Kao jedan od reprezentativnih materijala poluvodiča treće generacije, silicijev karbid prikladan je za proizvodnju integriranih elektroničkih uređaja s visokom temperaturom, visoke frekvencije, protuzračenja, velike snage i velike gustoće. Trenutno se monokristalni supstrat od silicij karbida koji se koristi u proizvodnji uređaja uglavnom uzgaja PVT (Physical Vapor Transport) metodom. Studije su pokazale da čistoća SiC praha i drugi parametri poput veličine čestica i vrste kristala imaju određeni utjecaj na kvalitetu SiC monokristala uzgojenih PVT metodom, pa čak i na kvalitetu sljedećih uređaja. Ovaj se članak uglavnom fokusira na postupak sinteze SiC praha visoke čistoće za rast monokristala PVT metodom.
Metoda sinteze SiC praha
Postoji mnogo načina za sintezu SiC praha. Općenito govoreći, može se grubo podijeliti u tri metode. Prva metoda je metoda u čvrstoj fazi, među kojima su reprezentativna metoda karbotermalne redukcije, samopropagirajuća metoda sinteze visoke temperature i metoda mehaničke prašine; druga metoda je metoda tekuće faze, čija je reprezentativna metoda uglavnom sol-koagulacijska metoda ljepila i metoda termičke razgradnje polimera; treća metoda je metoda u plinskoj fazi, uključujući metodu taloženja kemijske pare, metodu plazme i metodu laserske indukcije.
1. Prednosti i nedostaci različitih metoda
Prah silicij-karbida sintetiziran metodom krute faze ekonomičniji je, sa širokim rasponom sirovina i niskim cijenama, a jednostavan je za industrijsku proizvodnju. Međutim, silicij-karbid-prah sintetiziran ovom metodom ima visok sadržaj nečistoća i nisku kvalitetu; visokotemperaturna metoda samorazmnožavanja koristi Visoka temperatura daje reaktantima početnu toplinu za započinjanje kemijske reakcije, a zatim koristi vlastitu toplinu kemijske reakcije kako bi nereagirane tvari nastavile dovršavati kemijsku reakciju. Međutim, budući da kemijska reakcija Si i C emitira manje topline, moraju se dodati i drugi aditivi kako bi se održala reakcija samoširenja koja neizbježno unosi nečistoće, a ova metoda lako uzrokuje neravnomjernu reakciju.
Trenutno je tehnologija sinteze silicijevog karbida u prahu metodom tekuće faze relativno zrela. Prah silicij-karbida sintetiziran metodom tekuće faze izuzetno je čist i fini prah nano veličine, ali postupak je složeniji i lako je proizvesti štetne tvari za ljudsko tijelo.
Prah silicij-karbida sintetiziran metodom plinske faze ima visoku čistoću i malu veličinu čestica, što je uobičajena metoda za sintezu silicijevog karbida u prahu visoke čistoće. Međutim, ova metoda sinteze ima visoku cijenu i nizak prinos te nije pogodna za masovnu proizvodnju.
2. Oprema za sintezu silicijevog karbida u prahu
Oprema za sintezu silicijevog karbida u prahu koristi se za pripremu silicijevog karbida u prahu potrebnom za uzgoj monokristala silicijevog karbida. Kvalitetni prah silicij-karbida igra važnu ulogu u daljnjem rastu silicij-karbida.
Sinteza silicijevog karbida u prahu usvaja izravnu reakciju ugljikovog praha visoke čistoće i silicijskog praha, a proizvedena je metodom sinteze pri visokim temperaturama. Glavne tehničke poteškoće opreme za sintezu silicijevog karbida u prahu su brtvljenje i upravljanje visokim temperaturama i visokim vakuumom, hlađenje vodom u vakuumskoj komori, vakuumski i mjerni sustavi, električni upravljački sustavi, tehnologija grijanja u loncu za sintezu praha i spojnica.
