Som et av de representative materialene til tredje generasjons halvledere, er silisiumkarbid egnet for produksjon av høy temperatur, høyfrekvente, anti-stråling, høy effekt og høy tetthet integrerte elektroniske enheter. For tiden dyrkes silisiumkarbid-enkeltkrystallsubstratmaterialet som brukes i produksjon av innretninger generelt ved hjelp av PVT-metoden (Physical Vapor Transport). Studier har vist at renheten til SiC-pulver og andre parametere som partikkelstørrelse og krystalltype har en viss innvirkning på kvaliteten på SiC-enkrystaller dyrket etter PVT-metoden og til og med kvaliteten på påfølgende enheter. Denne artikkelen fokuserer hovedsakelig på synteseprosessen av SiC-pulver med høy renhet for enkelkrystallvekst ved PVT-metoden.
SiC pulversyntese metode
Det er mange måter å syntetisere SiC-pulver på. Generelt kan det grovt deles inn i tre metoder. Den første metoden er fastfasemetoden, blant annet den representative karbotermiske reduksjonsmetoden, selvforplantende metodesyntesemetode og mekanisk pulveriseringsmetode; den andre metoden er væskefasemetoden, hvorav den representative metoden hovedsakelig er solkoaguleringslimmetode og polymer termisk nedbrytingsmetode; den tredje metoden er gassfasemetode, inkludert kjemisk dampavleiringsmetode, plasmametode og laserinduksjonsmetode.
1. Fordeler og ulemper ved ulike metoder
Silisiumkarbidpulveret syntetisert ved fastfasemetoden er mer økonomisk, med et bredt spekter av råvarer og lave priser, og er lett å produsere industrielt. Imidlertid har silisiumkarbidpulveret syntetisert ved denne metoden høyt urenhetsinnhold og lav kvalitet; den høye temperaturen selvforplantende metoden bruker Den høye temperaturen gir reaktantene den første varmen til å starte den kjemiske reaksjonen, og bruker deretter sin egen kjemiske reaksjonsvarme for å få de ureagerte stoffene til å fortsette å fullføre den kjemiske reaksjonen. Men siden den kjemiske reaksjonen av Si og C avgir mindre varme, må andre tilsetningsstoffer tilsettes for å opprettholde den selvforplantende reaksjonen, som uunngåelig introduserer urenheter, og denne metoden forårsaker lett ujevn reaksjon.
For tiden er teknologien for syntetisering av silisiumkarbidpulver ved væskefasemetoden relativt moden. Silisiumkarbidpulveret syntetisert ved væskefasemetoden er meget rent og fint pulver i nanostørrelse, men prosessen er mer komplisert, og det er lett å produsere skadelige stoffer i menneskekroppen.
Silisiumkarbidpulveret syntetisert ved gassfasemetoden har høy renhet og liten partikkelstørrelse, som er en vanlig metode for å syntetisere silikonkarbidpulver med høy renhet. Imidlertid har denne syntesemetoden høye kostnader og lavt utbytte, og er ikke egnet for masseproduksjon.
2. Utstyr for syntese av silisiumkarbidpulver
Synteseutstyr for silisiumkarbidpulver brukes til å fremstille silisiumkarbidpulver som kreves for dyrking av enkeltkrystaller av silisiumkarbid. Høykvalitets silisiumkarbidpulver spiller en viktig rolle i den påfølgende veksten av silisiumkarbid.
Syntesen av silisiumkarbidpulver vedtar den direkte reaksjonen av karbonpulver med høy renhet og silisiumpulver, og produseres ved en syntesemetode ved høy temperatur. De viktigste tekniske problemene med silisiumkarbidpulversynteseutstyr er høy temperatur og høyt vakuumforsegling og kontroll, vakuumkammer vannkjøling, vakuum- og målesystemer, elektriske kontrollsystemer, pulver syntese digel oppvarming og koblingsteknologi.
