A harmadik generációs félvezetők egyik reprezentatív anyagaként a szilícium-karbid alkalmas magas hőmérsékletű, nagyfrekvenciás, sugárzásgátló, nagy teljesítményű és nagy sűrűségű integrált elektronikai eszközök gyártására. Jelenleg az eszközök gyártásához használt szilícium-karbid monokristályos szubsztrát anyagot általában PVT (Physical Vapor Transport) módszerrel növesztik. Tanulmányok kimutatták, hogy az SiC-por tisztasága és egyéb paraméterek, például a részecskeméret és a kristálytípus bizonyos hatással vannak a PVT-módszerrel termesztett SiC-monokristályok minőségére, sőt a későbbi eszközök minőségére is. Ez a cikk főként az egykristályos tenyésztéshez szükséges nagy tisztaságú SiC por szintézisének folyamatára összpontosít PVT módszerrel.
SiC por szintézis módszer
Az SiC por szintézisének számos módja van. Általánosságban elmondható, hogy nagyjából három módszerre osztható. Az első módszer a szilárd fázisú módszer, amelyek között a reprezentatív karbotermikus redukciós módszer, az önszaporító magas hőmérsékletű szintézis módszer és a mechanikai porlasztási módszer; a második módszer a folyékony fázisú módszer, amelynek reprezentatív módszere főleg a szol-koagulációs Ragasztás-módszer és a polimer termikus bontási módszer; a harmadik módszer a gázfázisú módszer, ideértve a kémiai gőzleválasztási módszert, a plazma módszert és a lézeres indukciós módszert.
1. A különféle módszerek előnyei és hátrányai
A szilárd fázisú módszerrel szintetizált szilícium-karbid por gazdaságosabb, széles alapanyag-választékkal és alacsony árakkal rendelkezik, és iparilag könnyen előállítható. Az ezzel a módszerrel szintetizált szilícium-karbid por azonban magas szennyezőanyag-tartalommal és alacsony minőségű; a magas hőmérsékletű önszaporító módszer A magas hőmérséklet megadja a reaktánsoknak a kezdeti hőt a kémiai reakció megkezdéséhez, majd a saját kémiai reakcióhőjüket felhasználva arra, hogy a reagálatlan anyagok a kémiai reakciót befejezzék. Mivel azonban a Si és C kémiai reakciója kevesebb hőt bocsát ki, más adalékokat kell hozzáadni az önszaporító reakció fenntartásához, amely elkerülhetetlenül szennyező elemeket vezet be, és ez a módszer könnyen egyenetlen reakciót vált ki.
Jelenleg a szilícium-karbid por folyékony fázisú módszerrel történő szintetizálásának technológiája viszonylag kiforrott. A folyékony fázisú módszerrel szintetizált szilícium-karbid por nagyon tiszta és nano méretű finom por, de az eljárás bonyolultabb és könnyen káros anyagokat lehet előállítani az emberi test számára.
A gázfázisú módszerrel szintetizált szilícium-karbid por nagy tisztaságú és kis szemcseméretű, ami általános módszer a nagy tisztaságú szilícium-karbid por szintézisére. Ennek a szintézis módszernek azonban magas a költsége és alacsony a hozama, és tömeggyártásra nem alkalmas.
2. Szilícium-karbid por szintézis berendezés
Szilícium-karbid por szintézis berendezéseket használnak szilícium-karbid por előállításához, amely szükséges a szilícium-karbid monokristályok termesztéséhez. A kiváló minőségű szilícium-karbid por fontos szerepet játszik a szilícium-karbid későbbi növekedésében.
A szilícium-karbid por szintézise a nagy tisztaságú szénpor és a szilíciumpor közvetlen reakcióját idézi elő, és magas hőmérsékletű szintézis módszerrel állítják elő. A szilícium-karbid por szintézis berendezésének fő technikai nehézségei a magas hőmérsékletű és nagy vákuumú tömítés és vezérlés, a vákuumkamrás vízhűtés, a vákuum- és mérőrendszerek, az elektromos vezérlőrendszerek, a porszintézis tégely fűtése és a kapcsolási technológia.
