Разработка рециркуляционной технологии получения микрокристаллического карбида кремния химическим осаждением из газовой фазы
Для компенсации снижения однократной степени извлечения использована рециркуляция непрореагировавшего метилтрихлорсилана. Для данного способа разработаны конструкции укрупненно-лабораторного и промышленного реакторов, определены технологические параметры процесса, позволяющие получить слои карбида кремния с указанной скоростью осаждения на изделия с максимальным диаметром 650 мм при сохранении… Читать ещё >
Содержание
- 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Кристаллическая структура и химическая связь в карбиде кремния
- 1. 2. Физические и химические свойства карбида кремния
- 1. 3. Основные методы получения карбида кремния
- 1. 3. 1. Взаимодействие порошков кремния с углеродом
- 1. 3. 2. Взаимодействие диоксида кремния с углеродом
- 1. 3. 3. Силицирование углеродных материалов
- 1. 3. 4. Химическое осаждение из газовой фазы
- 2. 1. Термодинамика процесса
- 2. 2. Гидродинамика процесса
- 2. 2. 1. Определение режима тепло- и массообмена
- 2. 2. 2. Расчет радиального профиля температуры в реакторе
- 3. 1. Способ получения слоев карбида кремния с использованием рециркуляции непрореагировавшего сырья
- 3. 2. Установка получения карбида кремния методом химического осаждения из газовой фазы
- 3. 3. Изучение кинетических закономерностей процесса
- 3. 4. Изучение структуры и свойств полученных слоев карбида кремния
- 4. 1. Конструкция реактора промышленной установки
- 4. 2. Криогенная система конденсации парогазовой смеси, отходящей из реактора
- 4. 3. Описание технологических процессов очистки исходного метилтрихлорсилана и ректификационного разделения компонентов конденсата парогазовой смеси, отходящей из реактора
- 4. 4. Расчет колонны выделения МТХС из конденсата
- 4. 5. Изделия, производимые по данной технологии
Разработка рециркуляционной технологии получения микрокристаллического карбида кремния химическим осаждением из газовой фазы (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
ВЫВОДЫ.
1. На основании термодинамических расчетов и экспериментально уточнены границы существования в системе 8ьС-С1-Н однофазной области карбида кремния и предложены температурные и концентрационные параметры осаждения. Показано, что в интервале температур 1300−2000 К и при мольном отношении водород — метилтрихлорсилан больше 3:1 в конденсированной фазе будет присутствовать только карбид кремния и отсутствуют свободный кремний и углерод. Проведенные при этих параметрах эксперименты хорошо согласуются с расчетными данными.
2. Применительно к методу химического осаждения из газовой фазы разложением МТХС были оценены и экспериментально определены кинетические параметры процесса при выбранных условиях. Определено значение кажущейся энергии активации процесса осаждения карбида кремния, равное 125±41 кДж/моль. Установлено, что лимитирующей стадией процесса осаждения является кинетика химических реакций. Показано, что в данных условиях путем увеличения количества подаваемой реакционной смеси на единицу поверхности подложки и создания в пограничном слое около нагретой подложки сильного градиента температуры, скорость осаждения увеличена до 1 мм/ч при сохранении микрокристаллической структуры и газонепроницаемости покрытия.
3. Для компенсации снижения однократной степени извлечения использована рециркуляция непрореагировавшего метилтрихлорсилана. Для данного способа разработаны конструкции укрупненно-лабораторного и промышленного реакторов, определены технологические параметры процесса, позволяющие получить слои карбида кремния с указанной скоростью осаждения на изделия с максимальным диаметром 650 мм при сохранении равномерной толщины слоя и микрокристаллической равноосной структуры покрытия как на наружной, так и на внутренней стороне изделий.
4. На основе полученных данных разработана технология химического газофазного осаждения беспористых микрокристаллических слоев карбида кремния в режиме рециркуляции непрореагировавшего МТХС со следующими параметрами: Л.
— расход водорода 6 м /ч;
— расход МТХС 10 кг/ч;
— температура осаждения 1250 °C;
— скорость роста слоя БЮ 0.8 мм/ч;
— суммарное извлечение карбида кремния из МТХС 36%;
— толщина покрытия до 3 мм.
