Som et af de repræsentative materialer fra tredje generation af halvledere er siliciumcarbid velegnet til produktion af højtemperatur-, højfrekvens-, anti-strålings-, højeffekts- og højdensitetsintegrerede elektroniske enheder. På nuværende tidspunkt dyrkes siliciumcarbid-enkeltkrystal-substratmaterialet, der anvendes til fremstilling af indretninger, generelt ved hjælp af PVT-metoden (Physical Vapor Transport). Undersøgelser har vist, at renheden af SiC-pulver og andre parametre såsom partikelstørrelse og krystaltype har en vis indflydelse på kvaliteten af SiC-enkeltkrystaller, der er dyrket efter PVT-metoden og endda kvaliteten af efterfølgende enheder. Denne artikel fokuserer primært på synteseprocessen af SiC-pulver med høj renhed til enkeltkrystalvækst ved PVT-metode.
SiC pulversyntese metode
Der er mange måder at syntetisere SiC-pulver på. Generelt kan det groft opdeles i tre metoder. Den første metode er fastfasemetoden, blandt hvilken den repræsentative carbotermiske reduktionsmetode, selvformerende højtemperatursyntese og mekanisk pulveriseringsmetode; den anden metode er den flydende fasemetode, hvoraf den repræsentative metode hovedsagelig er solkoagulationslimmetode og polymer termisk nedbrydningsmetode; den tredje metode er gasfasemetode, herunder kemisk dampaflejringsmetode, plasmametode og laserinduktionsmetode.
1. Fordele og ulemper ved forskellige metoder
Siliciumcarbidpulveret, der er syntetiseret ved fastfasemetoden, er mere økonomisk med en bred vifte af råmaterialer og lave priser og er let at fremstille industrielt. Imidlertid har siliciumcarbidpulveret syntetiseret ved denne metode højt urenhedsindhold og lav kvalitet; den selvopformerende metode ved høj temperatur bruger Den høje temperatur giver reaktanterne den indledende varme til at starte den kemiske reaktion og bruger derefter deres egen kemiske reaktionsvarme for at få de uomsatte stoffer til at fortsætte med at fuldføre den kemiske reaktion. Da den kemiske reaktion af Si og C imidlertid udsender mindre varme, skal andre tilsætningsstoffer tilsættes for at opretholde den selvforplantende reaktion, som uundgåeligt introducerer urenhedselementer, og denne metode forårsager let ujævn reaktion.
På nuværende tidspunkt er teknologien til syntetisering af siliciumcarbidpulver ved væskefasemetoden relativt moden. Siliciumcarbidpulveret, der er syntetiseret ved væskefasemetoden, er meget rent og fint pulver i nanostørrelse, men processen er mere kompliceret, og det er let at producere skadelige stoffer til menneskekroppen.
Siliciumcarbidpulveret, der er syntetiseret ved gasfasemetoden, har høj renhed og lille partikelstørrelse, hvilket er en almindelig metode til syntetisering af siliciumcarbidpulver med høj renhed. Imidlertid har denne syntesemetode høje omkostninger og lavt udbytte og er ikke egnet til masseproduktion.
2. Synteseudstyr af siliciumcarbidpulver
Synteseudstyr til siliciumcarbidpulver bruges til at fremstille siliciumcarbidpulver, der kræves til dyrkning af siliciumcarbid-enkeltkrystaller. Højkvalitets siliciumcarbidpulver spiller en vigtig rolle i den efterfølgende vækst af siliciumcarbid.
Syntesen af siliciumcarbidpulver vedtager den direkte reaktion af kulstofpulver med høj renhed og siliciumpulver og produceres ved en syntesemetode ved høj temperatur. De vigtigste tekniske vanskeligheder ved siliciumcarbidpulversynteseudstyr er tætning og kontrol med høj temperatur og højvakuum, vandkøling til vakuumkammer, vakuum- og målesystemer, elektriske kontrolsystemer, pulver syntese digel opvarmning og koblingsteknologi.
