Silīcija karbīds kā viens no trešās paaudzes pusvadītāju reprezentatīvajiem materiāliem ir piemērots augstas temperatūras, augstas frekvences, pretradiācijas, lielas jaudas un augsta blīvuma integrētu elektronisko ierīču ražošanai. Pašlaik ierīču ražošanā izmantoto silīcija karbīda monokristālu substrāta materiālu parasti audzē ar PVT (fiziskā tvaika pārvadāšana) metodi. Pētījumi ir parādījuši, ka SiC pulvera tīrība un citi parametri, piemēram, daļiņu izmērs un kristāla tips, zināmā mērā ietekmē SiC monokristālu kvalitāti, kas audzēti ar PVT metodi, un pat nākamo ierīču kvalitāti. Šis raksts galvenokārt koncentrējas uz augstas tīrības pakāpes SiC pulvera sintēzes procesu monokristālu augšanai ar PVT metodi.
SiC pulvera sintēzes metode
SiC pulvera sintezēšanai ir daudz veidu. Vispārīgi runājot, to var aptuveni sadalīt trīs metodēs. Pirmā metode ir cietās fāzes metode, starp kurām ir reprezentatīva karbotermālā reducēšanas metode, pašizplatīšanās augstas temperatūras sintēzes metode un mehāniskās pulverizācijas metode; otrā metode ir šķidrās fāzes metode, no kuras raksturīgā metode galvenokārt ir sola koagulācijas līmes metode un polimēra termiskās sadalīšanās metode; trešā metode ir gāzes fāzes metode, ieskaitot ķīmisko tvaiku nogulsnēšanas metodi, plazmas metodi un lāzera indukcijas metodi.
1. Dažādu metožu priekšrocības un trūkumi
Ar cietās fāzes metodi sintezētais silīcija karbīda pulveris ir ekonomiskāks, ar plašu izejvielu klāstu un zemām cenām, un to ir viegli ražot rūpnieciski. Tomēr ar šo metodi sintezētajam silīcija karbīda pulverim ir augsts piemaisījumu saturs un zema kvalitāte; tiek izmantota augstas temperatūras pašizplatīšanās metode. Augsta temperatūra dod reaģentiem sākotnējo siltumu, lai sāktu ķīmisko reakciju, un pēc tam izmanto savu ķīmiskās reakcijas siltumu, lai nereaģējušās vielas turpinātu pabeigt ķīmisko reakciju. Tomēr, tā kā Si un C ķīmiskā reakcija izstaro mazāk siltuma, pašpieaugošās reakcijas uzturēšanai jāpievieno citas piedevas, kas neizbēgami ievada piemaisījumu elementus, un šī metode viegli izraisa nevienmērīgu reakciju.
Pašlaik silīcija karbīda pulvera sintezēšanas tehnoloģija ar šķidrās fāzes metodi ir samērā nobriedusi. Silīcija karbīda pulveris, kas sintezēts ar šķidras fāzes metodi, ir ļoti tīrs un nano izmēra smalks pulveris, taču process ir sarežģītāks, un cilvēka organismam ir viegli radīt kaitīgas vielas.
Silīcija karbīda pulverim, kas sintezēts ar gāzes fāzes metodi, ir augsta tīrība un mazs daļiņu izmērs, kas ir izplatīta metode augstas tīrības pakāpes silīcija karbīda pulvera sintezēšanai. Tomēr šai sintēzes metodei ir augstas izmaksas un zema raža, un tā nav piemērota masveida ražošanai.
2. Silīcija karbīda pulvera sintēzes iekārtas
Silīcija karbīda pulvera sintēzes iekārtas tiek izmantotas silīcija karbīda pulvera pagatavošanai, kas nepieciešams silīcija karbīda monokristālu audzēšanai. Augstas kvalitātes silīcija karbīda pulverim ir svarīga loma turpmākajā silīcija karbīda augšanā.
Silīcija karbīda pulvera sintēze pieņem tiešu augstas tīrības pakāpes oglekļa pulvera un silīcija pulvera reakciju, un to ražo ar augstas temperatūras sintēzes metodi. Galvenās silīcija karbīda pulvera sintēzes iekārtu tehniskās grūtības ir augstas temperatūras un augsta vakuuma blīvēšana un vadība, vakuuma kameras ūdens dzesēšana, vakuuma un mērīšanas sistēmas, elektriskās vadības sistēmas, pulvera sintēzes tīģeļu sildīšana un sakabes tehnoloģija.