Jelenleg a nagy külföldi gyártók között van a Cree, Aymont stb., És a szintetikus por tisztasága elérheti a 99,9995% -ot. A fő hazai egységek közé tartozik a második kínai villamosenergia-kutató intézet, Shandong Tianyue, Tianke Heda és a Kínai Tudományos Akadémia Kerámia Intézete. A tisztaság általában elérheti a 99,999% -ot, egyes egységek pedig a 99,9995% -ot.
Nagy tisztaságú SiC por szintézis módszer
1. CVD módszer
Jelenleg az egykristályok termesztésére használt nagy tisztaságú SiC-por szintézismódszerei főként a következők: CVD-módszer és továbbfejlesztett önszaporító szintézis-módszer (magas hőmérsékletű szintézis-eljárásnak vagy égési eljárásnak is nevezik).
Közülük a SiC-por CVD-szintéziséhez használt Si-forrás általában szilánt és szilícium-tetrakloridot tartalmaz, míg a C-forrás általában szén-tetrakloridot, metánt, etilént, acetilént és propánt használ, míg a dimetil-diklór-szilán és tetrametil-szilán stb. forrás ugyanakkor.
SashiroEzaki és mtsai. CVD-módszert alkalmazott, szubsztrátumként pelyhes grafitot, reakciógázként és vivőgázként metil-klór-etánt / hidrogént, majd 1250 ～ 1350 ℃ hőmérsékleten SiC-fóliát lerakva, majd az oxidáció, a pácolás és a porítás folyamata révén a részecskéket előállították . SiC por 200 ～ 1200μm átmérővel.
Bár ez a módszer nagy tisztaságú SiC-port állít elő, az ezt követő eljárás bonyolult, az alapanyagok drágák és a hozam alacsony.
WZZhu és mtsai. a CVD-módszert használva szilán és acetilén reakciógázként, és hidrogént vivőgázként használták az ultrafinom és nagy tisztaságú SiC-por szintetizálásához 1200-1400 ° C-on.
AparnaGupta és mtsai. reakcióforrásként hexametil-szilánt, vivőgázként hidrogént és argont használt, és rendkívül finom és nagy tisztaságú SiC-port is szintetizált 1050–1250 ° C-on, CVD módszerrel.
A fenti két kutatócsoport tagjai CVD módszerrel alkalmazták nagy tisztaságú SiC por szerves gázforrások felhasználásával történő szintetizálását. A szintetizált por azonban nano szintű ultrafinom por. Bár nagy tisztaságú, nem könnyű összegyűjteni, és nem alkalmas nagyüzemi nagy volumenű gyártásra. A tiszta SiC por szintézise nem kedvez a későbbi iparosodás fejlődésének.
2. Önszaporító szintézis
A korábbi önszaporító szintézis módszer a reagens testének külső hőforrással történő meggyújtására, majd a saját anyagának kémiai reakcióhőjének felhasználására szolgál, hogy az ezt követő kémiai reakciófolyamat spontán folytatódjon, ezáltal anyagokat szintetizáljon.
Ennek a módszernek a nagy része szilíciumport és koromot használ nyersanyagként, és más aktivátorokat ad hozzá, hogy 1000–150 ° C-on közvetlenül, jelentős sebességgel reagáljon SiC-por előállítására. Az aktivátorok bevezetése elkerülhetetlenül befolyásolja a szintetizált termékek tisztaságát és minőségét.
Ezért sok kutató egy továbbfejlesztett önszaporító szintézis módszert javasolt ennek alapján. A fejlesztés elsősorban az aktivátorok bevezetésének elkerülése, valamint a szintézisreakció folyamatos és hatékony előrehaladásának biztosítása a szintézis hőmérsékletének emelésével és a folyamatos hőellátással.
A japán Bridgestone Company már 1999-ben a tetraetoxi-szilánt használta szilíciumforrásként, a fenolgyantát pedig szénforrásként. Az 1700–2000 ℃ közötti égési módszer alkalmazásával 10–500 μm szemcseméretet szintetizált, a szennyezőanyag-tartalom minősége 0,5 × 10–6 alatti frakciójú SiC por.
