Elektroonilise teabetööstuse kiire iteratsiooni taustal miniaturiseerimise, kõrgsagedusliku-töö ja suure töökindluse suunas on räni mikro-pulber kui kriitilise tähtsusega uus alusmaterjal, mis toetab tipptasemel-elektroonika arendamist, silmitsi pidevalt suurenevate jõudluslävedega. Tavapäraselt töödeldud purustatud räni mikro{4}}pulbriosakesed kannatavad nende ebakorrapärase morfoloogia tõttu loomupäraste defektide tõttu, nagu pulbri halb voolavus, väike pakkimistihedus ja tugev materjali pingekontsentratsioon. Elektrooniliste kapslimaterjalide kasutamisel põhjustavad need defektid kergesti substraadi pragunemist, ebapiisavat tasasust ja dielektriliste omaduste kõikumisi, muutes need ebasobivaks kõrgetasemeliste elektroonikaseadmete täpsuse ja kõrgete{6}}integratsiooninõuete jaoks. Sellest tulenevalt on sferoniseerimise modifitseerimine kujunenud peamiseks läbimurdeks räni mikro{8}}pulbritööstuse ajakohastamiseks madala-jämetöötluse asemel kvaliteetse{10}}uute peenmaterjalide tootmiseks.
Praegu hõlmavad räni mikro{0}}pulbri sferoniseerimistehnoloogiad peamiselt mehaanilist vormimist, leegiga sulatamist, otsepõletus-/VMC meetodit, plasma sferoniseerimist ja keemilise sünteesi meetodeid.
01 Mehaaniline vormimismeetod
Mehaaniline vormimismeetod on kõige elementaarsem füüsiline modifitseerimisprotsess, mis põhineb peamiselt kiirel{0}}mehaanilisel segamisel, löömisel ja lihvimisel/vormimisel. See kasutab spetsiaalseid vormimisseadmeid, nagu kiired{2}}löökveskid ja meediumi-segamisveskid, et rakendada purustatud räni mikro-pulbrile pidevat mehaanilist toimet, ümardades järk-järgult teravaid servi ja nurki, et parandada osakeste ringikujulisust ja parandada pinnadefekte. Samuti purustab see kõvad aglomeraadid, suurendades puistetihedust ja voolavust.
Mehaanilise vormimismeetodi eelised seisnevad selle madalas hinnas, olemasolevate ressursside täielikus ärakasutamises, lihtsas protsessis, keskkonnasõbralikkuses ja tööstuslikus mastaapsuses. Saadud pulbri sfääriliste osakeste suhet, kraanitihedust ja töötlemise saagist ei saa aga usaldusväärselt tagada, mistõttu see sobib ainult madalamate kvaliteedinõuetega sfäärilise pulbri tootmiseks.
02 Leegi termotuumasünteesi meetod
Leeksulatamise meetod on praegu Hiinas sfäärilise ränidioksiidi pulbri industrialiseerimise põhiline tehnoloogiline tee, mida iseloomustab arenenud tehnoloogia, suhteliselt madalad tootmiskulud, suur võimsus ja sobivus suuremahuliseks pidevaks tootmiseks-. Täpsemalt kasutatakse toormaterjalina nurgelist ränidioksiidi pulbrit, mis läbib eeltöötlemise-etapid, nagu jugajahvatamine, mitmeastmeline sõelumine ja puhastamine. Sobiva suurusega pulber juhitakse seejärel kõrge temperatuuriga leeki, kus osakesed sulavad silmapilkselt ja tõmbuvad pindpinevuse mõjul sfäärilisteks kujudeks, millele järgneb kiire jahutamine ja tahkumine.
Leegimeetodi soojusallikas kasutatakse tavaliselt puhtaid gaase, nagu atsetüleen või maagaas, mis annab puhta leegi ilma saastumiseta. Kuid sferoniseerimise tulemust mõjutavad oluliselt tegurid, sealhulgas tooraine osakeste suurus, leegi temperatuuriväli, viibimisaeg ja söötmise stabiilsus. Vale protsessi juhtimine võib põhjustada selliseid probleeme nagu osakeste aglomeratsioon, õõnsad sfäärid, osakeste suuruse jaotuse laienemine, ebapiisav sferoniseerimise konsistents ja ülipeente ja submikroniliste pulbrite madal sferoniseerimiskiirus.
03 Plasma sferoniseerimise meetod
Plasmasferoniseerimise meetod on meetod, mis kasutab materjali töötlemiseks plasma kõrget{0}}energiat. Selle põhimõte seisneb ülipeenjahvatuse ja keemilise lisandi eemaldamise läbinud räni mikro-pulbri paigutamise plasmareaktorisse. Pulber sulab kiiresti plasmapõleti kõrge temperatuuriga tsoonis, seejärel moodustub pindpinevusel sfäärilised tilgad ja pärast kiiret jahutamist tahkub sfäärilisteks osakesteks. Võrreldes leekfusioonimeetodiga iseloomustab plasma sferoniseerimine äärmiselt lühikest kestust kõrgel temperatuuril, mis väldib tõhusalt ränidioksiidi kristallifaasi muundumist. Veelgi enam, tänu oma kõrgele automatiseeritusele ja heale stabiilsusele tagab see kõrgema sferonisatsiooni määra, parema osakeste suuruse ühtluse ja äärmiselt madala lisandite sisalduse.
