Jako jeden z reprezentatywnych materiałów półprzewodników trzeciej generacji, węglik krzemu nadaje się do produkcji zintegrowanych urządzeń elektronicznych o wysokiej temperaturze, wysokiej częstotliwości, antypromisowej, o dużej mocy i wysokiej gęstości. Obecnie pojedynczy kryształowy materiał podłoża węglika krzemu wykorzystywany do produkcji urządzeń jest zazwyczaj uprawiany metodą PVT (Physical Vapor Transport). Badania wykazały, że czystość proszku SiC i inne parametry, takie jak wielkość cząstek i typ kryształu, mają pewien wpływ na jakość pojedynczych kryształów SiC uprawianych metodą PVT, a nawet na jakość kolejnych urządzeń. Ten artykuł koncentruje się głównie na procesie syntezy proszku SiC o wysokiej czystości dla pojedynczego wzrostu kryształu metodą PVT.
Metoda syntezy proszku SiC
Istnieje wiele sposobów syntezy proszku SiC. Ogólnie rzecz biorąc, można go z grubsza podzielić na trzy metody. Pierwszą metodą jest metoda fazy stałej, wśród której reprezentatywna metoda redukcji karbotermalnych, samorozprzestrzeniająca się metoda syntezy wysokiej temperatury i metoda mechanicznego sproszkowania; drugą metodą jest metoda fazy ciekłej, której reprezentatywną metodą jest głównie metoda kleju koagulacyjnego i metoda rozkładu termicznego polimeru; trzecią metodą jest metoda fazy gazowej, w tym metoda osadzania oparów chemicznych, metoda plazmowa i metoda indukcji laserowej.
1. Zalety i wady różnych metod
Proszek z węglika krzemu syntetyzowany metodą fazy stałej jest bardziej ekonomiczny, z szeroką gamą surowców i niskimi cenami i jest łatwy w produkcji przemysłowej. Jednak, proszek węglika krzemu syntetyzowany tą metodą ma wysoką zawartość zanieczyszczeń i niskiej jakości; wysokotemperaturowa metoda samorozmnożenia wykorzystuje wysoką temperaturę daje reagentom początkowe ciepło do rozpoczęcia reakcji chemicznej, a następnie wykorzystuje własne ciepło reakcji chemicznej, aby niereagowane substancje nadal kończyły reakcję chemiczną. Jednakże, ponieważ reakcja chemiczna Si i C emituje mniej ciepła, należy dodać inne dodatki, aby utrzymać reakcję samorozmnożeniową, która nieuchronnie wprowadza elementy zanieczyszczeń, a ta metoda łatwo powoduje nierówną reakcję.
Obecnie technologia syntezy proszku węglika krzemu metodą fazy ciekłej jest stosunkowo dojrzała. Proszek węglika krzemu syntetyzowany metodą fazy ciekłej jest bardzo czysty i nano-wielkości drobny proszek, ale proces jest bardziej skomplikowany i łatwo jest produkować szkodliwe substancje dla organizmu człowieka.
Proszek węglika krzemu syntetyzowany metodą fazy gazowej ma wysoką czystość i mały rozmiar cząstek, co jest powszechną metodą syntezy proszku z węglika krzemu o wysokiej czystości. Jednak ta metoda syntezy ma wysoki koszt i niską wydajność i nie nadaje się do masowej produkcji.
2. Sprzęt do syntezy proszku z węglika krzemu
Sprzęt do syntezy proszku z węglika krzemu służy do przygotowania proszku z węglika krzemu wymaganego do uprawy pojedynczych kryształów węglika krzemu. Wysokiej jakości proszek z węglika krzemu odgrywa ważną rolę w późniejszym wzroście węglika krzemu.
Synteza proszku węglika krzemu przyjmuje bezpośrednią reakcję wysokoczystości proszku węglowego i proszku krzemowego i jest wytwarzana metodą syntezy w wysokiej temperaturze. Głównymi trudnościami technicznymi urządzeń do syntezy proszku z węglika krzemu są wysokiej temperatury i wysokiej próżni uszczelnienia i kontroli, próżni komory chłodzenia wody, próżni i systemów pomiarowych, systemów kontroli elektrycznej, syntezy proszku crucible ogrzewania i technologii sprzęgania.