Ennek a módszernek a reaktánsai azonban szerves anyagokat használnak, ezért az alapanyagok költsége viszonylag magas, ami nem kedvez a SiC-por tömegtermelésének.
A Kínai Tudományos Akadémia Szilíciumkutató Intézetének kutatói Si-port és C-port használtak 99,9% vagy annál nagyobb alapanyagtömeg-frakciókkal az SiC-por 99,999% -os tömegarányának szintetizálására, amely alkalmas egykristályos növesztésre magas hőmérsékletű reakció során. Ar légkör.
Ning Lina, a Shandong Egyetem munkatársai és mások egyenletesen keverték a Si-port és a C-port 1: 1 mólaránnyal. A szekunder reakció módszerével az SiC-port magas hőmérsékleten szintetizálták.
LiWANG és mások szénforrásként aktív szenet (részecskeméret 20-100μm) és pehelygrafitot (részecskeméret 5-25μm) használnak (tömegfrakció 99,9%), szilíciumforrásként pedig nagy tisztaságú szilíciumot (részecskeméret 10-270μm, tömegfrakció) 99,999%)).
Nagy tisztaságú SiC-port állítottak elő vákuumú, magas hőmérsékletű zsugorító kemencében argonatmoszférában, 1900 ℃ -on.
LihuanWANG et al. szilíciumport (tömegfrakció 99,999%, részecskék 5-10μm) és szénport (tömegfrakció 99,999%, részecskék 5-20μm) használtak a nagy tisztaságú SiC por szintetizálásához egy közepes frekvenciájú fűtési égéses szintézis módszerrel.
Li Bin, a China Electronics Technology Group Corporation Kínai Kutatóintézetének önszaporító módszerével szilícium-karbid port szintetizált az egykristályos növekedéshez. Kísérletek során azt találták, hogy a nagy vákuumban szintetizált szilícium-karbid por tisztasága jobb, mint a nyitott hordozógáz körülmények között szintetizált szilícium-karbid por tisztasága. Különösen a nagy vákuum körülményei segítenek csökkenteni a szilícium-karbid por N-koncentrációját.
Ezenkívül szilícium-karbid monokristályokat növesztettek nagy vákuumban szintetizált szilícium-karbid por felhasználásával. Az eredmények azt mutatták, hogy a termesztett szilícium-karbid egykristályok nagy tisztaságúak és kiváló félszigetelő tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek megfelelnek a félig hőszigetelő szubsztrátumokhoz kapcsolódó eszközök követelményeinek. Elektromos követelmények. Látható, hogy a nagy vákuumban szintetizált szilícium-karbid por előnyös a nagy tisztaságú félszigetelő szilícium-karbid monokristályok növekedéséhez.
A nagy tisztaságú SiC por szintézisének kilátása
A SiC szintetizálásának továbbfejlesztett önszaporító módszere viszonylag alacsony alapanyagokat és viszonylag egyszerű eljárásokat tartalmaz. Jelenleg a laboratóriumokban általánosan alkalmazott módszer az egykristályok termesztésére a SiC por szintetizálására. A szintézisfolyamat során azt tapasztalták, hogy a különböző szintézisfolyamat-paraméterek bizonyos mértékben befolyásolják a szintetizált terméket. .
A jövőben a kutatást a következő területeken kell megerősíteni:
1. Részletes kutatás a nagy tisztaságú SiC porszintézis folyamatának mechanizmusáról, különösképpen megerősítve az alapvető elméleti kutatásokat a por részecskeméretének, alakjának, részecskeméret-eloszlásának és tisztaságának hatékony ellenőrzéséről.
2. A szilícium-karbid por önszaporító szintézisének sajátos folyamatának javításával kapcsolatos kutatások további erősítése annak érdekében, hogy alacsony költségű és egyszerű eljárás alapján nagy tisztaságú, egykristályos szilícium-karbonát növekedésére alkalmas SiC-por állítson elő jó minőségű és nagy tisztaságú Ezért hatékonyan javíthatja az egykristályos SiC szubsztrátok növekedési minőségét, és elősegítheti az országom' SiC-alapú eszköziparának fejlődését.