Sellegipoolest seisab see meetod tööstuslikul{0}}skaala kasutuselevõtul endiselt silmitsi suurte väljakutsetega. Esiteks soojendatakse termilist plasmat peamiselt elektriga ja elektrienergia plasmaks muundamisel tekib märkimisväärne kadu, mille tulemuseks on madal energiakasutus ja sellest tulenevalt kõrged küttekulud. Teiseks piiravad induktsioontermoplasmageneraatorite võimsust toiteallika seadmed ja suure-võimsusega toiteallikad on kulukad, mis nõuab suuri kapitaliinvesteeringuid, mis piirab tööstuslikke rakendusi. Lisaks on põhiseadmed, nagu plasmasferoniseerimisahjud, endiselt Jaapani ja Saksa ettevõtete monopolis. Kõrge alginvesteeringu maksumus on samuti kriitiline tegur, mis piirab selle laiaulatuslikku-rakendust.
04 Otsepõlemise/VMC meetod
Otsepõletusmeetodi (tuntud ka kui VMC meetod) töötas algselt välja Jaapani ettevõte Admatechs ja seda peetakse ülemaailmses tipptasemel pooljuhtide pakendamise valdkonnas klassikaliseks etalonprotsessiks. Selle meetodi puhul kasutatakse toorainena kõrge-puhtusega metallilist ränipulbrit. Ülipeen metalliline ränipulber dispergeeritakse ühtlaselt hapnikuvoolus, et läbida kontrollitud deflagratsioonireaktsioon, mille tulemusena tekib ränidioksiid. Samal ajal põhjustab räni oksüdatsioonist vabanev hetkeline üli{5}}suur reaktsioonisoojus tekkinud ränidioksiidi kohese sulamise ja aurustumise, seejärel pindpinevuse mõjul-muutuse ning kiiresti jahutamise ja tahkumise, moodustades in situ amorfseid sfäärilisi ränidioksiidi osakesi. Hapniku kontsentratsiooni, temperatuuri ja voolukiiruse täpne juhtimine võimaldab kogu protsessi vältel täpselt reguleerida osakeste suurust ja morfoloogiat.
Võrreldes teiste füüsikaliste meetoditega ületab VMC-meetod loodusliku kvartsmaagi tooraine lisandipiirangud. Kõrge -puhtusastmega metallilisest ränist sünteesimisel saavutatakse tootel äärmiselt madal metallilisandite sisaldus, kristallilise jääkfaasi puudumine, suurepärased dielektrilised omadused, kitsas osakeste suurusjaotus, silmapaistev monodisperssus ja ülimalt suur osakeste ümarus. Selle toote konsistents ületab tunduvalt traditsiooniliste leegimeetodite oma. Tooteid kasutatakse valdavalt suure-lisandväärtusega-stsenaariumide puhul, nagu tipptasemel-pooljuhtpakendid ja kõrgsageduslikud täppiselektroonilised materjalid. Kuna aga metallilise ränipulbri deflagratsioonireaktsioon nõuab äärmiselt suurt seadmete tihendamist ja parameetrite juhtimissüsteemi täpsust, seadmete investeerimis- ja hoolduskulud on suured, on protsesside ohutuse juhtimine erakordselt keeruline, tootmisläved on kõrged ja tehnoloogilist monopoli valitsevad tugevalt -pikaajaliselt- Jaapani Admatechs.
05 Keemilise sünteesi meetod
Keemilised sünteesimeetodid hõlmavad peamiselt sool-geeli, gaasi-faasi sünteesi, mikroemulsioonireaktsiooni, sadestamist/seemnete kasvatamist ja muud. Erinevalt füüsikalise modifitseerimise järgsest-töötlusloogikast kasutab see protsess toorainena silaani lähteaineid, kõrge puhtusastmega silikaate jne. Räniallika hüdrolüüsi, kondenseerumise, tuuma moodustumise ja osakeste kasvuprotsesside juhtimisega sünteesitakse sfäärilised ränidioksiidi osakesed molekulaarsel tasemel otse in situ, ilma et see tugineks purustatud kvartspulbri lähteainetele. Toode on äärmiselt kõrge puhtusastmega ja sellel on suurem potentsiaal peente osakeste suuruse, kitsa suurusjaotuse ja struktuurilise disaini osas.
Võttes näiteks klassikalise sool{0}}geelimeetodi, kasutatakse selles Stöberi süsteemi, kasutades räniallikana tetraetüülortosilikaati (TEOS) aluselises (nt ammoniaagi) katalüütilises etanool-veega segatud lahustisüsteemis hüdrolüüsi- ja kondensatsioonireaktsioonide jaoks. TEOS hüdrolüüsib kõigepealt silanoolmonomeerideks, mis läbivad dehüdratsioonikondensatsiooni, moodustades ränidioksiidi (SiO₂) oligomeere, mis lõpuks kasvavad tuumadel, moodustades monodispersse ränidioksiidi mikrosfääride. Suurema-diameetriga sfääriliste osakeste valmistamiseks võib kasutada seemnete kasvatamise ja sadestamise meetodeid, mis suruvad maha sekundaarse tuuma moodustumise ja soodustavad olemasolevate osakeste epitaksiaalset kasvu.