Trenutno su glavni strani proizvođači Cree, Aymont itd., A čistoća sintetičkog praha može doseći 99,9995%. Glavne domaće jedinice uključuju Drugi kineski institut za istraživanje električne energije, Shandong Tianyue, Tianke Heda i Institut za keramiku Kineske akademije znanosti. Čistoća općenito može doseći 99,999%, a neke jedinice mogu doseći 99,9995%.
Metoda sinteze SiC praha visoke čistoće
1. CVD metoda
Trenutno metode sinteze SiC praha visoke čistoće koje se koriste za uzgoj monokristala uglavnom uključuju: CVD metodu i poboljšanu samorazmnožavajuću metodu sinteze (koja se naziva i visokotemperaturna metoda sinteze ili metoda izgaranja).
Među njima, izvor Si za CVD sintezu SiC praha općenito uključuje silan i silicijev tetraklorid, dok izvor C uglavnom koristi ugljikov tetraklorid, metan, etilen, acetilen i propan, dok dimetildiklorosilan i tetrametilsilan I tako dalje mogu pružiti izvor Si i C izvor u isto vrijeme.
SashiroEzaki i sur. koristio CVD metodu, koristeći grafit pahuljica kao supstrat, metil kloroetan / vodik kao reakcijski plin i plin nosač, i nataložio SiC film na 1250 ～ 1350 ℃, a zatim su postupci oksidacije, kiseljenja i usitnjavanja dobili čestice . SiC prah promjera 200 ～ 1200μm.
Iako se ovom metodom proizvodi SiC prah visoke čistoće, sljedeći je postupak složen, sirovine su skupe, a prinos nizak.
WZZhu i sur. koristio je CVD metodu, koristeći silan i acetilen kao reakcijski plin, i vodik kao plin-nosač, za sintezu ultrafinog i SiC praha visoke čistoće na 1200-1400 ° C.
AparnaGupta i sur. koristio je heksametilsilan kao izvor reakcije, vodik i argon kao nositeljski plin, a također je sintetizirao ultrafini i SiC prah visoke čistoće na 1050 do 1250 ° C metodom CVD.
Članovi gornje dvije istraživačke skupine koristili su CVD metodu za sintezu SiC praha visoke čistoće pomoću izvora organskih plinova. Međutim, sintetizirani prah je ultrafini prah na nano razini. Iako ima visoku čistoću, nije ga lako sakupiti i nije prikladan za veliku serijsku proizvodnju. Sinteza čistog SiC praha nije pogodna za razvoj kasnije industrijalizacije.
2. Samopropagirajuća sinteza
Prethodna metoda samoširenja sinteze je metoda paljenja reaktantnog tijela s vanjskim izvorom grijanja, a zatim korištenjem topline kemijske reakcije vlastite tvari kako bi se sljedeći proces kemijske reakcije spontano nastavio, sintetizirajući tako materijale.
Većina ove metode koristi silikonski prah i čađu kao sirovine, a dodaje i druge aktivatore koji izravno reagiraju značajnom brzinom na 1000-1150 ° C da bi se dobio SiC prah. Uvođenje aktivatora neizbježno će utjecati na čistoću i kvalitetu sintetiziranih proizvoda.
Stoga su mnogi istraživači na toj osnovi predložili poboljšanu metodu samoširenja sinteze. Poboljšanje je uglavnom izbjegavanje uvođenja aktivatora i osiguravanje kontinuiranog i djelotvornog napredovanja reakcije sinteze povećanjem temperature sinteze i kontinuiranim opskrbom grijanjem.
Već 1999. godine japanska tvrtka Bridgestone koristila je tetraetoksizilan kao izvor silicija, a fenolnu smolu kao izvor ugljika. Korištenjem metode izgaranja u rasponu od 1700-2000 ℃, sintetizirana je veličina čestica 10-500μm, kvaliteta nečistoća u prahu SiC s udjelom manjim od 0,5 × 10-6.
