Com a un dels materials representatius dels semiconductors de tercera generació, el carbur de silici és adequat per a la producció de dispositius electrònics integrats d’alta temperatura, alta freqüència, antiradiació, alta potència i alta densitat. Actualment, el material de substrat monocristall de carbur de silici utilitzat en la producció de dispositius es cultiva generalment pel mètode PVT (Transport físic de vapor). Els estudis han demostrat que la puresa de la pols de SiC i altres paràmetres com la mida de les partícules i el tipus de cristall tenen un cert impacte sobre la qualitat dels cristalls simples de SiC cultivats pel mètode PVT i fins i tot la qualitat dels dispositius posteriors. Aquest article se centra principalment en el procés de síntesi de pols de SiC d’alta puresa per al creixement d’un sol cristall mitjançant el mètode PVT.
Mètode de síntesi de pols de SiC
Hi ha moltes maneres de sintetitzar pols de SiC. En termes generals, es pot dividir aproximadament en tres mètodes. El primer mètode és el mètode de fase sòlida, entre els quals el mètode representatiu de reducció carbotèrmica, el mètode de síntesi d’alta temperatura autopropagant i el mètode de polvorització mecànica; el segon mètode és el mètode en fase líquida, del qual el mètode representatiu és principalment el mètode de cola de coagulació sol i el mètode de descomposició tèrmica del polímer; el tercer mètode és el mètode en fase gasosa, que inclou el mètode de deposició de vapor químic, el mètode de plasma i el mètode d’inducció làser.
1. Avantatges i desavantatges de diversos mètodes
La pols de carbur de silici sintetitzada pel mètode de fase sòlida és més econòmica, amb una àmplia gamma de matèries primeres i preus baixos, i és fàcil de produir industrialment. No obstant això, la pols de carbur de silici sintetitzada per aquest mètode té un alt contingut en impureses i baixa qualitat; s’utilitza el mètode d’autopropagació a alta temperatura. L’alta temperatura proporciona als reactius la calor inicial per iniciar la reacció química i, a continuació, utilitza la seva pròpia calor de reacció química perquè les substàncies que no han reaccionat continuïn completant la reacció química. No obstant això, atès que la reacció química de Si i C emet menys calor, cal afegir altres additius per mantenir la reacció d’autopropagació, que inevitablement introdueix elements d’impuresa, i aquest mètode provoca fàcilment reaccions desiguals.
Actualment, la tecnologia per sintetitzar pols de carbur de silici mitjançant el mètode de fase líquida és relativament madura. La pols de carbur de silici sintetitzada pel mètode de fase líquida és una pols fina molt pura i de mida nano, però el procés és més complicat i és fàcil produir substàncies nocives per al cos humà.
El pols de carbur de silici sintetitzat pel mètode de fase gasosa té una gran puresa i una petita mida de partícula, que és un mètode comú per sintetitzar pols de carbur de silici d’alta puresa. No obstant això, aquest mètode de síntesi té un alt cost i un rendiment baix i no és adequat per a la producció en massa.
2. Equips de síntesi de pols de carbur de silici
Els equips de síntesi de pols de carbur de silici s’utilitzen per preparar pols de carbur de silici necessari per al cultiu de monocristalls de carbur de silici. La pols de carbur de silici d’alta qualitat juga un paper important en el creixement posterior del carbur de silici.
La síntesi de pols de carbur de silici adopta la reacció directa de pols de carboni d’alta puresa i pols de silici i es produeix mitjançant un mètode de síntesi a alta temperatura. Les principals dificultats tècniques dels equips de síntesi de pols de carbur de silici són el segellat i control d’alta temperatura i alt buit, sistemes de refrigeració per aigua de cambra de buit, sistemes de mesura i buit, sistemes de control elèctric, tecnologia de calefacció i acoblament de gresols de síntesi de pols.
