Ako jeden z reprezentatívnych materiálov polovodičov tretej generácie je karbid kremíka vhodný na výrobu vysokoteplotných, vysokofrekvenčných, radiačných, vysokovýkonných a vysokohustotných integrovaných elektronických zariadení. V súčasnosti sa substrátový materiál z monokryštálu karbidu kremíka používaný pri výrobe zariadení všeobecne pestuje metódou PVT (Physical Vapor Transport). Štúdie preukázali, že čistota prášku SiC a ďalšie parametre, ako je veľkosť častíc a typ kryštálov, majú určitý vplyv na kvalitu monokryštálov SiC vypestovaných metódou PVT a dokonca aj na kvalitu nasledujúcich zariadení. Tento článok sa zameriava hlavne na proces syntézy vysoko čistého prášku SiC pre rast monokryštálov metódou PVT.
Metóda práškovej syntézy SiC
Existuje mnoho spôsobov, ako syntetizovať prášok SiC. Všeobecne to možno zhruba rozdeliť do troch metód. Prvou metódou je metóda na pevnej fáze, medzi ktorú patrí metóda reprezentatívnej karbotermálnej redukcie, metóda samorozmnožovania pri vysokej teplote a metóda mechanického práškovania; druhou metódou je metóda v kvapalnej fáze, ktorej reprezentatívnou metódou je hlavne metóda sol-koagulácie Lepiaca metóda a metóda tepelného rozkladu polyméru; treťou metódou je metóda v plynnej fáze vrátane metódy chemického vylučovania z plynnej fázy, plazmovej metódy a metódy laserovej indukcie.
1. Výhody a nevýhody rôznych metód
Prášok z karbidu kremíka syntetizovaný metódou na pevnej fáze je ekonomickejší, so širokou škálou surovín a nízkymi cenami a ľahko sa priemyselne vyrába. Avšak prášok karbidu kremíka syntetizovaný touto metódou má vysoký obsah nečistôt a nízku kvalitu; vysokoteplotná samorozmnožovacia metóda využíva. Vysoká teplota dáva reaktantom počiatočné teplo na zahájenie chemickej reakcie a potom využíva svoje vlastné chemické reakčné teplo, aby nezreagované látky pokračovali v dokončení chemickej reakcie. Pretože však chemická reakcia Si a C vyžaruje menej tepla, musia sa pridať ďalšie prísady, aby sa udržala samorozmnožujúca sa reakcia, ktorá nevyhnutne zavádza prvky nečistoty, a tento spôsob ľahko spôsobí nerovnomernú reakciu.
V súčasnosti je technológia syntézy prášku karbidu kremíka metódou v kvapalnej fáze pomerne vyspelá. Prášok z karbidu kremíka syntetizovaný metódou v kvapalnej fáze je vysoko čistý a jemný prášok veľkosti nano, ale proces je komplikovanejší a je ľahké produkovať škodlivé látky pre ľudské telo.
Prášok z karbidu kremíka syntetizovaný metódou v plynnej fáze má vysokú čistotu a malú veľkosť častíc, čo je bežná metóda na syntézu vysoko čistého prášku z karbidu kremíka. Avšak tento spôsob syntézy má vysoké náklady a nízky výťažok a nie je vhodný na hromadnú výrobu.
2. Zariadenie na práškovú syntézu karbidu kremíka
Zariadenia na syntézu práškov karbidu kremíka sa používajú na prípravu prášku karbidu kremíka potrebného na pestovanie monokryštálov karbidu kremíka. Vysokokvalitný prášok z karbidu kremíka hrá dôležitú úlohu v následnom raste karbidu kremíka.
Pri syntéze prášku karbidu kremíka sa využíva priama reakcia vysoko čistého uhlíkového prášku a kremíkového prášku a vyrába sa metódou vysokoteplotnej syntézy. Hlavnými technickými ťažkosťami zariadení na práškovú syntézu karbidu kremíka sú vysokoteplotné a vákuové utesnenie a riadenie, vákuové chladenie vody vo vákuu, vákuové a meracie systémy, elektrické riadiace systémy, technológia ohrevu téglika na práškovú syntézu a spojovacia technológia.
