agus dianscaoileadh go díreach. Dá bhrí sin, níl sé indéanta criostail aonair SIC a fhás trí leá SIC a fhuarú go mall agus a sholadú den chomhdhéanamh céanna, is é sin, modh leá.

De réir léaráid chéim dhénártha Si-C, tá réigiún dhá chéim de "L+SIC" ag an deireadh Si-saibhir, a sholáthraíonn an fhéidearthacht don fhás céim leachtach SIC. Mar sin féin, tá tuaslagthacht Si íon do C ró-íseal, mar sin tá sé riachtanach flosc a chur leis an IR leá chun cuidiú leis an tiúchan C a mhéadú sa tuaslagán ardteochta. Faoi láthair, is é an modh teicniúil príomhshrutha chun criostail aonair SIC a fhás trí mhodh HTSG ná modh TSSG. Is léaráid scéimreach é Figiúr 5 (a) de phrionsabal na gcriostal aonair SIC le modh TSSG.

Ina measc, is é rialáil na n-airíonna teirmidinimice a bhaineann le tuaslagán ardteochta agus dinimic an phróisis iompair tuaslagáite agus an chomhéadain fáis criostail chun cothromaíocht mhaith dinimiciúil soláthair agus éilimh tuaslagáit C a bhaint amach sa chóras fáis ar fad an eochair chun fás criostail aonair SIC a bhaint amach ag modh TSSG.

Fíor 5. (a) Léaráid sceidealta d'fhás criostail aonair SIC ag modh TSSG; (b) Léaráid sceidealta den chuid fhadtéarmach den réigiún dhá chéim L+SIC

03 Airíonna teirmidinimice de réitigh ardteochta

Is é an rud is tábhachtaí maidir le criostail aonair SIC a fhás ag an modh TSSG ná go leor C i dtuaslagáin ardteochta a dhíscaoileadh. Is bealach éifeachtach é eilimintí flosc a chur leis chun tuaslagthacht C a mhéadú i dtuaslagáin ardteochta.

Ag an am céanna, rialóidh eilimintí flosc an dlús, an slaodacht, an teannas dromchla, an pointe reo agus na paraiméadair teirmidinimice eile de réitigh ardteochta a bhaineann go dlúth le fás criostail, agus mar sin ag dul i bhfeidhm go díreach ar na próisis teirmidinimice agus cinéiteacha i bhfás criostail. Dá bhrí sin, is é roghnú na n -eilimintí flosc an chéim is tábhachtaí chun an modh TSSG a bhaint amach chun criostail aonair SIC a fhás agus is é an fócas taighde sa réimse seo.

Tá go leor córas tuaslagáin ardteochta dénártha tuairiscithe sa litríocht, lena n-áirítear Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si agus Co-Si. Ina measc, tá na córais dhénártha CR-Si, Ti-Si agus Fe-Si agus na córais ilchomhpháirtí ar nós CR-CE-AL-SI a fhorbairt go maith agus tá torthaí maithe fáis criostail faighte acu.

Taispeánann Figiúr 6 (a) an gaol idir ráta fáis SIC agus teocht i dtrí chóras tuaslagáin ardteochta éagsúla de CR-Si, Ti-Si agus Fe-Si, a ndearna Kawanishi et al achoimre orthu. in Ollscoil Tohoku sa tSeapáin in 2020.

Mar a thaispeántar i bhFíor 6 (b), Hyun et al. Dearadh sraith de chórais tuaslagáin ardteochta le cóimheas comhdhéanaimh Si0.56cr0.4m0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH agus PD) chun tuaslagthacht C. a thaispeáint

Fíor 6. (a) Gaol idir ráta fáis agus teocht criostail aonair SIC agus córais réitigh éagsúla ardteochta á n-úsáid

04 Rialachán Cinéitice Fáis

D'fhonn criostail aonair ardchaighdeáin SIC a fháil níos fearr, tá sé riachtanach freisin cinéitic deascadh criostail a rialáil. Dá bhrí sin, is é fócas taighde eile an mhodha TSSG chun criostail aonair SIC a fhás ná rialáil na cinéitice i dtuaslagáin ardteochta agus ag an gcomhéadan fáis criostail.

I measc na bpríomhbhealach rialála tá: próiseas uainíochta agus tarraingthe criostail síolta agus breogán, rialáil réimse teochta sa chóras fáis, barrfheabhsú struchtúir agus méid breogán, agus rialáil ar chomhiompar tuaslagáin ardteochta ag réimse maighnéadach seachtrach. Is é an cuspóir bunúsach ná an réimse teochta, an réimse sreafa agus an réimse tiúchana tuaslagáite a rialáil ag an gcomhéadan idir tuaslagán ardteochta agus fás criostail, ionas go mbeidh sé níos fearr agus níos tapúla SIC ó thuaslagán ardteochta ar bhealach ordúil agus go bhfásann sé i gcriostail aonair ardchaighdeáin ar ardchaighdeán.

