Sebagai salah satu bahan perwakilan semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida sesuai untuk pengeluaran peranti elektronik bersepadu suhu tinggi, frekuensi tinggi, anti-radiasi, berkuasa tinggi dan berkepadatan tinggi. Pada masa ini, bahan substrat kristal tunggal silikon karbida yang digunakan dalam pengeluaran peranti secara amnya ditanam dengan kaedah PVT (Fizikal Pengangkutan Wap). Kajian menunjukkan bahawa kesucian serbuk SiC dan parameter lain seperti saiz zarah dan jenis kristal mempunyai kesan tertentu terhadap kualiti kristal SiC tunggal yang ditanam dengan kaedah PVT dan juga kualiti peranti seterusnya. Artikel ini memberi tumpuan terutamanya pada proses sintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi untuk pertumbuhan kristal tunggal dengan kaedah PVT.
Kaedah sintesis serbuk SiC
Terdapat banyak cara untuk mensintesis serbuk SiC. Secara amnya, ia boleh dibahagikan kepada tiga kaedah. Kaedah pertama adalah kaedah fasa pepejal, di antaranya kaedah pengurangan karbotermal perwakilan, kaedah sintesis suhu tinggi penyebaran sendiri dan kaedah pemisahan mekanikal; kaedah kedua adalah kaedah fasa cecair, yang mana kaedah perwakilannya adalah kaedah sol-pembekuan gam dan kaedah penguraian terma polimer; kaedah ketiga adalah kaedah fasa gas, termasuk kaedah pemendapan wap kimia, kaedah plasma dan kaedah induksi laser.
1. Kelebihan dan kekurangan pelbagai kaedah
Serbuk silikon karbida yang disintesis dengan kaedah fasa pepejal lebih menjimatkan, dengan pelbagai jenis bahan mentah dan harga rendah, dan mudah dihasilkan secara industri. Walau bagaimanapun, serbuk silikon karbida yang disintesis dengan kaedah ini mempunyai kandungan kekotoran yang tinggi dan berkualiti rendah; kaedah penyebaran diri suhu tinggi menggunakan Suhu tinggi memberi reaktan haba awal untuk memulakan tindak balas kimia, dan kemudian menggunakan haba tindak balas kimia mereka sendiri untuk membuat bahan yang tidak bertindak balas terus melengkapkan tindak balas kimia. Walau bagaimanapun, kerana reaksi kimia Si dan C mengeluarkan lebih sedikit haba, bahan tambahan lain mesti ditambahkan untuk mengekalkan reaksi penyebaran diri, yang pasti memperkenalkan unsur-unsur pengotor, dan kaedah ini dengan mudah menyebabkan reaksi tidak sekata.
Pada masa ini, teknologi untuk mensintesis serbuk silikon karbida dengan kaedah fasa cecair agak matang. Serbuk silikon karbida yang disintesis dengan kaedah fasa cair adalah serbuk halus yang sangat suci dan bersaiz nano, tetapi prosesnya lebih rumit dan senang menghasilkan bahan berbahaya kepada tubuh manusia.
Serbuk silikon karbida yang disintesis dengan kaedah fasa gas mempunyai ketulenan tinggi dan ukuran zarah kecil, yang merupakan kaedah biasa untuk mensintesis serbuk karbida silikon berkurnian tinggi. Walau bagaimanapun, kaedah sintesis ini mempunyai kos tinggi dan hasil rendah, dan tidak sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.
2. Peralatan sintesis serbuk karbida silikon
Peralatan sintesis serbuk karbida silikon digunakan untuk menyediakan serbuk karbida silikon yang diperlukan untuk menanam kristal tunggal silikon karbida. Serbuk silikon karbida berkualiti tinggi memainkan peranan penting dalam pertumbuhan seterusnya silikon karbida.
Sintesis serbuk silikon karbida menggunakan tindak balas langsung serbuk karbon bersuci tinggi dan serbuk silikon, dan dihasilkan dengan kaedah sintesis suhu tinggi. Kesukaran teknikal utama peralatan sintesis serbuk karbida silikon adalah suhu tinggi dan pengedap vakum tinggi dan kawalan, penyejukan air ruang vakum, sistem vakum dan pengukuran, sistem kawalan elektrik, pemanasan dan gandingan serbuk sintesis serbuk.