Технология проверена в опытно-промышленном масштабе. Результаты подтвердили данные диссертационной работы. Технология рекомендована к промышленному внедрению на ОАО «Тюменские моторостроители» .
1. Das Dreistoffsystem: Molybdan Silizium — Kohlenstoff./ H. Nowotny, E. Parthe, R. Kiffer et al.//Monatsh. Chem. -1954. -bd.85. -heft 1−2. -s.255−272.
2. Эллиот Р. П. Структуры двойных сплавов: в 2-х т.: т.1. -М.Металлургия, 1970.
3. Неметаллические тугоплавкие соединения./ Т. Я. Косолапова, Т. В. Андреева, Т. С. Бартницкая и др. -М.: Металлургия, 1985.
4. Верма А., Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. -М: Мир, 1969.
5. Fetterley G.H.// J. Electrochem. Soc. -1957. -v.104. -p.322−329.
6. Minato K., Fukuda K. Structure of chemically vapour deposited silicon carbide for coated fuel particles.// J. Mater. Sei. -1988. -v.23. -p.699−706.
7. Dietzel A.// Ber. Deutsch. Keram. Ges. -1960 -bd.37. -s.524−535.
8. Anderson D.A., Spear W.E. Electrical and optical properties of amorphous silicon carbide, silicon nitride and germanium carbide prepared by the glow discharge technique.// Phil. Mag. -1977. -v.35. -№ 1. -p. 1−16.
9. Engemann D., Fisher R., Knecht J. Photoluminescence in the Amorphous System SixCix.//Appl. Phys. Lett. -1978. -v.32. -№ 9. -p.567−568.
10. Muench W.V., Pfafeeneder I. Epitaxial deposition silicon carbide from silicon tetrachloride and hexane.// Thin Solid Films. -1976. -v.31. -p.39−51.
11. Cheng D.J., Shyy W.J., Kuo D.H. Growth Characteristics of CVD Beta-Silicon Carbide.//J. Electrochem. Soc. -1987. -№ 11. -p.3145−3149.
12. Dow Whitney E. Polymorphism in Silicon Carbide.// Nature. -1963. -v. 199. -№ 4890. -p.278−280.
13. Kiffer A.R., Ettmayer P., Gugel E. Phase Stability of Silicon Carbide in the Ternary System Si-C-N.// Mater. Res. Bull. -1969. -v.4. -p.153−166.
14. Цервадзе A.A., Чхартшвилли Ю. В., Качлишволи З.С.// ФТТ. -1962. -т.4. -с. 1743−1747.
15. Henish G., Roy Т. Silicon Carbide. -Pennsylvania, 1968.94.
16. Химическая энциклопедия. В 5 т.: т.2./ И. Л. Кнуянц (гл. ред.) и др. -М.: Советская энциклопедия, 1990.
17. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник.// под. ред. Т. Я. Косолаповой. -М.: Металлургия, 1990.
18. Гаршин А. П. Конструкционные карбидокремниевые материалы. -М.:Наука, 1975.
19. Thermal properties of ?-Silicon Carbide from 20 to 2000 °C./E. Kern, D. Hamill, H. Deem et al.// Mater. Res. Bull. -1969. -v.4. -p.25−32.
20. Muller B. Werkstoffeigenschaften von Siliziumkarbid als Temperatursensor fur Flussigstahl.//Neue Hutte. -1988. -bd.33. -№ 1. -s.26−30.
21. Honcamp S.: Untersuchung von Warmespannungen aufgrund instationarer Temperaturfelder in keramischen Bauteilen.: Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doctor-Ingenieurs. -Berlin. -TU Clausthal. -1992. -114 s.
22. Voice E.H. Silicon carbide as Fission Product in nuclear Fuels.// Mater. Res. Bull.-1969. -v.4.-p.331−340.95.
23. Гриценко М. В., Мастицкая Т. А., Борзилова В. Д. Исследование кислотостойкости керамических материалов.//тез. докл. XIV Всесоюзной конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». -Обнинск, 1995. -т.1. -с.71.
