Kot eden izmed reprezentativnih materialov polprevodnikov tretje generacije je silicijev karbid primeren za izdelavo integriranih elektronskih naprav z visoko temperaturo, visoko frekvenco, sevanjem in visoko gostoto. Trenutno se monokristalni substrat iz silicijevega karbida, ki se uporablja pri proizvodnji naprav, običajno goji po metodi PVT (Physical Vapor Transport). Študije so pokazale, da čistost prahu SiC in drugi parametri, kot so velikost delcev in vrsta kristalov, vplivajo na kakovost monokristalov SiC, vzgojenih s PVT metodo, in celo na kakovost nadaljnjih naprav. Ta članek se osredotoča predvsem na postopek sinteze SiC prahu visoke čistosti za rast monokristalov po PVT metodi.
Metoda sinteze SiC v prahu
Obstaja veliko načinov za sintezo prahu SiC. Na splošno ga lahko približno razdelimo na tri metode. Prva metoda je metoda v trdni fazi, med katero sta reprezentativna metoda karbotermalne redukcije, metoda samorazmnoževanja pri visokotemperaturni sintezi in metoda mehanskega prašenja; druga metoda je metoda v tekoči fazi, katere reprezentativna metoda je v glavnem sol-koagulacijska metoda lepila in metoda termične razgradnje polimerov; tretja metoda je metoda plinske faze, vključno z metodo nanašanja kemičnih hlapov, plazemsko metodo in metodo laserske indukcije.
1. Prednosti in slabosti različnih metod
Prah silicijevega karbida, sintetiziran po trdni fazi, je bolj ekonomičen, s široko paleto surovin in nizkimi cenami ter enostaven za industrijsko proizvodnjo. Vendar pa ima silicijev karbid v prahu, sintetiziran s to metodo, visoko vsebnost nečistoč in nizko kakovost; visokotemperaturna metoda samorazmnoževanja uporablja Visoka temperatura daje reaktantom začetno toploto za začetek kemične reakcije, nato pa s svojo toploto kemijske reakcije poskrbi, da nereagirane snovi še naprej zaključujejo kemijsko reakcijo. Ker pa kemična reakcija Si in C oddaja manj toplote, je treba za vzdrževanje samorazmnoževalne reakcije dodati druge dodatke, ki neizogibno vnašajo nečistoče in ta metoda zlahka povzroči neenakomerno reakcijo.
Trenutno je tehnologija sinteze prahu silicijevega karbida po tekoči fazi relativno zrela. Prah silicijevega karbida, sintetiziran po tekoči fazi, je zelo čist in nano velik fin prah, vendar je postopek bolj zapleten in v človeškem telesu je enostavno proizvesti škodljive snovi.
Prah silicijevega karbida, sintetiziran po metodi plinske faze, ima visoko čistost in majhno velikost delcev, kar je običajna metoda za sintezo prahu silicijevega karbida visoke čistosti. Vendar ima ta metoda sinteze visoke stroške in nizek donos ter ni primerna za množično proizvodnjo.
2. Oprema za sintezo prahu silicijevega karbida
Oprema za sintezo silicijevega karbida v prahu se uporablja za pripravo prahu silicijevega karbida, potrebnega za gojenje monokristalov silicijevega karbida. Kakovostni prah silicijevega karbida igra pomembno vlogo pri nadaljnji rasti silicijevega karbida.
Sinteza silicijevega karbida v prahu sprejme neposredno reakcijo ogljikovega prahu in silicijevega prahu z visoko čistostjo in se proizvaja z visokotemperaturno metodo sinteze. Glavne tehnične težave opreme za sintezo prahu iz silicijevega karbida so visokotemperaturno in visoko vakuumsko tesnjenje in krmiljenje, vodno hlajenje v vakuumski komori, vakuumski in merilni sistemi, električni krmilni sistemi, tehnologija ogrevanja lončkov in tehnologija spenjanja v sintetičnem prahu.