Pada masa ini, pengeluar asing utama termasuk Cree, Aymont, dan lain-lain, dan ketulenan serbuk sintetik boleh mencapai 99,9995%. Unit domestik utama termasuk Institut Penyelidikan Tenaga Elektrik China Kedua, Shandong Tianyue, Tianke Heda dan Institut Seramik Akademi Sains China. Kemurnian pada umumnya boleh mencapai 99,999%, dan beberapa unit dapat mencapai 99,9995%.
Kaedah sintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi
1. Kaedah CVD
Pada masa ini, kaedah sintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi yang digunakan untuk menumbuhkan kristal tunggal terutamanya meliputi: kaedah CVD dan kaedah sintesis penyebaran diri yang lebih baik (juga disebut kaedah sintesis suhu tinggi atau kaedah pembakaran).
Antaranya, sumber Si untuk sintesis CVD serbuk SiC secara amnya merangkumi silan dan silikon tetraklorida, sementara sumber C pada umumnya menggunakan karbon tetraklorida, metana, etilena, asetilena, dan propana, sementara dimethyldichlorosilane dan tetramethylsilane dan sebagainya dapat memberikan sumber Si dan C sumber pada masa yang sama.
SashiroEzaki et al. menggunakan kaedah CVD, menggunakan serpihan grafit sebagai substrat, metil kloroetana / hidrogen sebagai gas tindak balas dan gas pembawa, dan mendepositkan filem SiC pada 1250 ～ 1350 ℃, dan kemudian melalui proses pengoksidaan, pengawetan dan penghancuran, zarah-zarah tersebut diperoleh . Serbuk SiC dengan diameter 200 ～ 1200μm.
Walaupun kaedah ini menghasilkan serbuk SiC dengan kemurnian tinggi, proses selanjutnya adalah rumit, bahan mentahnya mahal, dan hasilnya rendah.
WZZhu et al. menggunakan kaedah CVD, menggunakan silan dan asetilena sebagai gas tindak balas, dan hidrogen sebagai gas pembawa, untuk mensintesis serbuk SiC ultra-halus dan kemurnian tinggi pada 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et al. menggunakan hexamethylsilane sebagai sumber tindak balas, hidrogen dan argon sebagai gas pembawa, dan juga mensintesis serbuk SiC ultra-halus dan kemurnian tinggi pada suhu 1050 hingga 1250 ° C menggunakan kaedah CVD.
Anggota dua kumpulan penyelidikan di atas telah menggunakan kaedah CVD untuk mensintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi menggunakan sumber gas organik. Walau bagaimanapun, serbuk yang disintesis adalah serbuk ultra-halus peringkat nano. Walaupun mempunyai kemurnian tinggi, ia tidak mudah dikumpulkan dan tidak sesuai untuk pengeluaran besar-besaran berskala besar. Sintesis serbuk SiC tulen tidak kondusif untuk pengembangan perindustrian kemudian.
2. Sintesis penyebaran kendiri
Kaedah sintesis penyebaran diri sebelumnya adalah kaedah menyalakan badan reaktan dengan sumber pemanasan luaran, dan kemudian menggunakan haba tindak balas kimia dari bahannya sendiri untuk menjadikan proses tindak balas kimia berikutnya terus secara spontan, sehingga mensintesis bahan.
Sebilangan besar kaedah ini menggunakan serbuk silikon dan karbon hitam sebagai bahan mentah, dan menambahkan pengaktif lain untuk bertindak balas secara langsung pada kelajuan ketara pada suhu 1000-1150 ° C untuk menghasilkan serbuk SiC. Pengenalan pengaktif pasti akan mempengaruhi kesucian dan kualiti produk yang disintesis.
Oleh itu, banyak penyelidik telah mencadangkan kaedah sintesis penyebaran diri yang lebih baik berdasarkan ini. Peningkatan ini terutamanya untuk mengelakkan pengenalan aktivator, dan untuk memastikan kemajuan tindak balas sintesis yang berterusan dan berkesan dengan meningkatkan suhu sintesis dan secara berterusan membekalkan pemanasan.
Pada awal tahun 1999, Syarikat Bridgestone Jepun menggunakan tetraethoxysilane sebagai sumber silikon dan resin fenol sebagai sumber karbon. Dengan menggunakan kaedah pembakaran pada julat 1700-2000 ℃, mensintesiskan ukuran zarah 10-500μm, kualiti kandungan kotoran serbuk SiC dengan pecahan lebih rendah daripada 0,5 × 10-6.