24. Гриценко М. В., Борзилова В. Д., Дьяченко Т. П. Стойкость керамических материалов к расплаву меди.//тез. докл. XIV Всесоюзной конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». -Обнинск, 1995. -т.1. -с.72.
25. Косолапова Т. Я. Карбиды. -М.Металлургия, 1968.
26. Куколев Г. В. Химия кремния и физическая химия силикатов. -М.:Стройиздат, 1971.
27. Евстропьев К. С., Топоров H.A. Физическая химия силикатов. -М.:Стройиздат, 1975.
28. Кайнарский И. С., Дегтярева Э. В. Карборундовые огнеупоры. -М.:Металлургиздат, 1963.
29. Schlichting J. Siliziumkarbid ein oxydationfest Hochtemperaturwerkstoff.// Ber. Dt. Keram. Ges. -1979. -bd.56. -№ 8. -s.196−200.
30. Lauer J., Adari H. Silicon carbide a high temperature semiconductor. -New York, 1980.
31. Миклашевский А. И. Карборунд, химический анализ и свойства. -М. Металлургия, 1972.
32. Куликов И. С. Термическая диссоциация соединений. -М. Металлургия, 1969.
33. Гринберг Я. Х., Кощенко В. И., Кощенко Р. В. Термодинамические функции B6As, ?-SiC и Si3N4.//H3B. АН СССР, Неорг. матер. -1985. -т.21. -№ 2. -с.244−248.
34. Львов А. Ю.: Взаимодействие кварцевого стекла с расплавом высокочистого кремния: Дисс. канд. хим. наук. -Н. Новгород, -1993. -147 с. 96.
35. Еременко В. Н., Гнесин Г. Г., Чураков М. М. Кинетика растворения поликристаллического карбида кремния в жидком кремнии. // Порошковая металлургия. -1972. -№ 6 -с. 55−59.
36. Leipold M.N., O’Donnel Т.Р., Hagan М.А. Materials of construction for Silicon crystal growth. //J. Cryst. Growth. -1980. -v.50. -p.366−377.
37. Chaney R.E., Warker C.J. The erosion of materials in molten Silicon. // J. Electrochem. Soc. -1976. -v.123 -№ 6. -p.846−852.
38. Scace R.I., Slack G.A. Solubility of carbon in Silicon and germanium. // J. Chem. Phys. -1959. -v.30. -№ 6. -p.1551−1555.
39. Krigesmann J. Die Technologien der modernen Siliziumkarbidkeramiken. Teil. I. Rohstoff und Formgebung. // Keramische Zeitschrift. -1988. -bd.40. -№ 11. -s.857−863.
40. Krigesmann J. Die Technologien der modernen Siliziumkarbidkeramiken. Teil. II. Sintertechniken.// Keramische Zeitschrift. -1988. -bd.40. -№ 12. -s.943−947.
41. Krigesmann J. Die Technologien der modernen Siliziumkarbidkeramiken. Teil. III. Eigenschaften.// Keramische Zeitschrift. -1989. -bd.41. -№ 1. -s. 17−22.
42. Knoch H. Karbide besondere verschlei? feste keramische Werkstoffe.// Technische Mitteilungen. -1987. -bd.80. -№ 4. -s.221−226.
43. Cohrt H. Die Herstellung, die Eigenschaften und die Anwendung von reaktiongebonene Siliziumkarbid.// Zeitschrift fur Werkstofftechnik. -1985. -bd.16. -s.277−285.
44. Hunold K., Reh H. Die aussichtreiche Werkstoffe Siliziumkarbid.// Keramische Zeitschrift. -1987. -bd.39. -№ 8. -s.521−525.
45. Самсонов Г. В., Упадхая Г. Ш., Нестор B.C. Физическое материаловедение карбидов. -Киев: Наукова думка, 1974. -455с.
46. Гнесин Г. Г., Курдюмов A.B., Олейник Г. С.//Порошковая металлургия. -1972. -№ 5. -с.78−81.
47. Acheson E.G.//J. Franklin Inst. -1893. -v.136. -p.193−212.97.
48. Серебренников А. А., Кравченко В. А. Термодинамика и кинетика восстановления металлов. -М:Наука, 1972.