I øjeblikket inkluderer store udenlandske producenter Cree, Aymont osv., Og renheden af syntetisk pulver kan nå 99,9995%. De vigtigste indenlandske enheder inkluderer Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda og det kinesiske videnskabsakademi Institut for Keramik. Renheden kan generelt nå 99,999%, og nogle enheder kan nå 99,9995%.
Høj renhed SiC pulver syntese metode
1. CVD-metode
På nuværende tidspunkt inkluderer syntesemetoderne af SiC-pulver med høj renhed, der anvendes til dyrkning af enkeltkrystaller, hovedsagelig: CVD-metode og forbedret selvforplantende syntesemetode (også kaldet højtemperatur-syntesemetode eller forbrændingsmetode).
Blandt dem inkluderer Si-kilden til CVD-syntese af SiC-pulver generelt silan og siliciumtetrachlorid, mens C-kilden generelt bruger carbontetrachlorid, methan, ethylen, acetylen og propan, mens dimethyldichlorsilan og tetramethylsilan og så videre kan tilvejebringe Si-kilde og C kilde på samme tid.
SashiroEzaki et al. anvendte CVD-metoden under anvendelse af flingegrafit som substrat, methylchlorethan / hydrogen som reaktionsgas og bærergas og deponeret SiC-film ved 1250 til 1350 ° C, og derefter blev processerne opnået gennem processerne med oxidation, bejdsning og pulverisering . SiC pulver med en diameter på 200 ～ 1200 µm.
Selvom denne metode producerer SiC-pulver med høj renhed, er den efterfølgende proces kompliceret, råmaterialerne er dyre, og udbyttet er lavt.
WZZhu et al. anvendte CVD-metoden ved anvendelse af silan og acetylen som reaktionsgas og hydrogen som bærergas til at syntetisere ultrafint og høj-rent SiC-pulver ved 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et al. anvendte hexamethylsilan som reaktionskilde, hydrogen og argon som bærergas og syntetiserede også ultrafint og høj-renhed SiC-pulver ved 1050 til 1250 ° C ved anvendelse af CVD-metoden.
Medlemmerne af de ovennævnte to forskningsgrupper har brugt CVD-metoden til at syntetisere SiC-pulver med høj renhed ved hjælp af organiske gaskilder. Det syntetiserede pulver er imidlertid ultrafint pulver på nanoniveau. Selvom den har høj renhed, er den ikke let at samle op og er ikke egnet til storskalaproduktion i stor skala. Syntesen af rent SiC-pulver bidrager ikke til udviklingen af senere industrialisering.
2. Selvforplantende syntese
Den tidligere selvforplantende syntesemetode er en metode til antændelse af reaktantlegemet med en ekstern varmekilde og derefter anvendelse af den kemiske reaktionsvarme fra sit eget stof for at få den efterfølgende kemiske reaktionsproces til at fortsætte spontant og derved syntetisere materialer.
Det meste af denne metode bruger siliciumpulver og kønrøg som råmaterialer og tilføjer andre aktivatorer til direkte at reagere med en betydelig hastighed ved 1000-1150 ° C for at producere SiC-pulver. Introduktionen af aktivatorer vil uundgåeligt påvirke renheden og kvaliteten af de syntetiserede produkter.
Derfor har mange forskere foreslået en forbedret selvforplantende syntesemetode på dette grundlag. Forbedringen er hovedsageligt for at undgå introduktion af aktivatorer og for at sikre kontinuerlig og effektiv fremskridt for syntesereaktionen ved at øge syntesetemperaturen og kontinuerligt levere varme.
Allerede i 1999 brugte Japans Bridgestone Company tetraethoxysilan som siliciumkilde og phenolharpiks som kulstofkilde. Ved hjælp af forbrændingsmetoden i intervallet 1700-2000 ℃, syntetiseret partikelstørrelsen på 10-500 μm, kvaliteten af urenhedsindholdet SiC-pulver med en brøkdel lavere end 0,5 × 10-6.
