Come uno dei materiali rappresentativi dei semiconduttori di terza generazione, il carburo di silicio è adatto per la produzione di dispositivi elettronici integrati ad alta temperatura, alta frequenza, anti-radiazioni, ad alta potenza e ad alta densità. Attualmente, il materiale del substrato monocristanico in carburo di silicio utilizzato nella produzione di dispositivi è generalmente coltivato con il metodo PVT (Physical Vapor Transport). Gli studi hanno dimostrato che la purezza della polvere SiC e altri parametri come la dimensione delle particelle e il tipo di cristallo hanno un certo impatto sulla qualità dei singoli cristalli SiC coltivati con il metodo PVT e persino sulla qualità dei dispositivi successivi. Questo articolo si concentra principalmente sul processo di sintesi della polvere SiC ad alta purezza per la crescita di singoli cristalli con metodo PVT.
Metodo di sintesi della polvere SiC
Esistono molti modi per sintetizzare la polvere SiC. In generale, può essere approssimativamente diviso in tre metodi. Il primo metodo è il metodo della fase solida, tra cui il metodo rappresentativo di riduzione carbotermica, il metodo di sintesi ad alta temperatura autopropagante e il metodo di polverizzazione meccanica; il secondo metodo è il metodo della fase liquida, il cui metodo rappresentativo è principalmente il metodo di colla a sol-coagulazione e il metodo di decomposizione termica del polimero; il terzo metodo è il metodo della fase gassosa, incluso il metodo di deposizione chimica del vapore, il metodo plasmatico e il metodo di induzione laser.
1. Vantaggi e svantaggi di vari metodi
La polvere di carburo di silicio sintetizzata con il metodo della fase solida è più economica, con una vasta gamma di materie prime e prezzi bassi, ed è facile da produrre industrialmente. Tuttavia, la polvere di carburo di silicio sintetizzata con questo metodo ha un alto contenuto di impurità e bassa qualità; il metodo di autopropagazione ad alta temperatura utilizza L'alta temperatura dà ai reagenti il calore iniziale per iniziare la reazione chimica, quindi utilizza il proprio calore di reazione chimica per far continuare le sostanze non reagì a completare la reazione chimica. Tuttavia, poiché la reazione chimica di Si e C emette meno calore, è necessario aggiungere altri additivi per mantenere la reazione autopropagante, che inevitabilmente introduce elementi di impurità, e questo metodo provoca facilmente reazioni irregolari.
Attualmente, la tecnologia per sintetizzare la polvere di carburo di silicio con il metodo della fase liquida è relativamente matura. La polvere di carburo di silicio sintetizzata con il metodo della fase liquida è polvere fine altamente pura e di dimensioni nanometriche, ma il processo è più complicato ed è facile produrre sostanze nocive per il corpo umano.
La polvere di carburo di silicio sintetizzata con il metodo della fase gassosa ha un'elevata purezza e piccole dimensioni delle particelle, che è un metodo comune per sintetizzare polvere di carburo di silicio ad alta purezza. Tuttavia, questo metodo di sintesi ha un costo elevato e una bassa resa e non è adatto per la produzione di massa.
2. Apparecchiature di sintesi in polvere di carburo di silicio
Le apparecchiature di sintesi in polvere di carburo di silicio vengono utilizzate per preparare la polvere di carburo di silicio necessaria per la coltivazione di singoli cristalli di carburo di silicio. La polvere di carburo di silicio di alta qualità gioca un ruolo importante nella successiva crescita del carburo di silicio.
La sintesi della polvere di carburo di silicio adotta la reazione diretta della polvere di carbonio ad alta purezza e della polvere di silicio ed è prodotta con un metodo di sintesi ad alta temperatura. Le principali difficoltà tecniche delle apparecchiature di sintesi in polvere di carburo di silicio sono l'alta temperatura e l'alta tenuta e controllo del vuoto, il raffreddamento ad acqua a camera sottovuoto, i sistemi di vuoto e misurazione, i sistemi di controllo elettrico, la tecnologia di riscaldamento e accoppiamento del crogiolo di sintesi delle polveri.
Attualmente, i principali produttori stranieri includono Cree, Aymont, ecc., e la purezza della polvere sintetica può raggiungere il 99,9995%. Le principali unità domestiche includono il Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda e il Chinese Academy of Sciences Institute of Ceramics. La purezza può generalmente raggiungere il 99,999%, e alcune unità possono raggiungere il 99,9995%.
Metodo di sintesi in polvere SiC ad alta purezza
1. Metodo CVD
Attualmente, i metodi di sintesi della polvere SiC ad alta purezza utilizzata per la coltivazione di singoli cristalli includono principalmente: metodo CVD e metodo di sintesi autopropagante migliorato (chiamato anche metodo di sintesi ad alta temperatura o metodo di combustione).
Tra questi, la fonte Si per la sintesi CVD della polvere di SiC generalmente include il tetracloruro di silane e silicio, mentre la sorgente C generalmente utilizza tetracloruro di carbonio, metano, etilene, acetilene e propano, mentre dimetildiclorosilano e tetrametilsilano E così via possono fornire sorgente di Si e sorgente C allo stesso tempo.
ha usato il metodo CVD, usando la grafite a scaglie come substrato, il cloroetano metile/idrogeno come gas di reazione e gas vettore, e ha depositato la pellicola SiC a 1250 ~ 1350 °C, e quindi attraverso i processi di ossidazione, decapaggio e polverizzazione, le particelle sono state ottenute. Polvere SiC con diametro di 200~1200μm.
Sebbene questo metodo produca polvere SiC ad alta purezza, il processo successivo è complicato, le materie prime sono costose e la resa è bassa.