49. Пат. Японии № 63−89 150, МКИ С23С 16/32- С01 В 31/36. Получение карбида кремния./М. Мисая, С. Хитоюки, Т. Хисао (Япония).
50. Пат. Японии № 64−176 696, С23С 16/32- С01 В 31/36. Получение порошкообразного карбида кремния./Э. Кадзуо, Т. Такаси, К. К. Ибиден (Япония).
51. Пат. Великобритании № 1 100 407, МКИ С01В31/36. Фильеры из карбида кремния./Р. Руллок, Г. Пирсон (Великобритания).
52. Пауэл К., Оксли Д., Блочер Д. Осаждение из газовой фазы. -М.:Атомиздат, 1970.
53. Timmel P. CVD als keramische Verfahrentechnik.// Keramische Zeitschrift -1989. -bd.41. -№ 4. -s.259−262.
54. Емяшев A.B. Газофазная металлургия тугоплавких соединений. -М. Металлургия, 1987.
55. Schnittmeister W., Wallgram. W., Girl К. Herstellung von CVD-SiC Schichten bei mittleren Beschichtungstemperaturen.// High Temperatures High Pressures. -1986. -v.18. -p.211−222.
56. Brown P., Sahai Y. Chemical vapor deposition of silicon carbide by the MTS/Hydrogen system.//The Minerals. Ohio: Metals&Materials Soc. -1991. -p.1173−1189.
57. Local equilibrium phase diagrams: SiC deposition in a hot LPCVD reactor./ C. Chiu, S. Desu, Z. Chen et al.// J. Mater. Res. -1994 -v.9. -№ 8. -p.2066;2071.
58. Баковец В. В. Влияние состава газовой фазы на кинетику роста кристаллов (З-SiC.// Изв. АН СССР. Неорг. матер. -1976. -т.12. -№ 7. -с. 1312−1314.
59. Besmann Т.М., Johnson M.L. Kinetics of fhe lov-pressure chemical vapor deposition of silicon carbide.// Ceram.Mater.and Compn. Engines: Proc. 3rd Int. Symp. -Las Vegas, 1988. -p.43−49.
60. Kingon A.I., Davis R.F. LPCVD Deposition of SiC and C-SiC films.// Proc. Int. Conf. Recent Dev. Spec. Steels & Hard. Mater. -Pretoria, 1982. -v.8. -p.12−19.98.
61. Иванова J1.M., Плетюшкин А. А. Термическое разложение паров метилтрихлорсилана.//Известия АН СССР, Неорг. материалы.-1968. -т.4, -№ 7. -с. 1089−1093.
62. Соколов Н. Н., Андрианов К. А., Акимова С. М. Масс-спектрометрическое исследование органохлорсиланов. // ЖОХ. -1955. -т.25. -вып.4. -с.675−683.
63. Иванова Л. М., Казарян Г. А., Плетюшкин А. А. Получение карбида кремния термическим разложением паров метилхлорсиланов.// Изв. АН СССР, Неорг. матер., -1966. -т.2. -с.223−227.
64. Иванова Л. М., Плетюшкин А. А. Кинетика образования |3-SiC из газовой фазы. // Известия АН СССР, Неорг.матер. -1967. -т.З. -№ 10. -с.1817−1822.
65. Cagliostro D.E., Riccitello S.R., Carswell M.G. Analysis of the Pyrolysis Products of Dimethyldichlorosilane in the Chemical Vapor Deposition of Silicon Carbide in Argon. // J.Amer.Ceram.Soc. -1990. -v.73, -№ 3. -p.607−614.
66. Modeling of the SiC chemical vapor deposition and comparation with experimental results./ K.D. Annen, C.D. Stinespring, M.A. Kuczmarski et al.// J. Vac. Sci. Technol. A. -1990. -v.8. -№ 3. -p.2970−2975.
67. Growth Kinetics of Silicon Carbide CVD. /Т. Kaneko, T. Okuno, H. Yuomoto//Journal of Crystal Growth. -1988. -v.91. -p.599−604.