Obecnie, głównych producentów zagranicznych obejmują Cree, Aymont, itp., a czystość proszku syntetycznego może osiągnąć 99.9995%. Główne jednostki krajowe to Drugi China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda i Chiński Instytut Nauk Ceramicznych. Czystość może osiągnąć 99,999%, a niektóre jednostki mogą osiągnąć 99,9995%.
Metoda syntezy proszku SiC o wysokiej czystości
1. Metoda CVD
Obecnie metody syntezy proszku SiC o wysokiej czystości stosowane do uprawy pojedynczych kryształów obejmują głównie: metodę CVD i ulepszoną metodę syntezy samorozmnowy (zwaną również metodą syntezy w wysokiej temperaturze lub metodą spalania).
Wśród nich, Si źródło syntezy CVD proszku SiC zazwyczaj obejmuje silanu i tetrachlorku krzemu, podczas gdy źródło C na ogół używa tetrachlorku węgla, metan, etylen, acetylen, i propan, podczas gdy dimetyldichlorosilan i tetrametylocylosilsil i tak dalej może zapewnić źródło Si i źródło C w tym samym czasie.
SashiroEzaki et al. wykorzystał metodę CVD, wykorzystując grafit płatkowy jako substrat, chloroetan metylo-wodór jako gaz reakcyjny i gaz nośny, i osadzał folię SiC w temperaturze 1250 ~ 1350 °C, a następnie poprzez procesy utleniania, wytrawiania i sproszkowania, cząstki zostały uzyskane. Proszek SiC o średnicy 200 ~ 1200μm.
Chociaż metoda ta wytwarza proszek SiC o wysokiej czystości, kolejny proces jest skomplikowany, surowce są drogie, a wydajność jest niska.
W.Z.Zhu et al. wykorzystał metodę CVD, wykorzystując silan i acetylen jako gaz reakcyjny, a wodór jako gaz nośny, do syntezy ultra-drobnego i wysokoczystego proszku SiC w temperaturze 1200-1400°C.
AparnaGupta et al. używane heksametylosilan jako źródło reakcji, wodór i argon jako gaz nośny, a także syntetyzowane ultra-drobny i wysokiej czystości proszek SiC w 1050 do 1250 ° C przy użyciu metody CVD.
Członkowie powyższych dwóch grup badawczych wykorzystali metodę CVD do syntezy proszku SiC o wysokiej czystości przy użyciu organicznych źródeł gazu. Jednak syntetyzowany proszek jest nano-poziom ultra-drobnyproszek. Mimo, że ma wysoką czystość, nie jest łatwy do zebrania i nie nadaje się do produkcji na dużą skalę dużych ilości. Synteza czystego proszku SiC nie sprzyja rozwojowi późniejszego uprzemysłowienia.
2. Synteza samorozmnażająca się
Poprzednia samorozmnażająca się metoda syntezy jest metodą zapalania reagenta za pomocą zewnętrznego źródła ogrzewania, a następnie wykorzystania ciepła reakcji chemicznej własnej substancji do tego, aby kolejny proces reakcji chemicznej trwał spontanicznie, a tym samym syntezy materiałów.
Większość tej metody wykorzystuje proszek krzemowy i sadzy jako surowce i dodaje inne aktywatory do bezpośredniego reagowania ze znaczną prędkością w temperaturze 1000-1150 ° C do produkcji proszku SiC. Wprowadzenie aktywatorów nieuchronnie wpłynie na czystość i jakość syntetyzowanych produktów.
W związku z tym, wielu badaczy zaproponowało ulepszoną metodę samorozmnożenia syntezy na tej podstawie. Poprawa polega głównie na unikaniu wprowadzania aktywatorów oraz zapewnieniu ciągłego i skutecznego postępu reakcji syntezy poprzez zwiększenie temperatury syntezy i ciągłe dostarczanie ogrzewania.
Już w 1999 roku japońska firma Bridgestone wykorzystała tetraetysilan jako źródło krzemu i żywicę fenolową jako źródło węgla. Stosując metodę spalania w zakresie 1700-2000 °C, syntetyzował wielkość cząstek 10-500μm, jakość zawartości zanieczyszczeń SiC w proszku o ułamku mniejszym niż 0,5×10-6.