Međutim, reaktanti ove metode koriste organske tvari, pa su troškovi sirovina relativno visoki, što nije pogodno za masovnu proizvodnju SiC praha.
Istraživači s Instituta za istraživanje silicija Kineske akademije znanosti koristili su Si prah i C prah s masenim udjelom sirovine 99,9% ili više kako bi sintetizirali 99,999% masenog udjela SiC praha pogodnog za rast monokristala reakcijom visoke temperature u Ar atmosfera.
Ning Lina sa sveučilišta Shandong i drugi jednoliko su miješali Si prah i C prah u molarnom omjeru 1: 1. Primjenom sekundarne reakcijske metode sintetiziran je SiC prah na visokoj temperaturi.
LiWANG i drugi koriste aktivni ugljen (veličina čestica 20-100μm) i grafit pahuljica (veličina čestica 5-25μm) kao izvor ugljika (maseni udio 99,9%), a silicij visoke čistoće kao izvor silicija (veličina čestica 10-270μm, maseni udio 99,999%)).
SiC prah visoke čistoće pripremljen je u vakuumskoj visokotemperaturnoj peći za sinterovanje u atmosferi argona na 1900 ° C.
LihuanWANG i sur. koristili su silicij u prahu (maseni udio 99,999%, čestice 5-10μm) i ugljik u prahu (maseni udio 99,999%, čestice 5-20μm) za sintezu SiC praha visoke čistoće metodom sinteze sagorijevanja srednje frekvencije zagrijavanja.
Li Bin iz Drugog istraživačkog instituta kineske korporacije Electronics Technology Group koristio je metodu samoširenja da bi sintetizirao prah silicijevog karbida za rast monokristala. U eksperimentima je utvrđeno da je čistoća silicijevog karbida u prahu sintetiziranog u uvjetima visokog vakuuma bolja od čistoće silicijevog karbida u prahu sintetiziranog u uvjetima plinova otvorenog nosača. Konkretno, visoki vakuumski uvjeti pomažu u smanjenju koncentracije N u prahu silicij-karbida.
Uz to, monokristali silicij-karbida uzgajani su prahom silicij-karbida sintetiziranim u uvjetima visokog vakuuma. Rezultati su pokazali da su uzgajani monokristali silicij-karbida imali visoku čistoću i izvrsna poluizolacijska svojstva, što je udovoljavalo zahtjevima srodnih uređaja za poluizolacijske podloge. Električni zahtjevi. Može se vidjeti da je prah silicij-karbida sintetiziran u uvjetima visokog vakuuma koristan za rast polu-izolacijskih monokristala silicij-karbida visoke čistoće.
Izgledi za postupak sinteze SiC praha visoke čistoće
Poboljšana metoda samoširenja za sintetiziranje SiC ima relativno malo sirovina i relativno jednostavne postupke. Trenutno je uobičajena metoda koja se koristi u laboratorijima za uzgoj monokristala za sintezu SiC praha. Tijekom postupka sinteze utvrđeno je da različiti parametri procesa sinteze imaju određeni utjecaj na sintetizirani proizvod. .
U budućnosti je potrebno ojačati istraživanje na sljedećim područjima:
1. Dubinsko istraživanje mehanizma procesa sinteze SiC praha visoke čistoće, posebno jačanje temeljnih teorijskih istraživanja učinkovite kontrole veličine, oblika, raspodjele veličine i čistoće čestica praha.
2. Dalje ojačati istraživanje o poboljšanju specifičnog procesa samopropagirajuće sinteze SiC praha, kako bi se pripremio SiC prah visoke čistoće pogodan za rast monokristalnog SiC, dobre kvalitete i visoke čistoće na osnovi jeftinog i jednostavnog postupka Stoga može učinkovito poboljšati kvalitetu rasta SiC supstrata s monokristalima i promovirati razvoj industrije uređaja na bazi SiC-a iz moje zemlje GG.
