Kaip viena iš tipinių trečiosios kartos puslaidininkių medžiagų, silicio karbidas tinka aukštos temperatūros, aukšto dažnio, anti-radiacijos, didelės galios ir didelio tankio integruotų elektroninių prietaisų gamybai. Šiuo metu silicio karbido vieno kristalinio substrato medžiaga, naudojama prietaisų gamybai, paprastai auginama PVT (fizinio garų transportavimo) metodu. Tyrimai parodė, kad SiC miltelių grynumas ir kiti parametrai, pvz., dalelių dydis ir kristalų tipas, turi tam tikrą poveikį PVT metodu auginamų pavienių SiC kristalų kokybei ir netgi vėlesnių prietaisų kokybei. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama didelio grynumo SiC miltelių sintezės procesui, skirtam vieno kristalo augimui PVT metodu.
SiC miltelių sintezės metodas
Yra daug būdų sintezuoti SiC miltelius. Apskritai, jis gali būti maždaug suskirstytas į tris metodus. Pirmasis metodas yra kietosios fazės metodas, tarp kurio yra tipiškas karboterminis mažinimo metodas, savaime skleidžiantis aukštos temperatūros sintezės metodas ir mechaninis pulverizacijos metodas; antrasis metodas yra skystosios fazės metodas, kurio tipinis metodas daugiausia yra sol-krešėjimo klijų metodas ir polimerų terminio skilimo metodas; trečiasis metodas yra dujų fazės metodas, įskaitant cheminių garų nusėdimo metodą, plazmos metodą ir lazerinį indukcijos metodą.
1. Įvairių metodų privalumai ir trūkumai
Silicio karbido milteliai, susintetinti kietosios fazės metodu, yra ekonomiškesni, su įvairiomis žaliavomis ir mažomis kainomis, juos lengva pramoniniu būdu gaminti. Tačiau šiuo metodu sintezuoti silicio karbido milteliai turi didelį priemaišų kiekį ir žemą kokybę; naudojamas aukštos temperatūros savaiminio dauginimo metodas Aukšta temperatūra suteikia reaktyviesiems pradinę šilumą cheminei reakcijai pradėti, o tada naudoja savo cheminės reakcijos šilumą, kad nesukąstos medžiagos ir toliau užbaigtų cheminę reakciją. Tačiau, kadangi cheminė Si ir C reakcija skleidžia mažiau šilumos, reikia pridėti kitų priedų, kad būtų išlaikyta savaime besiskirianti reakcija, kuri neišvengiamai sukelia priemaišų elementus, ir šis metodas lengvai sukelia netolygią reakciją.
Šiuo metu silicio karbido miltelių sintezavimo skystosios fazės metodu technologija yra palyginti brandi. Skystosios fazės metodu sintezuoti silicio karbido milteliai yra labai gryni ir nano dydžio smulkūs milteliai, tačiau procesas yra sudėtingesnis ir žmogaus organizmui lengva gaminti kenksmingas medžiagas.
Silicio karbido milteliai, susintetinti dujų fazės metodu, turi didelį grynumą ir mažą dalelių dydį, kuris yra įprastas didelio grynumo silicio karbido miltelių sintezavimo metodas. Tačiau šis sintezės metodas turi didelę kainą ir mažą derlių ir netinka masinei gamybai.
2. Silicio karbido miltelių sintezės įranga
Silicio karbido miltelių sintezės įranga naudojama silicio karbido milteliams, reikalingiems silicio karbido pavieniams kristalams auginti, paruošti. Aukštos kokybės silicio karbido milteliai vaidina svarbų vaidmenį vėlesniame silicio karbido augimui.
Silicio karbido miltelių sintezė priima tiesioginę didelio grynumo anglies miltelių ir silicio miltelių reakciją ir yra gaminama aukštos temperatūros sintezės metodu. Pagrindiniai silicio karbido miltelių sintezės įrangos techniniai sunkumai yra aukšta temperatūra ir aukšto vakuumo sandarinimas ir valdymas, vakuuminės kameros vandens aušinimo, vakuumo ir matavimo sistemos, elektros valdymo sistemos, miltelių sintezės tiglio šildymo ir sukabinimo technologija.