Pašlaik lielākie ārvalstu ražotāji ir Cree, Aymont utt., Un sintētiskā pulvera tīrība var sasniegt 99,9995%. Galvenās vietējās vienības ir Otrais Ķīnas elektroenerģijas izpētes institūts, Šaņduna Tjanija, Tjanke Heda un Ķīnas Zinātņu akadēmijas Keramikas institūts. Tīrība parasti var sasniegt 99,999%, un dažas vienības var sasniegt 99,9995%.
Augstas tīrības pakāpes SiC pulvera sintēzes metode
1. CVD metode
Pašlaik augstas tīrības pakāpes SiC pulvera sintēzes metodes, ko izmanto vienkristālu audzēšanai, galvenokārt ietver: CVD metodi un uzlabotu pašizplatīšanās sintēzes metodi (sauktu arī par augstas temperatūras sintēzes metodi vai sadedzināšanas metodi).
Starp tiem Si avots SiC pulvera CVD sintēzei parasti ietver silānu un silīcija tetrahlorīdu, savukārt C avots parasti izmanto tetrahloroglekli, metānu, etilēnu, acetilēnu un propānu, bet dimetildihlorosilāns un tetrametilsilāns utt. Var nodrošināt Si avotu un C avots tajā pašā laikā.
SashiroEzaki et al. izmantoja CVD metodi, par pamatu izmantojot pārslu grafītu, kā reakcijas gāzi un nesējgāzi metilhloretānu / ūdeņradi un nogulsnējot SiC plēvi 1250 ～ 1350 ℃ temperatūrā, un pēc tam oksidēšanās, kodināšanas un pulverizācijas procesos daļiņas tika iegūtas . SiC pulveris ar diametru 200 ～ 1200μm.
Lai gan šī metode ražo augstas tīrības pakāpes SiC pulveri, turpmākais process ir sarežģīts, izejvielas ir dārgas un raža zema.
WZZhu et al. izmantoja CVD metodi, izmantojot silānu un acetilēnu kā reakcijas gāzi un ūdeņradi kā nesējgāzi, lai sintezētu īpaši smalku un ļoti tīru SiC pulveri 1200-1400 ° C temperatūrā.
AparnaGupta et al. kā reakcijas avotu izmantoja heksametilsilānu, kā nesējgāzi ūdeņradi un argonu, kā arī sintezēja īpaši smalku un augstas tīrības pakāpes SiC pulveri temperatūrā 1050 līdz 1250 ° C, izmantojot CVD metodi.
Iepriekš minēto divu pētījumu grupu dalībnieki ir izmantojuši CVD metodi, lai sintezētu augstas tīrības pakāpes SiC pulveri, izmantojot organiskos gāzes avotus. Tomēr sintezētais pulveris ir nano līmeņa īpaši smalks pulveris. Lai gan tam ir augsta tīrība, to nav viegli savākt un tas nav piemērots liela apjoma liela apjoma ražošanai. Tīra SiC pulvera sintēze neveicina vēlākas industrializācijas attīstību.
2. Pavairojoša sintēze
Iepriekšējā pašizplatošās sintēzes metode ir reaktanta ķermeņa aizdedzināšanas metode ar ārēju sildīšanas avotu un pēc tam savas vielas ķīmiskās reakcijas siltuma izmantošana, lai nākamais ķīmiskās reakcijas process turpinātu spontāni, tādējādi sintezējot materiālus.
Lielākajā daļā šīs metodes kā izejvielas tiek izmantots silīcija pulveris un sodrējs, un tiek pievienoti citi aktivatori, lai tieši reaģētu ar ievērojamu ātrumu pie 1000-1150 ° C, lai iegūtu SiC pulveri. Aktivatoru ieviešana neizbēgami ietekmēs sintezēto produktu tīrību un kvalitāti.
Tāpēc daudzi pētnieki, pamatojoties uz to, ir ierosinājuši uzlabotu sintezēšanas paņēmienu pašizplatīšanos. Uzlabojums galvenokārt ir paredzēts, lai izvairītos no aktivatoru ieviešanas un nodrošinātu nepārtrauktu un efektīvu sintēzes reakcijas virzību, paaugstinot sintēzes temperatūru un nepārtraukti piegādājot apkuri.
Jau 1999. gadā Japānas Bridgestone Company kā silīcija avotu izmantoja tetraetoksisilānu un kā oglekļa avotu fenola sveķus. Izmantojot sadegšanas metodi diapazonā no 1700-2000 ℃, sintezēts daļiņu izmērs 10-500μm, piemaisījumu satura kvalitāte SiC pulveris, kura frakcija ir mazāka par 0,5 × 10-6.