For tiden inkluderer store utenlandske produsenter Cree, Aymont, etc., og renheten av syntetisk pulver kan nå 99,9995%. De viktigste innenlandske enhetene inkluderer Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda og Chinese Academy of Sciences Institute of Ceramics. Renheten kan vanligvis nå 99,999%, og noen enheter kan nå 99,9995%.
Metode med høy renhet SiC-pulversyntese
1. CVD-metode
For tiden inkluderer syntesemetodene til SiC-pulver med høy renhet som brukes til å dyrke enkle krystaller, hovedsakelig: CVD-metode og forbedret selvforplantende syntesemetode (også kalt høy temperatur syntesemetode eller forbrenningsmetode).
Blant dem inkluderer Si-kilden for CVD-syntese av SiC-pulver generelt silan og silisiumtetraklorid, mens C-kilden vanligvis bruker karbontetraklorid, metan, etylen, acetylen og propan, mens dimetyldiklorsilan og tetrametylsilan Og så videre kan gi Si-kilde og C kilde samtidig.
SashiroEzaki et al. brukte CVD-metoden, ved bruk av flakgrafitt som substrat, metylkloretan / hydrogen som reaksjonsgass og bærergass, og avsatt SiC-film ved 1250 til 1350 ℃, og deretter gjennom prosessene med oksidasjon, beising og pulverisering, ble partiklene oppnådd . SiC-pulver med en diameter på 200 ～ 1200 μm.
Selv om denne metoden produserer SiC-pulver med høy renhet, er den påfølgende prosessen komplisert, råvarene er dyre og utbyttet er lavt.
WZZhu et al. brukte CVD-metoden, ved bruk av silan og acetylen som reaksjonsgass, og hydrogen som bærergass, for å syntetisere ultrafint SiC-pulver med høy renhet ved 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et al. brukte heksametylsilan som reaksjonskilde, hydrogen og argon som bærergass, og syntetiserte også ultrafint SiC-pulver med høy renhet ved 1050 til 1250 ° C ved bruk av CVD-metoden.
Medlemmene av de to ovennevnte forskningsgruppene har brukt CVD-metoden til å syntetisere SiC-pulver med høy renhet ved bruk av organiske gasskilder. Imidlertid er det syntetiserte pulveret ultrafint pulver på nanonivå. Selv om den har høy renhet, er den ikke lett å samle opp og er ikke egnet for storskala høyt volumproduksjon. Syntesen av rent SiC-pulver bidrar ikke til utviklingen av senere industrialisering.
2. Selvforplantende syntese
Den forrige selvforplantende syntesemetoden er en metode for å antenne reaktantlegemet med en ekstern oppvarmingskilde, og deretter bruke den kjemiske reaksjonsvarmen til sitt eget stoff for å få den påfølgende kjemiske reaksjonsprosessen til å fortsette spontant og derved syntetisere materialer.
Det meste av denne metoden bruker silisiumpulver og kullsvart som råvarer, og legger til andre aktivatorer for å reagere direkte med en betydelig hastighet ved 1000-1150 ° C for å produsere SiC-pulver. Innføringen av aktivatorer vil uunngåelig påvirke renheten og kvaliteten på de syntetiserte produktene.
Derfor har mange forskere foreslått en forbedret selvforplantende syntesemetode på dette grunnlaget. Forbedringen er hovedsakelig for å unngå innføring av aktivatorer, og for å sikre kontinuerlig og effektiv fremgang av syntesereaksjonen ved å øke syntesetemperaturen og kontinuerlig levere oppvarming.
Allerede i 1999 brukte Japans Bridgestone Company tetraetoksysilan som silisiumkilde og fenolharpiks som karbonkilde. Ved hjelp av forbrenningsmetoden i området 1700-2000 ℃, syntetiserte partikkelstørrelsen på 10-500 μm, kvaliteten på SiC-pulver med urenhetsinnhold med en brøkdel lavere enn 0,5 × 10-6.