Šiuo metu pagrindiniai užsienio gamintojai yra "Cree", "Aymont" ir kt., O sintetinių miltelių grynumas gali siekti 99,9995%. Pagrindiniai vidaus padaliniai yra Antrasis Kinijos elektros energijos tyrimų institutas, Shandong Tianyue, Tianke Heda ir Kinijos mokslų akademijos keramikos institutas. Grynumas paprastai gali siekti 99,999%, o kai kurie vienetai gali siekti 99,9995%.
Didelio grynumo SiC miltelių sintezės metodas
1. CVD metodas
Šiuo metu didelio grynumo SiC miltelių sintezės metodai, naudojami pavieniams kristalams auginti, daugiausia apima: CVD metodą ir patobulintą savaiminio sklidimo sintezės metodą (dar vadinamą aukštos temperatūros sintezės metodu arba degimo metodu).
Tarp jų Si šaltinis SiC miltelių CVD sintezei paprastai apima silaną ir silicio tetrachloridą, o C šaltinis paprastai naudoja anglies tetrachloridą, metaną, etileną, acetileną ir propaną, o dimetildichlorsilanas ir tetrametilsilanas Ir taip toliau gali suteikti Si šaltinį ir C šaltinį tuo pačiu metu.
SashiroEzaki et al. naudojo CVD metodą, kaip substratą naudodamas dribsnių grafitą, metilchloretaną/vandenilį kaip reakcijos dujas ir nešančiųjų dujas, o SiC plėvelę nusodinęs 1250 ~1350°C temperatūroje, o po to oksidacijos, marinavimo ir pulverizacijos procesais buvo gautos dalelės. SiC milteliai, kurių skersmuo 200 ~ 1200μm.
Nors šis metodas gamina didelio grynumo SiC miltelius, vėlesnis procesas yra sudėtingas, žaliavos yra brangios, o derlius yra mažas.
W.Z.Zhu et al. naudojo CVD metodą, kaip reakcijos dujas naudojo silaną ir acetileną, o kaip nešančiųjų dujas – vandenilį, kad sintezuotų itin smulkius ir grynus SiC miltelius 1200-1400 °C temperatūroje.
AparnaGupta et al. naudojo heksametilsilaną kaip reakcijos šaltinį, vandenilį ir argoną kaip nešančiųjų dujas, taip pat sintezavo itin smulkius ir grynus SiC miltelius 1050–1250 °C temperatūroje, naudodama CVD metodą.
Pirmiau minėtų dviejų mokslinių tyrimų grupių nariai naudojo CVD metodą didelio grynumo SiC milteliams sintezuoti naudojant organinių dujų šaltinius. Tačiau susintezinti milteliai yra nano lygio itin smulkūs milteliai. Nors jis turi didelį grynumą, jį nėra lengva surinkti ir netinka didelio masto didelės apimties gamybai. Grynų SiC miltelių sintezė nėra palanki vėlesnio industrializacijos vystymuisi.
2. Savaime skleidžianti sintezė
Ankstesnis savaiminio sklidimo sintezės metodas yra metodas, kaip uždegti reaktyvų kūną išoriniu šildymo šaltiniu, o tada naudojant savo medžiagos cheminės reakcijos šilumą, kad vėlesnis cheminės reakcijos procesas tęstųsi spontaniškai, taip sintezuojant medžiagas.
Dauguma šio metodo naudoja silicio milteliai ir anglies juoda kaip žaliavos, ir priduria, kiti aktyvatoriai tiesiogiai reaguoti dideliu greičiu 1000-1150 °C gaminti SiC milteliai. Aktyvatorių įvedimas neišvengiamai paveiks sintezuotų produktų grynumą ir kokybę.
Todėl daugelis mokslininkų šiuo pagrindu pasiūlė patobulintą savaiminio dauginimo sintezės metodą. Pagerėjimas iš esmės yra skirtas išvengti aktyvatorių įvedimo ir užtikrinti nuolatinę ir veiksmingą sintezės reakcijos pažangą didinant sintezės temperatūrą ir nuolat tiekiant šildymą.
Jau 1999 m. Japonijos Bridgestone Company naudojo tetraethoxysilane kaip silicio šaltinį ir fenolio dervą kaip anglies šaltinį. Taikant degimo metodą 1700–2000 °C temperatūroje, sintezuotas 10–500 μm dalelių dydis, priemaišų kiekio SiC miltelių kokybė, kai frakcija mažesnė kaip 0,5×10–6.