Actualment, els principals fabricants estrangers inclouen Cree, Aymont, etc., i la puresa de la pols sintètica pot arribar al 99,9995%. Les principals unitats nacionals inclouen el Segon Institut de Recerca en Energia Elèctrica de la Xina, Shandong Tianyue, Tianke Heda i l'Institut de Ceràmica de l'Acadèmia Xinesa de Ciències. La puresa generalment pot arribar al 99,999% i algunes unitats poden arribar al 99,9995%.
Mètode de síntesi de pols de SiC d’alta puresa
1. Mètode CVD
Actualment, els mètodes de síntesi de pols de SiC d’alta puresa que s’utilitzen per cultivar monocristalls inclouen principalment: mètode CVD i mètode de síntesi d’autopropagació millorat (també anomenat mètode de síntesi d’alta temperatura o mètode de combustió).
Entre ells, la font de Si per a la síntesi de CVD de pols de SiC generalment inclou tetraclorur de silà i silici, mentre que la font de C utilitza generalment tetraclorur de carboni, metà, etilè, acetilè i propà, mentre que el dimetildiclorosilà i el tetrametilsilà, etc., poden proporcionar font de Si i C font al mateix temps.
SashiroEzaki et al. va utilitzar el mètode CVD, utilitzant grafit en escates com a substrat, cloretan metil / hidrogen com a gas de reacció i gas portador, i va dipositar la pel·lícula de SiC a 1250 ～ 1350 ℃ i, a través dels processos d’oxidació, decapatge i polvorització, es van obtenir les partícules . Pols de SiC amb un diàmetre de 200 ～ 1200μm.
Tot i que aquest mètode produeix pols de SiC d’alta puresa, el procés posterior és complicat, les matèries primeres són costoses i el rendiment és baix.
WZZhu et al. va utilitzar el mètode CVD, utilitzant silà i acetilè com a gas de reacció, i l’hidrogen com a gas portador, per sintetitzar pols de SiC ultra-fi i d’alta puresa a 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et al. Va utilitzar hexametilsilà com a font de reacció, l’hidrogen i l’argó com a gas portador, i també va sintetitzar pols de SiC ultra-fi i d’alta puresa entre 1050 i 1250 ° C mitjançant el mètode CVD.
Els membres dels dos grups de recerca anteriors han utilitzat el mètode CVD per sintetitzar pols de SiC d'alta puresa mitjançant fonts de gas orgànic. No obstant això, la pols sintetitzada és una pols ultra fina de nivell nano. Tot i que té una puresa elevada, no és fàcil de recollir i no és adequat per a la producció a gran escala a gran volum. La síntesi de pols de SiC pur no propicia el desenvolupament d’una industrialització posterior.
2. Síntesi d’autopropagació
L’anterior mètode de síntesi d’autopropagació és un mètode per encendre el cos reactiu amb una font d’escalfament extern, i després utilitzar la calor de la reacció química de la seva pròpia substància per fer que el procés de reacció química posterior continuï espontàniament, sintetitzant així materials.
La major part d’aquest mètode utilitza pols de silici i negre de fum com a matèries primeres i afegeix altres activadors que reaccionen directament a una velocitat significativa a 1000-1150 ° C per produir pols de SiC. La introducció d’activadors afectarà inevitablement la puresa i la qualitat dels productes sintetitzats.
Per tant, molts investigadors han proposat un mètode de síntesi d’autopropagació millorat sobre aquesta base. La millora consisteix principalment a evitar la introducció d’activadors i a assegurar el progrés continu i efectiu de la reacció de síntesi augmentant la temperatura de síntesi i subministrant calefacció contínuament.
Ja el 1999, la companyia japonesa Bridgestone utilitzava el tetraetoxisilan com a font de silici i la resina de fenol com a font de carboni. Utilitzant el mètode de combustió en el rang de 1700-2000 synth, es va sintetitzar la mida de les partícules de 10-500 μm, la qualitat del contingut en impuresa de pols de SiC amb una fracció inferior a 0,5 × 10-6.