Imidlertid bruker reaktantene ved denne metoden organiske stoffer, så kostnadene for råvarer er relativt høye, noe som ikke bidrar til masseproduksjonen av SiC-pulver.
Forskere fra Institute of Silicon Research fra det kinesiske vitenskapsakademiet brukte Si-pulver og C-pulver med råvaremassefraksjoner på 99,9% eller mer for å syntetisere en 99,999% massefraksjon av SiC-pulver som er egnet for enkelkrystallvekst ved høy temperaturreaksjon i en Ar atmosfære.
Ning Lina fra Shandong University og andre blandet Si-pulver og C-pulver jevnt med et molforhold på 1: 1. Ved å bruke den sekundære reaksjonsmetoden ble SiC-pulver syntetisert ved høy temperatur.
LiWANG og andre bruker aktivert karbon (partikkelstørrelse 20-100μm) og flakegrafitt (partikkelstørrelse 5-25μm) som kullkilde (massefraksjon 99,9%) og høyrent silisium som silisiumkilde (partikkelstørrelse 10-270μm, massefraksjon 99,999%)).
SiC-pulver med høy renhet ble fremstilt i en vakuum sintringsovn med høy temperatur under argonatmosfære ved 1900 ℃.
LihuanWANG et al. brukte silisiumpulver (massefraksjon 99.999%, partikler 5-10μm) og karbonpulver (massefraksjon 99.999%, partikler 5-20μm) for å syntetisere SiC-pulver med høy renhet ved en mellomfrekvensoppvarmingsforbrenningssyntesemetode.
Li Bin fra Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation brukte selvforplantende metode for å syntetisere silisiumkarbidpulver for vekst av enkeltkrystall. I eksperimenter er det funnet at renheten til silisiumkarbidpulver syntetisert under høyvakuumbetingelser er bedre enn silisiumkarbidpulver syntetisert under åpne bærergassbetingelser. Spesielt hjelper vakuumforhold med å redusere N-konsentrasjonen i silisiumkarbidpulver.
I tillegg ble silisiumkarbid-enkrystaller dyrket ved anvendelse av silisiumkarbidpulver syntetisert under høyvakuumbetingelser. Resultatene viste at de dyrkede enkeltkrystaller av silisiumkarbid hadde høy renhet og utmerkede halvisolerende egenskaper, som oppfylte kravene til relaterte enheter for halvisolerende underlag. Elektriske krav. Det kan sees at silisiumkarbidpulveret syntetisert under høye vakuumbetingelser er gunstig for veksten av semi-isolerende silisiumkarbid enkrystaller med høy renhet.
Utsiktene til synteseprosessen av SiC-pulver med høy renhet
Den forbedrede selvformeringsmetoden for syntetisering av SiC har relativt lave råvarer og relativt enkle prosedyrer. Det er for tiden en vanlig metode som brukes i laboratorier for å dyrke enkle krystaller for å syntetisere SiC-pulver. Under synteseprosessen, er det funnet at forskjellige synteseprosessparametere har en viss innflytelse på det syntetiserte produktet. .
I fremtiden må forskningen styrkes på følgende områder:
1. Grundig forskning på mekanismen for syntese av pulver med høy renhet, spesielt styrking av grunnleggende teoretisk forskning om effektiv kontroll av pulverpartikkelstørrelse, form, partikkelstørrelsesfordeling og renhet.
2. Videre styrke forskningen om forbedring av den spesifikke prosessen med selvforplantende syntese av SiC-pulver, for å tilberede SiC-pulver med høy renhet som er egnet for SiC-vekst med enkelt krystall med god kvalitet og høy renhet på grunnlag av lave kostnader og enkel prosess Derfor kan det effektivt forbedre vekstkvaliteten til SiC-enkrystallsubstrater og fremme utviklingen av mitt' s SiC-baserte enhetsindustri.
