Jako jeden z reprezentativních materiálů polovodičů třetí generace je karbid křemíku vhodný pro výrobu vysokoteplotních, vysokofrekvenčních, protiradiačních, vysokovýkonných a vysokohustotních integrovaných elektronických zařízení. V současnosti se materiál monokrystalického substrátu z karbidu křemíku používaný při výrobě zařízení obecně pěstuje metodou PVT (Physical Vapor Transport). Studie prokázaly, že čistota prášku SiC a další parametry, jako je velikost částic a typ krystalu, mají určitý dopad na kvalitu monokrystalů SiC pěstovaných metodou PVT a dokonce na kvalitu následných zařízení. Tento článek se zaměřuje hlavně na proces syntézy vysoce čistého prášku SiC pro růst monokrystalů metodou PVT.
Metoda práškové syntézy SiC
Existuje mnoho způsobů, jak syntetizovat prášek SiC. Obecně to lze zhruba rozdělit do tří metod. První metodou je metoda na pevné fázi, mezi nimiž je reprezentativní metoda karbotermální redukce, samorozmnožovací metoda vysokoteplotní syntézy a metoda mechanické práškování; druhou metodou je metoda v kapalné fázi, jejíž reprezentativní metodou je zejména metoda sol-koagulace Glue a metoda tepelného rozkladu polymeru; třetí metodou je metoda v plynné fázi, včetně metody chemické depozice z plynné fáze, plazmové metody a metody laserové indukce.
1. Výhody a nevýhody různých metod
Prášek z karbidu křemíku syntetizovaný metodou na pevné fázi je ekonomičtější, se širokou škálou surovin a nízkými cenami a snadno se průmyslově vyrábí. Avšak prášek karbidu křemíku syntetizovaný touto metodou má vysoký obsah nečistot a nízkou kvalitu; vysokoteplotní samorozmnožovací metoda využívá Vysoká teplota dává reaktantům počáteční teplo k zahájení chemické reakce a poté využívá své vlastní chemické reakční teplo k tomu, aby nezreagované látky pokračovaly v dokončení chemické reakce. Jelikož však chemická reakce Si a C vyzařuje méně tepla, musí se přidat další přísady, aby se zachovala samovolně se množící reakce, která nevyhnutelně zavádí prvky nečistot, a tato metoda snadno způsobuje nerovnoměrnou reakci.
V současné době je technologie pro syntézu prášku karbidu křemíku metodou v kapalné fázi poměrně vyspělá. Prášek z karbidu křemíku syntetizovaný metodou v kapalné fázi je vysoce čistý jemný prášek o velikosti nano, ale proces je komplikovanější a je snadné produkovat škodlivé látky pro lidské tělo.
Prášek z karbidu křemíku syntetizovaný metodou v plynné fázi má vysokou čistotu a malou velikost částic, což je běžná metoda pro syntézu vysoce čistého prášku z karbidu křemíku. Tato metoda syntézy má však vysoké náklady a nízký výtěžek a není vhodná pro hromadnou výrobu.
2. Zařízení pro syntézu prášku z karbidu křemíku
Zařízení pro syntézu prášku z karbidu křemíku se používá k přípravě prášku z karbidu křemíku potřebného pro pěstování monokrystalů z karbidu křemíku. Vysoce kvalitní prášek z karbidu křemíku hraje důležitou roli v následném růstu karbidu křemíku.
Syntéza prášku z karbidu křemíku využívá přímou reakci vysoce čistého uhlíkového prášku a křemíkového prášku a je vyráběna metodou vysokoteplotní syntézy. Hlavními technickými obtížemi zařízení na práškovou syntézu karbidu křemíku jsou vysokoteplotní a vysokotlaké utěsnění a řízení, vodní chlazení vakuové komory, vakuové a měřicí systémy, elektrické řídicí systémy, technologie ohřevu kelímku a spojovací technologie.
V současné době patří mezi významné zahraniční výrobce společnosti Cree, Aymont atd. A čistota syntetického prášku může dosáhnout 99,9995%. Mezi hlavní domácí jednotky patří Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda a Čínská akademie věd Institute of Ceramics. Čistota může obecně dosáhnout 99,999% a některé jednotky mohou dosáhnout 99,9995%.
Vysoce čistá metoda práškové syntézy SiC
1. Metoda CVD
V současné době zahrnují metody syntézy vysoce čistého prášku SiC používané k pěstování monokrystalů: metodu CVD a vylepšenou metodu samovolného šíření (také nazývanou metoda vysokoteplotní syntézy nebo metoda spalování).
Mezi nimi zdroj Si pro CVD syntézu prášku SiC obecně zahrnuje silan a tetrachlorid křemičitý, zatímco zdroj C obecně používá chlorid uhličitý, methan, ethylen, acetylen a propan, zatímco dimethyldichlorsilan a tetramethylsilan atd. Mohou poskytovat zdroj Si a C zdroj současně.
SashiroEzaki a kol. použila metodu CVD s použitím vločkového grafitu jako substrátu, methylenchlorethanu / vodíku jako reakčního plynu a nosného plynu a nanesla SiC film na 1250 × 1350 °, a poté pomocí oxidace, moření a práškování byly získány částice . SiC prášek o průměru 200 x 1200 μm.
Ačkoli tato metoda produkuje vysoce čistý prášek SiC, následný proces je komplikovaný, suroviny jsou drahé a výtěžek je nízký.
WZZhu et al. použila metodu CVD, přičemž jako reakční plyn použil silan a acetylen a jako nosný plyn vodík, k syntéze ultrajemného a vysoce čistého prášku SiC při teplotě 1200 - 1400 ° C.