V súčasnosti patria medzi významných zahraničných výrobcov spoločnosti Cree, Aymont atď. A čistota syntetického prášku môže dosiahnuť 99,9995%. Medzi hlavné domáce jednotky patrí Druhý čínsky inštitút pre výskum elektrickej energie, Shandong Tianyue, Tianke Heda a Keramický inštitút Čínskej akadémie vied. Čistota môže všeobecne dosiahnuť 99,999% a niektoré jednotky môžu dosiahnuť 99,9995%.
Metóda vysoko čistej práškovej syntézy SiC
1. metóda CVD
V súčasnosti syntetické metódy vysoko čistého prášku SiC, ktoré sa používajú na pestovanie monokryštálov, zahŕňajú hlavne: metódu CVD a vylepšenú metódu samorozmnožovania (tiež nazývanú metóda vysokoteplotnej syntézy alebo metóda spaľovania).
Medzi nimi, zdroj Si pre CVD syntézu prášku SiC všeobecne zahrnuje silán a tetrachlórmetán, zatiaľ čo zdroj C všeobecne používa tetrachlórmetán, metán, etylén, acetylén a propán, zatiaľ čo dimetyldichlórsilán a tetrametylsilán atď. Môžu poskytovať zdroj Si a C zdroj zároveň.
SashiroEzaki a kol. použila metódu CVD, pričom ako substrát použil vločkový grafit, ako reakčný plyn a nosný plyn metylchlóretán / vodík a nanesila vrstvu SiC na 1250 50 1350 ℃ a potom procesom oxidácie, morenia a práškovania boli získané častice . SiC prášok s priemerom 200 ～ 1200 μm.
Aj keď táto metóda poskytuje vysoko čistý prášok SiC, následný proces je komplikovaný, suroviny sú drahé a výťažok je nízky.
WZZhu a kol. použila metódu CVD, pričom ako reakčný plyn použila silán a acetylén a ako nosný plyn vodík, na syntézu ultrajemného a vysoko čistého prášku SiC pri teplote 1200 - 1400 ° C.
AparnaGupta a kol. použil hexametylsilán ako zdroj reakcie, vodík a argón ako nosný plyn a tiež syntetizoval ultrajemný a vysoko čistý prášok SiC pri 1050 až 1250 ° C pomocou metódy CVD.
Členovia vyššie uvedených dvoch výskumných skupín použili metódu CVD na syntézu vysoko čistého prášku SiC pomocou zdrojov organického plynu. Syntetizovaný prášok je však nanoúrovňový ultrajemný prášok. Aj keď má vysokú čistotu, nie je ľahké ho zhromaždiť a nie je vhodný na veľkosériovú výrobu. Syntéza čistého prášku SiC neprispieva k rozvoju neskoršej industrializácie.
2. Samorozmnožujúca sa syntéza
Predchádzajúca metóda samorozmnožovania sa syntézou je metóda zapálenia tela reaktantu externým zdrojom tepla a potom použitie chemického reakčného tepla jeho vlastnej látky na spontánne pokračovanie procesu chemickej reakcie, čím sa syntetizujú materiály.
Väčšina z tejto metódy používa ako surovinu kremíkový prášok a sadze a pridáva ďalšie aktivátory, ktoré priamo reagujú pri vysokej rýchlosti pri teplote 1 000 - 1 150 ° C za vzniku prášku SiC. Zavedenie aktivátorov nevyhnutne ovplyvní čistotu a kvalitu syntetizovaných produktov.
Mnoho vedcov preto na tomto základe navrhlo zdokonalenú metódu samorozmnožovania. Zlepšenie spočíva hlavne v tom, aby sa zabránilo zavedeniu aktivátorov a aby sa zabezpečil nepretržitý a efektívny priebeh syntéznej reakcie zvyšovaním teploty syntézy a kontinuálnym dodávaním tepla.
Už v roku 1999 použila japonská spoločnosť Bridgestone Company ako zdroj kremíka tetraetoxysilán a ako zdroj uhlíka fenolovú živicu. Použitím metódy spaľovania v rozmedzí 1700-2000 ° C sa syntetizovala veľkosť častíc 10 - 500 μm, kvalita nečistôt obsah prášku SiC s frakciou nižšou ako 0,5 × 10-6.