Tačiau šio metodo reaktyviosios medžiagos naudoja organines medžiagas, todėl žaliavų kaina yra palyginti didelė, o tai nėra palanki masinei SiC miltelių gamybai.
Kinijos mokslų akademijos Silicio tyrimų instituto mokslininkai naudojo Si miltelius ir C miltelius, kurių žaliavos masės frakcijos yra 99,9% ar daugiau, kad sintezuotų 99,999% masės dalį SiC miltelių, tinkamų vienam kristalų augimui aukštos temperatūros reakcija Ar atmosferoje.
Ning Lina iš Shandong universiteto ir kiti vienodai sumaišyti Si milteliai ir C milteliai, kurių molinis santykis 1:1. Taikant antrinės reakcijos metodą, SiC milteliai buvo sintezuoti aukštoje temperatūroje.
LiWANG ir kiti naudoja aktyvintą anglį (dalelių dydis 20-100 μm) ir dribsnių grafitą (dalelių dydis 5-25μm) kaip anglies šaltinį (masės frakcija 99,9%), o didelio grynumo silicį kaip silicio šaltinį (dalelių dydis 10-270μm, masės frakcija 99.999%).
Didelio grynumo SiC milteliai buvo paruošti vakuuminėje aukštos temperatūros sukepinimo krosnyje argono atmosferoje 1900 °C temperatūroje.
LihuanWANG et al. naudojami silicio milteliai (masės frakcija 99.999%, dalelės 5-10μm) ir anglies milteliai (masės frakcija 99.999%, dalelės 5-20μm) didelio grynumo SiC milteliams sintezuoti tarpinio dažnio degimo sintezės metodu.
Li Bin iš Antrojo tyrimų instituto Kinijos elektronikos technologijų grupės korporacija naudojo savarankiško dauginimo metodą sintezuoti silicio karbido milteliai vieno kristalų augimą. Eksperimentuose nustatyta, kad silicio karbido miltelių, susintetų didelio vakuumo sąlygomis, grynumas yra geresnis nei silicio karbido miltelių, susintetų atviromis nešančiųjų dujų sąlygomis. Visų pirma, didelio vakuumo sąlygos padeda sumažinti N koncentraciją silicio karbido milteliuose.
Be to, silicio karbido pavieniai kristalai buvo auginami naudojant silicio karbido miltelius, susintetintus didelio vakuumo sąlygomis. Rezultatai parodė, kad auginami silicio karbido pavieniai kristalai turėjo didelį grynumą ir puikias pusizoliacines savybes, kurios atitiko susijusių prietaisų reikalavimus pusiau izoliacinių substratų. Elektriniai reikalavimai. Galima matyti, kad silicio karbido milteliai, susintetinti didelio vakuumo sąlygomis, yra naudingi didelio grynumo pusiau izoliacinių silicio karbido pavienių kristalų augimui.
Didelio grynumo SiC miltelių sintezės proceso perspektyva
Patobulintas savaiminio dauginimo metodas SiC sintezuojant turi santykinai mažas žaliavas ir gana paprastas procedūras. Šiuo metu tai yra įprastas metodas, naudojamas laboratorijose auginti pavienius kristalus sintezuoti SiC miltelius. Sintezės proceso metu nustatyta, kad skirtingi sintezės proceso parametrai turi tam tikrą įtaką sintezuojamam produktui. .
Ateityje moksliniai tyrimai turi būti stiprinami šiose srityse:
1. Išsamūs didelio grynumo SiC miltelių sintezės proceso mechanizmo tyrimai, ypač stiprinant pagrindinius teorinius tyrimus dėl veiksmingos miltelių dalelių dydžio, formos, dalelių dydžio pasiskirstymo ir grynumo kontrolės.
2. Toliau stiprinti mokslinius tyrimus, siekiant pagerinti konkretų procesą savarankiškai skleisti sintezę SiC milteliai, siekiant parengti didelio grynumo SiC milteliai tinka vieno kristalų SiC augimą su geros kokybės ir didelio grynumo, remiantis mažomis sąnaudomis ir paprastas procesas Todėl ji gali veiksmingai pagerinti augimo kokybę SiC vieno kristalų substratų ir skatinti savo šalies SiC pagrindu prietaisų pramonės plėtrą.