Tomēr šīs metodes reaģenti izmanto organiskas vielas, tāpēc izejvielu izmaksas ir salīdzinoši augstas, kas neveicina SiC pulvera masveida ražošanu.
Ķīnas Zinātņu akadēmijas Silīcija izpētes institūta pētnieki izmantoja Si pulveri un C pulveri ar izejvielu masas daļām 99,9% vai vairāk, lai sintezētu SiC pulvera 99,999% masas daļu, kas piemērota monokristālu augšanai, reaģējot augstā temperatūrā. Ar atmosfēra.
Ning Lina no Šandunas universitātes un citi vienmērīgi sajauc Si pulveri un C pulveri ar molāro attiecību 1: 1. Izmantojot sekundārās reakcijas metodi, SiC pulveris tika sintezēts augstā temperatūrā.
LiWANG un citi kā oglekļa avotu izmanto aktīvo ogli (daļiņu izmērs 20-100μm) un pārslu grafītu (daļiņu izmērs 5-25μm) (masas daļa 99,9%) un kā silīcija avotu augstas tīrības pakāpes silīciju (daļiņu izmērs 10-270μm, masas daļa 99,999%)).
Augstas tīrības pakāpes SiC pulveris tika sagatavots vakuuma augstas temperatūras saķepināšanas krāsnī argona atmosfērā 1900 ℃.
LihuanWANG et al. izmantoja silīcija pulveri (masas frakcija 99,999%, daļiņas 5-10μm) un oglekļa pulveri (masas daļa 99,999%, daļiņas 5-20μm), lai sintezētu augstas tīrības pakāpes SiC pulveri ar starpfrekvences sildīšanas sadegšanas sintēzes metodi.
Li Bins no Ķīnas Otrā pētniecības institūta Electronics Electronics Group Group izmantoja pašpavairošanas metodi, lai sintezētu silīcija karbīda pulveri monokristālu augšanai. Eksperimentos tiek atklāts, ka silīcija karbīda pulvera, kas sintezēts augsta vakuuma apstākļos, tīrība ir labāka nekā silīcija karbīda pulvera, kas sintezēts atklātos nesējgāzes apstākļos, tīrība. Jo īpaši augsti vakuuma apstākļi palīdz samazināt N koncentrāciju silīcija karbīda pulverī.
Turklāt tika audzēti silīcija karbīda monokristāli, izmantojot silīcija karbīda pulveri, kas sintezēts augsta vakuuma apstākļos. Rezultāti parādīja, ka audzētajiem silīcija karbīda monokristāliem bija augsta tīrība un izcilas daļēji izolējošas īpašības, kas atbilda saistīto ierīču prasībām daļēji izolējošiem substrātiem. Elektriskās prasības. Var redzēt, ka silīcija karbīda pulveris, kas sintezēts augsta vakuuma apstākļos, ir labvēlīgs augstas tīrības pakāpes daļēji izolējošu silīcija karbīda monokristālu augšanai.
Augstas tīrības pakāpes SiC pulvera sintēzes procesa perspektīva
Uzlabotajai pašizplatīšanas metodei SiC sintezēšanai ir salīdzinoši maz izejvielu un salīdzinoši vienkāršas procedūras. Pašlaik tā ir izplatīta metode, ko laboratorijās izmanto, lai audzētu monokristālus SiC pulvera sintezēšanai. Sintēzes procesā tiek konstatēts, ka dažādiem sintēzes procesa parametriem ir noteikta ietekme uz sintezēto produktu. .
Nākotnē jāpastiprina pētniecība šādās jomās:
1. Padziļināti pētījumi par augstas tīrības pakāpes SiC pulvera sintēzes procesa mehānismu, īpaši nostiprinot teorētiskos pamatpētījumus par pulvera daļiņu lieluma, formas, daļiņu lieluma sadalījuma un tīrības efektīvu kontroli.
2. Turpināt nostiprināt pētījumus par SiC pulvera pašpavairošanas sintēzes procesa uzlabošanu, lai sagatavotu augstas tīrības pakāpes SiC pulveri, kas piemērots monokristālu SiC augšanai ar labu kvalitāti un augstu tīrību, pamatojoties uz zemām izmaksām un vienkāršu procesu. Tādēļ tas var efektīvi uzlabot SiC monokristālu substrātu augšanas kvalitāti un veicināt manas valsts uz&balstīto ierīču nozares attīstību uz'