Jednak reagentów tej metody używać substancji organicznych, więc koszt surowców jest stosunkowo wysoki, co nie sprzyja masowej produkcji proszku SiC.
Naukowcy z Instytutu Badań nad Krzemem Chińskiej Akademii Nauk wykorzystali proszek Si i proszek C z frakcjami masowymi surowców 99,9% lub więcej do syntezy 99,999% masy frakcji proszku SiC odpowiedniego do pojedynczego wzrostu kryształu przez reakcję w wysokiej temperaturze w atmosferze Ar.
Ning Lina z Uniwersytetu Shandong i inni równomiernie mieszali proszek Si i proszek C o stosunku molowym 1:1. Stosując metodę reakcji wtórnej, proszek SiC był syntetyzowany w wysokiej temperaturze.
LiWANG i inni używają węgla aktywnego (wielkość cząstek 20-100μm) i grafitu płatkowego (wielkość cząstek 5-25μm) jako źródła węgla (frakcja masowa 99,9%) oraz krzemu o wysokiej czystości jako źródła krzemu (wielkość cząstek 10-270μm, frakcja masowa 99,999%).
Proszek SiC o wysokiej czystości został przygotowany w próżniowym piecu spiekającym w wysokotemperaturowym piecu w atmosferze argonu w temperaturze 1900°C.
LihuanWANG et al. używane proszku krzemowego (frakcja masowa 99.999%, cząstki 5-10μm) i proszku węglowego (frakcja masowa 99.999%, cząstki 5-20μm) do syntezy proszku SiC o wysokiej czystości za pomocą metody syntezy spalania ogrzewania pośredniej częstotliwości.
Li Bin z Drugiego Instytutu Badawczego China Electronics Technology Group Corporation użył metody samorozmnożenia do syntezy proszku węglika krzemu dla wzrostu pojedynczego kryształu. W doświadczeniach stwierdzono, że czystość proszku z węglika krzemu syntetyzowanego w warunkach wysokiej próżni jest lepsza niż w proszku z węglika krzemu syntetyzowanym w otwartych warunkach gazu nośnego. W szczególności wysokie warunki próżniowe pomagają zmniejszyć stężenie N w proszku z węglika krzemu.
Ponadto pojedyncze kryształy z węglika krzemu były uprawiane przy użyciu proszku z węglika krzemu syntetyzowanego w warunkach wysokiej próżni. Wyniki wykazały, że uprawiane pojedyncze kryształy węglika krzemu miały wysoką czystość i doskonałe właściwości półizolacyjne, które spełniały wymagania powiązanych urządzeń do podłoży półizolacyjnych. Wymagania elektryczne. Widać, że proszek z węglika krzemu syntetyzowany w warunkach wysokiej próżni jest korzystny dla wzrostu półizolacyjnych kryształów węglika krzemu o wysokiej czystości.
Perspektywa procesu syntezy wysokiej czystości SiC w proszku
Ulepszona metoda samorozmnażania się do syntezy SiC ma stosunkowo niskie surowce i stosunkowo proste procedury. Obecnie jest to powszechna metoda stosowana w laboratoriach do uprawy pojedynczych kryształów do syntezy proszku SiC. Podczas procesu syntezy, okazuje się, że różne parametry procesu syntezy mają pewien wpływ na syntetyzowany produkt. .
W przyszłości należy wzmocnić badania w następujących obszarach:
1. Dogłębne badania nad mechanizmem procesu syntezy proszku SiC o wysokiej czystości, w szczególności wzmacniające podstawowe badania teoretyczne nad skuteczną kontrolą wielkości, kształtu, rozkładu cząstek i czystości.
2. Dalsze wzmocnienie badań nad poprawą konkretnego procesu samorozmnażającej się syntezy proszku SiC, w celu przygotowania proszku SiC o wysokiej czystości odpowiedniego do wzrostu SiC o pojedynczej krystale o dobrej jakości i wysokiej czystości w oparciu o niski koszt i prosty proces W związku z tym może skutecznie poprawić jakość wzrostu pojedynczych substratów kryształowych SiC i promować rozwój urządzeń przemysłowych opartych na SiC w moim kraju.