68. Bootsma G.A., Knippenberg W.F., Vespuri G.//J.Cryst.Growth. -1971. -v.ll. -p.297−306.
69. Muench W.V., Pfaffender I. Epitaxial deposition of silicon carbide from silicon tetrachloride and hexane.// Thin Solid Films, -1976. -v.31. -p.39−51.
70. Growth of P-SiC layers by Thermal Chemical vapor Deposition./ S.P. Chiew, G. McBride, B.M. Armstrong et al.// Microelectronics Engineering. -1994. -v.25. -p.177−182.
71. Steckl A.J., Li L.P. Epitaxial Growth of (3-SiC layers by RTCVD with C3H8 and SiH4.//IEEE Translations on Electron Devices. -1992. -v.39. -№ 1. -p.64−74.99.
72. Бабаянц Г. И., Смекалин В. П. Получение плотного карбида кремния методом сублимации.//тез. докл. XIII Всесоюзной конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». -Обнинск, 1992. -т.1. -с.19.
73. Образование карбида кремния в плазмохимическом реакторе/ В. Д. Пернин, Г. В. Голевский, А. А. Корнилов и др.// Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. -1981. -т.24. -№ 11. -с.1323−1327.
74. Verkhoturov A.D., Lebukhova N.V. Producing Elongated Crystals of Silicon Carbide.// Proc. Fourth Sino-Russian Symp. «Advanced Materials and Processes», -Beijing, China, 1997. -p.119.
75. Попов В. П. Исследование массои теплообмена в установках газофазного осаждения кремния. -Минск:Изд-во ИТМО АН БССР, 1980.
76. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях. Справочник./ В. Н. Зубарев, А. Д. Козлов, В. М. Кузнецов и др. -М.: Энергоатомиздат, 1989.
77. Разделение смесей кремнийорганических соединений./ Ю. К. Молоканов, Т. П. Кораблина, М. А. Клейновская и др. -Л.:Химия, 1986.
78. Металлургическая теплотехника. Т.1: Теоретические основы./ В. А. Кривандин, В. А. Арутюнов, Б. С. Мастрюков и др. -М.: Металлургия, 1986.
79. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука, 1970.
80. Синярев Г. Б., Ватолин Н. А., Трусов Б. Г. Применение ЭВМ для математического моделирования металлургических процессов. -М.:Наука, 1982.
81. JANAF Thermochemical Tables, 3nd Edition./M.W. Chase eds.// National Bureau of Standards. -New York, 1985.
82. Barin I., Knacke O., Kubashewski O. Thermodynamical Properties of Inorganic Substances. -Berlin, New York: Springer-Verlag, 1977.
83. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. т.т.1−4/ под. ред. В. П. Глушко. М.: Металлургия, 1978.100.
84. Морачевский А. Г., Сладков И. Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений. -JI.-.Химия, 1987.
85. Svechla R.A. NASA Tech. R-132. -Lewis Research Center: Cleveland, Ohio, 1962.
86. Металлургические соединения в электронике./ Г. А. Разуваев, Б. Г. Грибов, Г. А. Домрачев и др. -М.:Наука, 1972.
87. Fritz G., Habel D., Teichmann G. Metallorganische Synthese Si-funktioneller Cyklocarbosilane.// Z. anorg. allgem.Chem. -1960. -bd.303. -heft 1−2. -s.85−93.
88. Fritz G., Ksinsik D. Die Bildung chlorierter Silicium-methylene bei der Pyrolyse der Methylchlorosilane.// Z. anorg. allgem. Chem. -1963. -bd.322. -heft 1−2. -s.46−57.
89. Федосеев Д. В., Варшавская И. Г., Дорохович В. П. Исследование систем метилтрихлорсилан водород, метилтрихлорсилан — инертный газ. //Изв. АН СССР. Неорг. матер. -1974. -т. 12. -№ 10. -с.1796−1798.
90. Омнигенная экология: учебное пособие, т. 3: Экономика и экология биотехносферы./ под ред. A.C. Гринина// Калуга: ГУП Облиздат, 1997.
91. Крель Э. Руководство по лабораторной ректификации. -М.:Химия, 1980.
92. Кафаров В. В. Основы массопередачи. -М.:Высшая школа, 1979.