Som ett av de representativa materialen hos tredje generationens halvledare är kiselkarbid lämplig för produktion av integrerade elektroniska enheter med hög temperatur, hög frekvens, antistrålning, hög effekt och hög densitet. För närvarande odlas kiselkarbidens enkristallsubstratmaterial som används vid tillverkning av anordningar i allmänhet med metoden PVT (Physical Vapor Transport). Studier har visat att renheten hos SiC-pulver och andra parametrar som partikelstorlek och kristalltyp har en viss inverkan på kvaliteten på Kiselkarliner som odlas med PVT-metod och till och med kvaliteten på efterföljande enheter. Denna artikel fokuserar främst på syntesprocessen av hög renhet SiC pulver för en kristall tillväxt med PVT metod.
SiC pulversyntes metod
Det finns många sätt att syntetisera SiC-pulver. Generellt sett kan det grovt delas in i tre metoder. Den första metoden är den fasta fasmetoden, bland vilken den representativa karbotermiska reduktionsmetoden, självförökande högtemperatursyntesmetod och mekanisk pulveriseringsmetod; Den andra metoden är metoden för vätskefas, av vilken den representativa metoden huvudsakligen är solkoagulationslimmetod och polymer termisk nedbrytningsmetod. Den tredje metoden är gasfasmetod, inklusive kemisk ångdeponeringsmetod, plasmametod och laserinduktionsmetod.
1. Fördelar och nackdelar med olika metoder
Kiselkarbidpulvret som syntetiseras med den fasta fasmetoden är mer ekonomiskt, med ett brett utbud av råvaror och låga priser, och är lätt att producera industriellt. Kiselkarbidpulvret som syntetiseras med denna metod har dock hög orenheteringshalt och låg kvalitet. den självförökande högtemperaturmetoden Den höga temperaturen ger reaktanterna den ursprungliga värmen för att starta den kemiska reaktionen och använder sedan sin egen kemiska reaktionsvärme för att få de oredovisade ämnena att fortsätta att slutföra den kemiska reaktionen. Men eftersom den kemiska reaktionen av Si och C avger mindre värme, måste andra tillsatser tillsättas för att upprätthålla den självförökande reaktionen, som oundvikligen introducerar föroreningar, och denna metod orsakar lätt ojämn reaktion.
För närvarande är tekniken för syntetisering av kiselkarbidpulver med den flytande fasmetoden relativt mogen. Kiselkarbidpulvret som syntetiseras med den flytande fasmetoden är mycket rent och nanostort fint pulver, men processen är mer komplicerad och det är lätt att producera skadliga ämnen till människokroppen.
Kiselkarbidpulvret som syntetiseras med gasfasmetoden har hög renhet och liten partikelstorlek, vilket är en vanlig metod för att syntetisera kiselkarbidpulver med hög renhet. Denna syntesmetod har dock hög kostnad och lågt utbyte och är inte lämplig för massproduktion.
2. Utrustning för kiselkarbidpulversyntes
Kiselkarbidpulversyntesutrustning används för att förbereda kiselkarbidpulver som krävs för odling av kiselkarbid enstaka kristaller. Högkvalitativt kiselkarbidpulver spelar en viktig roll i den efterföljande tillväxten av kiselkarbid.
Syntesen av kiselkarbidpulver antar den direkta reaktionen av kolpulver och kiselpulver med hög renhet och produceras med en syntesmetod med hög temperatur. De största tekniska svårigheterna med kiselkarbidpulversyntesutrustning är hög temperatur och hög vakuumtätning och styrning, vakuumkammare vattenkylning, vakuum- och mätsystem, elektriska styrsystem, pulversyntes degelvärme och kopplingsteknik.
För närvarande inkluderar stora utländska tillverkare Cree, Aymont, etc., och renheten hos syntetiskt pulver kan nå 99.9995%. De viktigaste inhemska enheterna inkluderar Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda och Chinese Academy of Sciences Institute of Ceramics. Renheten kan i allmänhet nå 99.999%, och vissa enheter kan nå 99.9995%.
SiC pulversyntesmetod med hög renhet
1. CVD-metod
För närvarande inkluderar syntesmetoderna för sic-pulver med hög renhet som används för att odla enstaka kristaller främst: CVD-metod och förbättrad självförökande syntesmetod (även kallad högtemperatursyntesmetod eller förbränningsmetod).
Bland dem innehåller Si-källan för CVD-syntes av SiC-pulver i allmänhet silan och kiseltetraklorid, medan C-källan i allmänhet använder koltetraklorid, metan, etylen, acetylen och propan, medan dimetyldiklorosilane och tetrameetylsilan och så vidare kan ge Si-källa och C-källa samtidigt.
SashiroEzaki et al. använde CVD-metoden, med hjälp av flake grafit som substrat, metylkloretan/väte som reaktionsgas och bärgas, och deponerad SiC-film vid 1250 ~ 1350 ° C, och sedan genom processerna för oxidation, betning och pulverisering erhölls partiklarna. SiC pulver med diametern 200 ~ 1200μm.
Även om denna metod producerar sic-pulver med hög renhet, är den efterföljande processen komplicerad, råvarorna är dyra och utbytet är lågt.
W.Z.Zhu et al. använde CVD-metoden, med silan och acetylen som reaktionsgas, och väte som bärgas, för att syntetisera ultrafint och hög renhet SiC-pulver vid 1200-1400 °C.