W.Z.Zhu et al.
ha usato l'esametilsilano come fonte di reazione, idrogeno e argon come gas vettore, e ha anche sintetizzato polvere di SiC ultra-fine e ad alta purezza a 1050-1250 °C usando il metodo CVD.
I membri dei due gruppi di ricerca di cui sopra hanno utilizzato il metodo CVD per sintetizzare polvere SiC ad alta purezza utilizzando fonti di gas organico. Tuttavia, la polvere sintetizzata è polvere ultra-fine di livello nanometrico. Sebbene abbia un'elevata purezza, non è facile da raccogliere e non è adatto per la produzione su larga scala ad alto volume. La sintesi della polvere sic pura non favorisce lo sviluppo di una successiva industrializzazione.
2. Sintesi autopropagante
Il precedente metodo di sintesi autopropagante è un metodo per accendere il corpo reagente con una fonte di riscaldamento esterna, e quindi utilizzare il calore di reazione chimica della propria sostanza per far continuare spontaneamente il successivo processo di reazione chimica, sintetizzando così i materiali.
La maggior parte di questo metodo utilizza polvere di silicio e nero fumo come materie prime e aggiunge altri attivatori per reagire direttamente a una velocità significativa a 1000-1150 °C per produrre polvere SiC. L'introduzione di attivatori influenzerà inevitabilmente la purezza e la qualità dei prodotti sintetizzati.
Pertanto, molti ricercatori hanno proposto un metodo di sintesi autopropagante migliorato su questa base. Il miglioramento è principalmente quello di evitare l'introduzione di attivatori e di garantire il progresso continuo ed efficace della reazione di sintesi aumentando la temperatura di sintesi e fornendo continuamente riscaldamento.
Già nel 1999, la Bridgestone Company giapponese utilizzava il tetraetossisilano come fonte di silicio e la resina fenolo come fonte di carbonio. Utilizzando il metodo di combustione all'intervallo di 1700-2000 °C, sintetizzato la dimensione delle particelle di 10-500μm, la qualità del contenuto di impurità Polvere siC con una frazione inferiore a 0,5×10-6.
Tuttavia, i reagenti di questo metodo utilizzano sostanze organiche, quindi il costo delle materie prime è relativamente elevato, il che non favorisce la produzione di massa di polvere SiC.
I ricercatori dell'Institute of Silicon Research dell'Accademia cinese delle scienze hanno utilizzato polvere si e polvere C con frazioni di massa di materie prime del 99,9% o più per sintetizzare una frazione di massa del 99,999% di polvere sic adatta per la crescita di un singolo cristallo per reazione ad alta temperatura in un'atmosfera Ar.
Ning Lina dell'Università di Shandong e altri hanno miscelato uniformemente polvere di Si e polvere C con un rapporto molare di 1:1. Utilizzando il metodo di reazione secondario, la polvere SiC è stata sintetizzata ad alta temperatura.
LiWANG e altri usano carbone attivo (dimensione delle particelle 20-100μm) e grafite a scaglie (dimensione delle particelle 5-25μm) come fonte di carbonio (frazione di massa 99,9%) e silicio ad alta purezza come fonte di silicio (dimensione delle particelle 10-270μm, frazione di massa 99,999%) ).
La polvere SiC ad alta purezza è stata preparata in un forno di sinterizzazione ad alta temperatura sotto vuoto in atmosfera argon a 1900 °C.
lihuanWANG et al.
Li Bin del Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation ha utilizzato un metodo autorepropagante per sintetizzare la polvere di carburo di silicio per la crescita di singoli cristalli. Negli esperimenti, si trova che la purezza della polvere di carburo di silicio sintetizzata in condizioni di vuoto elevato è migliore di quella della polvere di carburo di silicio sintetizzata in condizioni di gas portante aperto. In particolare, le elevate condizioni di vuoto aiutano a ridurre la concentrazione di N nella polvere di carburo di silicio.
Inoltre, i singoli cristalli in carburo di silicio sono stati coltivati utilizzando polvere di carburo di silicio sintetizzata in condizioni di vuoto elevato. I risultati hanno mostrato che i singoli cristalli in carburo di silicio coltivato avevano un'elevata purezza e eccellenti proprietà semi-isolanti, che soddisfare i requisiti dei dispositivi correlati per substrati semi-isolanti. Requisiti elettrici. Si può vedere che la polvere di carburo di silicio sintetizzata in condizioni di vuoto elevato è benefica per la crescita di singoli cristalli di carburo di silicio semiisolante ad alta purezza.
Prospettiva di processo di sintesi di polvere SiC ad alta purezza
Il metodo di autopropagazione migliorato per sintetizzare il SiC ha materie prime relativamente basse e procedure relativamente semplici. Attualmente è un metodo comune utilizzato nei laboratori per coltivare singoli cristalli per sintetizzare la polvere SiC. Durante il processo di sintesi, si trova che diversi parametri del processo di sintesi hanno una certa influenza sul prodotto sintetizzato. .
In futuro, la ricerca deve essere rafforzata nei seguenti settori:
1. Ricerca approfondita sul meccanismo del processo di sintesi della polvere SiC ad alta purezza, rafforzando in particolare la ricerca teorica di base sul controllo efficace delle dimensioni, della forma, della distribuzione delle dimensioni delle particelle e della purezza delle particelle in polvere.
2. Rafforzare ulteriormente la ricerca sul miglioramento dello specifico processo di sintesi autopropagante della polvere SiC, al fine di preparare polvere SiC ad alta purezza adatta alla crescita sic monocristamento con buona qualità e alta purezza sulla base di un processo semplice e a basso costo Pertanto, può migliorare efficacemente la qualità di crescita dei substrati monocristabili SiC e promuovere lo sviluppo dell'industria dei dispositivi a base sic del mio paese.