No obstant això, els reactius d’aquest mètode utilitzen substàncies orgàniques, de manera que el cost de les matèries primeres és relativament elevat, cosa que no propicia la producció en massa de pols de SiC.
Investigadors de l’Institut de Recerca en Silici de l’Acadèmia Xinesa de Ciències van utilitzar pols de Si i pols de C amb fraccions de massa de matèries primeres del 99,9% o més per sintetitzar una fracció de massa del 99,999% de pols de SiC adequada per al creixement d’un sol cristall mitjançant una reacció a alta temperatura. Ambient atmosfèric.
Ning Lina, de la Universitat de Shandong, i d’altres barrejats uniformement amb pols de Si i pols de C amb una proporció molar d’1: 1. Mitjançant el mètode de reacció secundària, es va sintetitzar pols de SiC a alta temperatura.
LiWANG i altres utilitzen carbó actiu (mida de partícula de 20 a 100 μm) i grafit en escates (mida de partícula de 5 a 25 μm) com a font de carboni (fracció de massa del 99,9%) i silici d’alta puresa com a font de silici (mida de partícula de 10 a 270 μm, fracció de massa) 99,999%)).
La pols de SiC d'alta puresa es va preparar en un forn de sinterització a alta temperatura al buit sota atmosfera d'argó a 1900 ℃.
LihuanWANG et al. s’utilitza pols de silici (fracció de massa 99,999%, partícules de 5-10 μm) i carboni (fracció de massa 99,999%, partícules de 5 a 20 μm) per sintetitzar pols de SiC d’alta puresa mitjançant un mètode de síntesi de combustió per escalfament de freqüència intermèdia.
Li Bin, del Segon Institut de Recerca de la Corporació Electrònica de Tecnologia Electrònica de la Xina, va utilitzar un mètode d’autopropagació per sintetitzar pols de carbur de silici per al creixement d’un sol cristall. En experiments, es va trobar que la puresa de la pols de carbur de silici sintetitzada en condicions de buit elevat és millor que la de la pols de carbur de silici sintetitzada en condicions de gas portador obert. En particular, les altes condicions de buit ajuden a reduir la concentració de N en pols de carbur de silici.
A més, es van cultivar monocristalls de carbur de silici mitjançant pols de carbur de silici sintetitzat en condicions de buit elevat. Els resultats van mostrar que els cristalls simples de carbur de silici cultivats tenien una elevada puresa i excel·lents propietats semi-aïllants, que complien els requisits dels dispositius relacionats per a substrats semi-aïllants. Requisits elèctrics. Es pot veure que la pols de carbur de silici sintetitzada en condicions de buit elevat és beneficiosa per al creixement de cristalls simples de carbur de silici semi-aïllants d’alta puresa.
Perspectiva del procés de síntesi de pols de SiC d'alta puresa
El mètode d’autopropagació millorat per sintetitzar SiC té matèries primeres relativament baixes i procediments relativament senzills. Actualment és un mètode comú que s’utilitza als laboratoris per cultivar monocristalls per sintetitzar pols de SiC. Durant el procés de síntesi, es constata que diferents paràmetres del procés de síntesi tenen una certa influència sobre el producte sintetitzat. .
En el futur, cal reforçar la investigació en els següents àmbits:
1. Investigació en profunditat sobre el mecanisme del procés de síntesi de pols de SiC d'alta puresa, especialment enfortint la investigació teòrica bàsica sobre el control eficaç de la mida, la forma, la distribució de la mida de les partícules i la puresa de les partícules de pols.
2. Reforçar encara més la investigació sobre la millora del procés específic de síntesi autopropagant de pols de SiC, per tal de preparar pols de SiC d’alta puresa adequada per al creixement de SiC de monocristall amb bona qualitat i alta puresa sobre la base d’un procés senzill i de baix cost Per tant, pot millorar eficaçment la qualitat de creixement dels substrats monocristallins de SiC i promoure el desenvolupament de la indústria de dispositius basats en SiC del meu país&# 39.