Trenutno največji tuji proizvajalci vključujejo Cree, Aymont itd., Čistost sintetičnega prahu pa lahko doseže 99,9995%. Glavne domače enote vključujejo Drugi kitajski inštitut za raziskave električne energije, Shandong Tianyue, Tianke Heda in Inštitut za keramiko Kitajske akademije znanosti. Čistost lahko na splošno doseže 99,999%, nekatere enote pa 99,9995%.
Metoda sinteze prahu SiC visoke čistosti
1. CVD metoda
Trenutno metode sinteze prahu SiC visoke čistosti, ki se uporablja za gojenje monokristalov, v glavnem vključujejo: CVD metodo in izboljšano samorazmnoževalno sintezno metodo (imenovano tudi visokotemperaturna sintezna metoda ali zgorevalna metoda).
Med njimi vir Si za sintezo CVD prahu SiC na splošno vključuje silan in silicijev tetraklorid, medtem ko vir C običajno uporablja ogljikov tetraklorid, metan, etilen, acetilen in propan, medtem ko lahko dimetildiklorosilan in tetrametilsilan itd. Zagotavljajo vir Si in C vir hkrati.
SashiroEzaki et al. uporabil CVD metodo, pri čemer je uporabil grafit kosmičev kot substrat, metil kloroetan / vodik kot reakcijski plin in nosilec plina ter nanesel SiC film pri 1250 ～ 1350 ℃, nato pa smo s postopki oksidacije, luženja in prašenja dobili delce . SiC prah s premerom 200 × 1200 μm.
Čeprav ta metoda proizvaja SiC prah visoke čistosti, je nadaljnji postopek zapleten, surovine drage in donos nizek.
WZZhu et al. je uporabil CVD metodo z uporabo silana in acetilena kot reakcijskega plina in vodika kot nosilnega plina za sintezo ultrafinega in visokočistnega SiC praška pri 1200-1400 ° C.
AparnaGupta in sod. uporabil heksametilsilan kot reakcijski vir, vodik in argon kot nosilni plin, sintetiziral pa je tudi zelo fin in SiC prah visoke čistosti pri 1050 do 1250 ° C z uporabo metode CVD.
Člani zgornjih dveh raziskovalnih skupin so s pomočjo metode CVD sintetizirali SiC prah visoke čistosti z uporabo organskih virov plina. Vendar pa je sintetizirani prah nanometrski ultrafini prah. Čeprav je zelo čist, ga ni enostavno zbirati in ni primeren za velikoserijsko proizvodnjo. Sinteza čistega prahu SiC ni ugodna za razvoj kasnejše industrializacije.
2. Samorazmnoževalna sinteza
Prejšnja metoda samorazmnoževalne sinteze je metoda vžiga reaktantnega telesa z zunanjim ogrevalnim virom in nato s pomočjo kemijske reakcijske toplote lastne snovi, da se nadaljnji postopek kemične reakcije spontano nadaljuje in s tem sintetizira materiale.
Večina te metode kot surovine uporablja silicijev prah in saj in dodaja druge aktivatorje, ki neposredno reagirajo s pomembno hitrostjo pri 1000-1150 ° C, da nastane SiC prah. Uvedba aktivatorjev bo neizogibno vplivala na čistost in kakovost sintetiziranih izdelkov.
Zato so številni raziskovalci na tej podlagi predlagali izboljšano metodo samorazmnoževanja sinteze. Izboljšanje je predvsem v izogibanje uvajanju aktivatorjev in zagotavljanje stalnega in učinkovitega napredka sintezne reakcije s povečevanjem temperature sinteze in nenehnim dovajanjem ogrevanja.
Že leta 1999 je japonsko podjetje Bridgestone kot vir silicija uporabljalo tetraetoksisilan, kot vir ogljika pa fenolno smolo. Z uporabo metode zgorevanja v območju 1700-2000 ℃, sintetiziranih velikost delcev 10-500μm, kakovost nečistoč vsebnost SiC prahu z frakcijo nižjo od 0,5 × 10-6.