Reaktanty tejto metódy však používajú organické látky, takže náklady na suroviny sú pomerne vysoké, čo nepodporuje hromadnú výrobu prášku SiC.
Vedci z Inštitútu pre výskum kremíka Čínskej akadémie vied použili Si prášok a C prášok s hmotnostnými frakciami suroviny 99,9% alebo viac na syntetizáciu 99,999% hmotnostného podielu práškového SiC vhodného na rast monokryštálov vysokoteplotnou reakciou v Ar atmosféra.
Ning Lina zo Shandong University a ďalší rovnomerne zmiešali Si prášok a C prášok s molárnym pomerom 1: 1. Použitím metódy sekundárnej reakcie sa prášok SiC syntetizoval pri vysokej teplote.
LiWANG a ďalší používajú ako zdroj uhlíka aktívne uhlie (veľkosť častíc 20 - 100 μm) a vločkový grafit (veľkosť častíc 5 - 25 μm) (hmotnostný zlomok 99,9%) a ako zdroj kremíka vysoko čistý kremík (veľkosť častíc 10 - 270 μm, hmotnostný podiel) 99,999%)).
Vysoko čistý prášok SiC sa pripravil vo vákuovej vysokoteplotnej sintrovacej peci v atmosfére argónu pri teplote 1900 ° C.
LihuanWANG a kol. použitý kremíkový prášok (hmotnostná frakcia 99,999%, častice 5 - 10 μm) a uhlíkový prášok (hmotnostná frakcia 99,999%, častice 5 - 20 μm) na syntézu vysoko čistého prášku SiC metódou syntézy spaľovania s medzifrekvenčným ohrevom.
Li Bin z Druhého výskumného ústavu spoločnosti China Electronics Technology Group Corporation použil samomnožiacu sa metódu na syntézu prášku z karbidu kremíka na rast monokryštálov. V experimentoch sa zistilo, že čistota prášku karbidu kremíka syntetizovaného za podmienok vysokého vákua je lepšia ako čistota prášku karbidu kremíka syntetizovaného za podmienok otvoreného nosného plynu. Najmä podmienky vysokého vákua pomáhajú znižovať koncentráciu N v prášku z karbidu kremíka.
Ďalej sa monokryštály karbidu kremíka pestovali s použitím prášku karbidu kremíka syntetizovaného za podmienok vysokého vákua. Výsledky ukázali, že vypestované monokryštály karbidu kremíka mali vysokú čistotu a vynikajúce poloizolačné vlastnosti, čo zodpovedalo požiadavkám súvisiacich zariadení na poloizolačné podklady. Elektrické požiadavky. Je zrejmé, že prášok karbidu kremíka syntetizovaný za podmienok vysokého vákua je prospešný pre rast vysokočistých poloizolačných monokryštálov karbidu kremíka.
Perspektíva procesu syntézy vysoko čistého prášku SiC
Vylepšená samorozmnožovacia metóda na syntézu SiC má relatívne nízku surovinu a relatívne jednoduché postupy. V súčasnosti je bežnou metódou používanou v laboratóriách na pestovanie monokryštálov na syntézu prášku SiC. Počas procesu syntézy sa zistilo, že rôzne parametre procesu syntézy majú určitý vplyv na syntetizovaný produkt. .
V budúcnosti bude potrebné posilniť výskum v týchto oblastiach:
1. Hĺbkový výskum mechanizmu procesu syntézy práškov SiC vysokej čistoty, najmä posilnenie základného teoretického výskumu efektívnej kontroly veľkosti, tvaru, distribúcie veľkosti častíc a čistoty práškových častíc.
2. Ďalej posilňovať výskum zameraný na zlepšenie špecifického procesu samorozmnožovacej syntézy prášku SiC s cieľom pripraviť vysoko čistý prášok SiC vhodný na rast monokryštálu SiC s dobrou kvalitou a vysokou čistotou na základe nízkych nákladov a jednoduchého postupu. Preto môže efektívne zlepšiť kvalitu rastu substrátov monokryštálu SiC a podporiť rozvoj odvetvia zariadení na báze SiC v mojej krajine&# 39.