AparnaGupta et al. använde hexametylsilan som reaktionskälla, väte och argon som bärgas, och även syntetiserat ultrafint och hög renhet SiC pulver vid 1050 till 1250 °C med hjälp av CVD-metoden.
Medlemmarna i ovanstående två forskargrupper har använt CVD-metoden för att syntetisera sic-pulver med hög renhet med hjälp av organiska gaskällor. Det syntetiserade pulvret är dock ultrafint pulver på nanonivå. Även om den har hög renhet är den inte lätt att samla in och är inte lämplig för storskalig högvolymsproduktion. Syntesen av rent SiC-pulver bidrar inte till utvecklingen av senare industrialisering.
2. Självförökande syntes
Den tidigare självförökande syntesmetoden är en metod för att antända den reaktiva kroppen med en extern värmekälla och sedan använda den kemiska reaktionsvärmen av sitt eget ämne för att få den efterföljande kemiska reaktionsprocessen att fortsätta spontant och därigenom syntetisera material.
Det mesta av denna metod använder kiselpulver och kolsvart som råmaterial, och lägger till andra aktivatorer för att direkt reagera med en betydande hastighet vid 1000-1150 ° C för att producera SiC-pulver. Införandet av aktivatorer kommer oundvikligen att påverka renheten och kvaliteten på de syntetiserade produkterna.
Därför har många forskare föreslagit en förbättrad självförökande syntesmetod på denna grund. Förbättringen är främst för att undvika införandet av aktivatorer och för att säkerställa den kontinuerliga och effektiva utvecklingen av syntesreaktionen genom att öka syntestemperaturen och kontinuerligt leverera uppvärmning.
Redan 1999 använde Japans Bridgestone Company tetraetoxisilan som kiselkälla och fenolharts som kolkälla. Med hjälp av förbränningsmetoden på intervallet 1700–2000 °C syntetiserades partikelstorleken på 10–500 μm, kvaliteten på orenheterna SiC-pulver med en fraktion som var lägre än 0,5 ×10–6.
Reaktanterna i denna metod använder dock organiska ämnen, så kostnaden för råvaror är relativt hög, vilket inte bidrar till massproduktionen av SiC-pulver.
Forskare från Institute of Silicon Research of the Chinese Academy of Sciences använde Si pulver och C pulver med råmaterial massa fraktioner på 99,9% eller mer för att syntetisera en 99.999% massfraktion av SiC pulver lämplig för single crystal growth genom hög temperatur reaktion i en Ar atmosfär.
Ning Lina från Shandong University och andra jämnt blandade Si pulver och C pulver med ett molar förhållande på 1:1. Med hjälp av den sekundära reaktionsmetoden syntetiserades SiC pulver vid hög temperatur.
LiWANG och andra använder aktivt kol (partikelstorlek 20-100μm) och flake grafit (partikelstorlek 5-25μm) som kolkälla (massfraktion 99,9%), och hög renhets kisel som kiselkälla (partikelstorlek 10-270μm, massfraktion 99,999%) ).
Hög renhet SiC pulver förbereddes i en vakuum hög temperatur sintring ugn under argon atmosfär vid 1900 °C.
LihuanWANG et al. använt kiselpulver (massfraktion 99,999%, partiklar 5-10μm) och kolpulver (massfraktion 99,999%, partiklar 5-20μm) för att syntetisera sic-pulver med hög renhet med en mellanfrekvensvärmeförbränningssyntesmetod.
Li Bin vid Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation använde självförökande metod för att syntetisera kiselkarbidpulver för tillväxt av en kristall. I experiment visar det sig att renheten hos kiselkarbidpulver som syntetiseras under höga vakuumförhållanden är bättre än för kiselkarbidpulver syntetiserat under öppna bärgasförhållanden. I synnerhet hjälper höga vakuumförhållanden till att minska N-koncentrationen i kiselkarbidpulver.
Dessutom odlades kiselkarbidsinglar med kiselkarbidpulver syntetiserat under höga vakuumförhållanden. Resultaten visade att de odlade kiselkarbiden enkelkristaller hade hög renhet och utmärkta halvisolerande egenskaper, vilket uppfyllde kraven på relaterade anordningar för halvisolerande substrat. Elektriska krav. Det kan ses att kiselkarbidpulvret som syntetiseras under höga vakuumförhållanden är fördelaktigt för tillväxten av halvisolerande kiselkarbidsinglar med hög renhet.
Utsikter till syntesprocess av hög renhet sic pulver
Den förbättrade självförökningsmetoden för syntetisering av SiC har relativt låga råvaror och relativt enkla förfaranden. Det är för närvarande en vanlig metod som används i laboratorier för att odla enstaka kristaller för att syntetisera SiC-pulver. Under syntesprocessen visar det sig att olika syntesprocessparametrar har ett visst inflytande på den syntetiserade produkten. .
I framtiden behöver forskningen stärkas inom följande områden:
1. Djupgående forskning om mekanismen för sic-pulversyntesprocess med hög renhet, särskilt förstärkning av den grundläggande teoretiska forskningen om effektiv kontroll av pulverpartikelstorlek, form, partikelstorleksfördelning och renhet.
2. Ytterligare stärka forskningen om att förbättra den specifika processen för självförökande syntes av SiC-pulver, för att förbereda sic-pulver med hög renhet som lämpar sig för kiseltillväxt med god kvalitet och hög renhet på grundval av låg kostnad och enkel process Därför kan det effektivt förbättra tillväxtkvaliteten hos SiC-enkla kristallsubstrat och främja utvecklingen av mitt lands SiC-baserade enhetsindustri.