Walau bagaimanapun, reaktan kaedah ini menggunakan bahan organik, jadi kos bahan mentah relatif tinggi, yang tidak kondusif untuk pengeluaran besar-besaran serbuk SiC.
Penyelidik dari Institut Penyelidikan Silikon Akademi Sains China menggunakan serbuk Si dan serbuk C dengan pecahan jisim bahan mentah 99.9% atau lebih untuk mensintesis pecahan jisim serbuk 99C 99,99% yang sesuai untuk pertumbuhan kristal tunggal dengan tindak balas suhu tinggi dalam Suasana.
Ning Lina dari Shandong University dan yang lain mencampurkan serbuk Si dan serbuk C secara seragam dengan nisbah molar 1: 1. Dengan menggunakan kaedah tindak balas sekunder, serbuk SiC disintesis pada suhu tinggi.
LiWANG dan lain-lain menggunakan karbon aktif (ukuran zarah 20-100μm) dan serpihan grafit (ukuran zarah 5-25μm) sebagai sumber karbon (pecahan jisim 99.9%), dan silikon kemurnian tinggi sebagai sumber silikon (ukuran zarah 10-270μm, pecahan jisim 99.999%)).
Serbuk SiC dengan kemurnian tinggi disediakan dalam tungku sintering suhu tinggi vakum di bawah atmosfer argon pada suhu 1900 ℃.
LihuanWANG et al. serbuk silikon terpakai (pecahan jisim 99,999%, zarah 5-10μm) dan serbuk karbon (pecahan jisim 99,999%, zarah 5-20μm) untuk mensintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi dengan kaedah sintesis pembakaran pemanasan frekuensi perantaraan.
Li Bin dari Institut Penyelidikan Kedua China Electronics Technology Group Corporation menggunakan kaedah menyebarkan diri untuk mensintesis serbuk silikon karbida untuk pertumbuhan kristal tunggal. Dalam eksperimen, didapati bahawa kemurnian serbuk silikon karbida yang disintesis dalam keadaan vakum tinggi lebih baik daripada serbuk karbida silikon yang disintesis dalam keadaan gas pembawa terbuka. Khususnya, keadaan vakum tinggi membantu mengurangkan kepekatan N dalam serbuk silikon karbida.
Sebagai tambahan, kristal tunggal silikon karbida ditanam menggunakan serbuk silikon karbida yang disintesis dalam keadaan vakum tinggi. Hasil kajian menunjukkan bahawa kristal tunggal silikon karbida yang ditanam mempunyai kemurnian tinggi dan sifat separa penebat yang sangat baik, yang memenuhi keperluan alat yang berkaitan untuk substrat separa penebat. Keperluan elektrik. Ia dapat dilihat bahawa serbuk silikon karbida yang disintesis dalam keadaan vakum tinggi bermanfaat untuk pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida bertebat tinggi.
Prospek Proses Sintesis Serbuk SiC Kemurnian Tinggi
Kaedah penyebaran diri yang lebih baik untuk mensintesis SiC mempunyai bahan mentah yang relatif rendah dan prosedur yang agak mudah. Ini adalah kaedah biasa yang digunakan di makmal untuk menumbuhkan kristal tunggal untuk mensintesis serbuk SiC. Semasa proses sintesis, didapati bahawa parameter proses sintesis yang berbeza mempunyai pengaruh tertentu terhadap produk yang disintesis. .
Pada masa akan datang, penyelidikan perlu diperkukuhkan dalam bidang berikut:
1. Penyelidikan mendalam mengenai mekanisme proses sintesis serbuk SiC dengan kemurnian tinggi, terutama memperkuat penyelidikan teori asas mengenai kawalan berkesan ukuran partikel serbuk, bentuk, taburan ukuran zarah, dan kesucian.
2. Memperkukuhkan lagi penyelidikan untuk meningkatkan proses spesifik sintesis penyebaran serbuk SiC, untuk menyediakan serbuk SiC dengan kemurnian tinggi yang sesuai untuk pertumbuhan SiC kristal tunggal dengan kualiti yang baik dan kemurnian tinggi berdasarkan proses yang rendah dan sederhana Oleh itu, ia dapat meningkatkan kualiti pertumbuhan substrat kristal tunggal SiC dengan berkesan dan mempromosikan pembangunan industri peranti berasaskan SiC&# 39 saya.