Vendar pa se v reaktantih te metode uporabljajo organske snovi, zato so stroški surovin razmeroma visoki, kar ni ugodno za množično proizvodnjo SiC prahu.
Raziskovalci z Inštituta za raziskave silicija Kitajske akademije znanosti so uporabili prah Si in prah C z masnimi deleži surovin 99,9% ali več za sintezo 99,999% masnega deleža SiC prahu, primernega za rast monokristalov z visokotemperaturno reakcijo v Ar vzdušje.
Ning Lina z univerze Shandong in drugi enakomerno mešajo prah Si in prah C z molskim razmerjem 1: 1. S sekundarno reakcijsko metodo smo sintetizirali prah SiC pri visoki temperaturi.
LiWANG in drugi uporabljajo aktivno oglje (velikost delcev 20-100μm) in grafit kosmičev (velikost delcev 5-25μm) kot vir ogljika (masni delež 99,9%) in silicij visoke čistosti kot vir silicija (velikost delcev 10-270μm, masni delež 99,999%)).
SiC v prahu visoke čistosti smo pripravili v vakuumski visokotemperaturni sintrajoči peči v atmosferi argona pri 1900 ℃.
LihuanWANG et al. uporabil silicijev prah (masni delež 99,999%, delci 5-10μm) in ogljikov prah (masni delež 99,999%, delci 5-20μm) za sintetiziranje prahu SiC visoke čistosti z metodo sinteze zgorevanja z vmesno frekvenco ogrevanja.
Li Bin iz Drugega raziskovalnega inštituta China Electronics Technology Group Corporation je uporabil samorazmnoževalno metodo za sintezo prahu silicijevega karbida za rast monokristalov. V poskusih je bilo ugotovljeno, da je čistost silicijevega karbida v prahu, sintetiziranega v pogojih visokega vakuuma, boljša od čistosti silicijevega karbida v prahu, sintetiziranega v pogojih odprtega nosilnega plina. Zlasti visoki vakuumski pogoji pomagajo zmanjšati koncentracijo N v prahu silicijevega karbida.
Poleg tega smo monokristale silicijevega karbida gojili s prahom silicijevega karbida, sintetiziranim v pogojih visokega vakuuma. Rezultati so pokazali, da imajo gojeni monokristali silicijevega karbida visoko čistost in odlične polizolacijske lastnosti, kar ustreza zahtevam sorodnih naprav za polizolacijske podlage. Električne zahteve. Vidimo lahko, da je prah silicijevega karbida, sintetiziran v pogojih visokega vakuuma, koristen za rast polčističnih polizolacijskih monokristalov silicijevega karbida.
Možnost sinteznega procesa SiC prahu visoke čistosti
Izboljšana metoda samorazmnoževanja za sintetiziranje SiC ima razmeroma nizke surovine in razmeroma enostavne postopke. Trenutno je običajna metoda, ki se uporablja v laboratorijih za gojenje monokristalov za sintezo SiC prahu. Med postopkom sinteze je bilo ugotovljeno, da imajo različni parametri procesa sinteze določen vpliv na sintetiziran produkt. .
V prihodnosti je treba raziskave okrepiti na naslednjih področjih:
1. Poglobljene raziskave mehanizma postopka sinteze prahu SiC z visoko čistostjo, zlasti krepitev temeljnih teoretičnih raziskav o učinkovitem nadzoru velikosti, oblike, porazdelitve in čistosti delcev v prahu.
2. Nadalje okrepiti raziskave o izboljšanju specifičnega postopka samorazmnoževalne sinteze prahu SiC, da se na osnovi poceni in enostavnega postopka pripravi prah SiC visoke čistosti, primeren za rast monokristalnega SiC, dobre kakovosti in visoke čistosti. Zato lahko učinkovito izboljša kakovost rasti substratov z monokristali SiC in spodbuja razvoj industrije naprav na osnovi SiC v moji državi&# 39.