AparnaGupta et al. použil hexamethylsilan jako zdroj reakce, vodík a argon jako nosný plyn a také syntetizoval ultrajemný a vysoce čistý prášek SiC při 1050 až 1250 ° C pomocí metody CVD.
Členové výše uvedených dvou výzkumných skupin použili metodu CVD k syntéze vysoce čistého prášku SiC pomocí zdrojů organického plynu. Syntetizovaný prášek je však nanoúrovňový ultrajemný prášek. Ačkoli má vysokou čistotu, není snadné jej sbírat a není vhodný pro velkovýrobu ve velkém. Syntéza čistého prášku SiC nepřispívá k rozvoji pozdější industrializace.
2. Samo se množící syntéza
Předchozí metoda samovolně se množící syntézy je metoda zapálení těla reaktantu externím zdrojem ohřevu a poté použití chemického reakčního tepla jeho vlastní látky, aby následný proces chemické reakce spontánně pokračoval, čímž se syntetizují materiály.
Většina z této metody používá jako surovinu křemíkový prášek a saze a přidává další aktivátory, které přímo reagují významnou rychlostí při 1000 až 1150 ° C za vzniku prášku SiC. Zavedení aktivátorů nevyhnutelně ovlivní čistotu a kvalitu syntetizovaných produktů.
Mnoho vědců proto na tomto základě navrhlo vylepšenou metodu samovolného šíření. Zlepšení spočívá zejména v zamezení zavedení aktivátorů a v zajištění nepřetržitého a účinného postupu syntézní reakce zvýšením teploty syntézy a nepřetržitým dodáváním tepla.
Již v roce 1999 použila japonská společnost Bridgestone Company jako zdroj křemíku tetraethoxysilan a jako zdroj uhlíku fenolovou pryskyřici. Použitím metody spalování v rozmezí 1700-2000 ° C syntetizoval velikost částic 10-500 μm, kvalitu nečistot obsah prášku SiC s frakcí nižší než 0,5 × 10-6.
Reaktanty této metody však používají organické látky, takže náklady na suroviny jsou relativně vysoké, což nepřispívá k hromadné výrobě prášku SiC.
Vědci z Ústavu pro výzkum křemíku Čínské akademie věd použili prášek Si a prášek C s hmotnostními frakcemi surovin 99,9% nebo více k syntéze 99,999% hmotnostního podílu prášku SiC vhodného pro růst monokrystalů vysokoteplotní reakcí v Ar atmosféra.
Ning Lina ze Shandong University a další rovnoměrně mísili Si prášek a C prášek s molárním poměrem 1: 1. Použitím metody sekundární reakce byl SiC prášek syntetizován při vysoké teplotě.
LiWANG a další používají jako zdroj uhlíku aktivní uhlí (velikost částic 20 - 100 μm) a vločkový grafit (velikost částic 5 - 25 μm) (hmotnostní podíl 99,9%) a jako zdroj křemíku vysoce čistý křemík (velikost částic 10 - 270 μm, hmotnostní podíl) 99,999%)).
Vysoce čistý prášek SiC byl připraven ve vakuové vysokoteplotní slinovací peci v atmosféře argonu při teplotě 1900 ° C.
LihuanWANG et al. použitý křemíkový prášek (hmotnostní zlomek 99,999%, částice 5-10 μm) a uhlíkový prášek (hmotnostní podíl 99,999%, částice 5-20 μm) k syntéze vysoce čistého prášku SiC metodou syntézy spalování s mezifrekvenčním ohřevem.
Li Bin z Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation použil samorozmnožovací metodu k syntéze prášku karbidu křemíku pro růst monokrystalů. V experimentech bylo zjištěno, že čistota prášku karbidu křemíku syntetizovaného za podmínek vysokého vakua je lepší než čistota prášku karbidu křemíku syntetizovaného za podmínek otevřeného nosného plynu. Zejména podmínky vysokého vakua pomáhají snižovat koncentraci N v prášku z karbidu křemíku.
Kromě toho byly jednotlivé krystaly karbidu křemíku pěstovány za použití prášku karbidu křemíku syntetizovaného za podmínek vysokého vakua. Výsledky ukázaly, že narostlé monokrystaly karbidu křemíku měly vysokou čistotu a vynikající poloizolační vlastnosti, které splňovaly požadavky souvisejících zařízení na poloizolační substráty. Elektrické požadavky. Je vidět, že prášek karbidu křemíku syntetizovaný za podmínek vysokého vakua je prospěšný pro růst vysoce čistých poloizolačních monokrystalů karbidu křemíku.
Perspektiva procesu syntézy vysoce čistého prášku SiC
Vylepšená samorozmnožovací metoda pro syntézu SiC má relativně nízké suroviny a relativně jednoduché postupy. V současné době je běžnou metodou používanou v laboratořích k pěstování monokrystalů k syntéze prášku SiC. Během procesu syntézy se zjistilo, že různé parametry procesu syntézy mají určitý vliv na syntetizovaný produkt. .
V budoucnu bude třeba posílit výzkum v následujících oblastech:
1. Hloubkový výzkum mechanismu procesu práškové syntézy vysoce čistého SiC, zejména posílení základního teoretického výzkumu účinné kontroly velikosti, tvaru, distribuce velikosti a čistoty práškových částic.
2. Dále posilovat výzkum zaměřený na zlepšení specifického procesu samorozmnožovací syntézy prášku SiC za účelem přípravy vysoce čistého prášku SiC vhodného pro růst monokrystalického SiC s dobrou kvalitou a vysokou čistotou na základě levných a jednoduchých postupů Proto může účinně zlepšit kvalitu růstu SiC monokrystalických substrátů a podpořit rozvoj odvětví zařízení na bázi SiC v mé zemi&# 39.