Tá taighdeoirí tar éis iarracht a dhéanamh go leor modhanna chun rialachán dinimiciúil a bhaint amach, mar shampla an "teicneolaíocht uainíochta luathaithe Crucible" a d'úsáid Kusunoki et al. Ina gcuid oibre a tuairiscíodh i 2006, agus an "teicneolaíocht fáis cuasach tuaslagáin" a d'fhorbair Daikoku et al.

In 2014, Kusunoki et al. Cuireadh struchtúr fáinne graifíte leis mar threoir tumoideachais (IG) sa bhreogán chun rialáil comhiompar tuaslagáin ardteochta a bhaint amach. Trí mhéid agus suíomh an fháinne graifíte a bharrfheabhsú, is féidir modh iompair tuaslagáit aonfhoirmeach aníos a bhunú sa tuaslagán ardteochta faoi bhun an chriostal síolta, rud a fheabhsaíonn an ráta fáis criostail agus an cáilíocht, mar a thaispeántar i bhFíor 7.

Figiúr 7: (a) torthaí insamhalta sreabhadh tuaslagáin ardteochta agus dáileadh teochta i Crucible; 

(b) Léaráid sceidealta de ghléas turgnamhach agus achoimre ar na torthaí

05 Buntáistí a bhaineann le modh TSSG chun criostail aonair sic a fhás

Léirítear na buntáistí a bhaineann le modh TSSG maidir le criostail aonair SIC a fhás sna gnéithe seo a leanas:

. I 1999, tá Hofmann et al. Breathnaíodh agus cruthaíodh é trí mhicreascóp optúil gur féidir microtubes a chlúdach go héifeachtach sa phróiseas chun criostail aonair SIC a fhás trí mhodh TSSG, mar a thaispeántar i bhFíor 8.

Figiúr 8: deireadh a chur le microtubes le linn fás criostail aonair SIC le modh TSSG:

. 

(b) Micrograph optúil den limistéar céanna i mód machnaimh, ag léiriú go bhfuil na microtubes clúdaithe go hiomlán.

.

D'éirigh le foirne taighde ábhartha Toyota agus Sumitomo Corporation leathnú trastomhas criostail atá inrialaithe go saorga a bhaint amach trí theicneolaíocht "rialaithe airde meniscus" a úsáid, mar a thaispeántar i bhFíor 9 (a) agus (b).

Figiúr 9: (a) Léaráid sceidealta de theicneolaíocht rialaithe meniscus i modh TSSG; 

. 

(c) fás ar feadh 20 h ag airde meiniscis de 2.5 mm; 

(d) fás ar feadh 10 h ag airde meiniscis de 0.5 mm;

(e) Fás ar feadh 35 h, leis an airde meiniscus ag méadú de réir a chéile ó 1.5 mm go luach níos mó.

. Mar shampla, Shirai et al. As Toyota a thuairiscigh in 2014 gur fhás siad criostail 4H-SiC de chineál íseal-idir-siC le modh TSSG, mar a thaispeántar i bhFíor 10.

Figiúr 10: (a) Taobh-amharc ar chriostal aonair P-SIC a fhástar le modh TSSG; 

(b) grianghraf optúil a tharchur de chuid fadaimseartha den chriostal; 

.

06 Conclúid agus Outlook

Tá dul chun cinn mór déanta ag an modh TSSG chun criostail aonair SIC a fhás le 20 bliain anuas, agus tá roinnt foirne tar éis criostail aonair 4-orlach SIC a fhás ag an modh TSSG.

Mar sin féin, tá gá le forbairt bhreise na teicneolaíochta seo fós sna príomhghnéithe seo a leanas:

(1) staidéar domhain ar airíonna teirmidinimice an tuaslagáin;

(2) an chothromaíocht idir an ráta fáis agus an caighdeán criostail;

(3) coinníollacha fáis cobhsaí criostail a bhunú;

(4) Teicneolaíocht rialaithe dinimiciúil scagtha a fhorbairt.

Cé go bhfuil an modh TSSG fós taobh thiar den mhodh PVT, creidtear go bhfuil na príomhfhadhbanna eolaíochta a bhaineann le criostail aonair SIC ag an modh TSSG a réiteach go leanúnach agus go bhfuil na príomhtheicneolaíochtaí a bhaineann le Crua na TSS a fhás go leanúnach agus go mbeidh an teicneolaíocht seo ag fás go leanúnach agus go gcuirfear an t -imthriail seo chun cinn agus go gcuirfear an t -imdhíonadh seo chun cinn agus go bhfuil an t -am céanna ag tiomáint agus go bhfuil an t -am céanna ag tiomáint agus go bhfuil an t -am céanna ag tiomáint agus ag tiomáint go hiomlán chun an modh a chur chun cinn agus go bhfuil an t -am céanna ag tiomáint an tslí agus go bhfuil an t -am seo ag tiomáint an tslí agus go bhfuil an t -imeartha ag an tsraith seo chun an t -am a chur chun cinn chun an tslí a fhásann an t -am seo a chur chun cinn chun an tslí a bhfuil an t -am ar fad ag an am céanna a chur chun cinn chun an tslí a bhfuil an t -imearthacht ag an tslí a fhéadann an t -am seo. Forbairt thapa an tionscail SIC.