Imidlertid bruger reaktanterne ved denne metode organiske stoffer, så prisen på råmaterialer er relativt høj, hvilket ikke er befordrende for masseproduktionen af SiC-pulver.
Forskere fra Institute of Silicon Research fra det kinesiske videnskabsakademi brugte Si-pulver og C-pulver med råvaremassefraktioner på 99,9% eller mere til at syntetisere en 99,999% massefraktion af SiC-pulver, der er egnet til enkeltkrystalvækst ved høj temperaturreaktion i en Ar atmosfære.
Ning Lina fra Shandong University og andre blandet jævnt Si-pulver og C-pulver med et molforhold på 1: 1. Ved anvendelse af den sekundære reaktionsmetode blev SiC-pulver syntetiseret ved høj temperatur.
LiWANG og andre bruger aktivt kul (partikelstørrelse 20-100 μm) og flakegrafit (partikelstørrelse 5-25 μm) som kulkilde (massefraktion 99,9%) og siliciumkilde med høj renhed som siliciumkilde (partikelstørrelse 10-270 μm, massefraktion 99,999%)).
SiC-pulver med høj renhed blev fremstillet i en vakuum sintringsovn ved høj temperatur under argonatmosfære ved 1900 ℃.
LihuanWANG et al. anvendt siliciumpulver (massefraktion 99,999%, partikler 5-10 μm) og kulstofpulver (massefraktion 99,999%, partikler 5-20 μm) til at syntetisere SiC-pulver med høj renhed ved en mellemfrekvensopvarmningsforbrændingssyntesemetode.
Li Bin fra det andet forskningsinstitut i Kina Electronics Technology Group Corporation brugte selvformeringsmetode til at syntetisere siliciumcarbidpulver til enkeltkrystalvækst. I eksperimenter har det vist sig, at renheden af siliciumcarbidpulver, der er syntetiseret under betingelser med højt vakuum, er bedre end den af siliciumcarbidpulver, der er syntetiseret under åbne bærergasbetingelser. Især hjælper høje vakuumbetingelser med at reducere N-koncentrationen i siliciumcarbidpulver.
Derudover blev siliciumcarbid-enkeltkrystaller dyrket under anvendelse af siliciumcarbidpulver syntetiseret under højvakuumbetingelser. Resultaterne viste, at de dyrkede enkeltkrystaller af siliciumcarbid havde høj renhed og fremragende semi-isolerende egenskaber, som opfyldte kravene til relaterede enheder til semi-isolerende substrater. Elektriske krav. Det kan ses, at siliciumcarbidpulveret, der er syntetiseret under betingelser med højt vakuum, er fordelagtigt for væksten af semi-isolerende siliciumcarbid enkeltkrystaller med høj renhed.
Udsigterne til syntese af SiC-pulver med høj renhed
Den forbedrede selvformeringsmetode til syntetisering af SiC har relativt lave råmaterialer og relativt enkle procedurer. Det er i øjeblikket en almindelig metode, der anvendes i laboratorier til at dyrke enkeltkrystaller til at syntetisere SiC-pulver. Under synteseprocessen viser det sig, at forskellige synteseprocesparametre har en vis indflydelse på det syntetiserede produkt. .
I fremtiden skal forskningen styrkes inden for følgende områder:
1. Grundig undersøgelse af mekanismen til SiC-pulversyntese med høj renhed, især styrkelse af den grundlæggende teoretiske forskning om effektiv kontrol af pulverpartikelstørrelse, form, partikelstørrelsesfordeling og renhed.
2. Yderligere styrke forskningen om forbedring af den specifikke proces til selvforplantende syntese af SiC-pulver for at fremstille SiC-pulver med høj renhed, der er egnet til SiC-vækst med enkelt krystal med god kvalitet og høj renhed på basis af lave omkostninger og enkel proces Derfor kan det effektivt forbedre vækstkvaliteten af SiC-enkeltkrystal-substrater og fremme udviklingen af mit lands' s SiC-baserede enhedsindustri.
