Silisium karbid tək kristal artım prosesində, fiziki buxar nəqli cari əsas sənayeləşmə üsuludur. PVT artım metodu üçün,silisium karbid tozuböyümə prosesinə böyük təsir göstərir. Bütün parametrlərisilisium karbid tozumonokristal artımının keyfiyyətinə və elektrik xüsusiyyətlərinə birbaşa təsir göstərir. Mövcud sənaye tətbiqlərində çox istifadə olunursilisium karbid tozusintez prosesi öz-özünə yayılan yüksək temperaturda sintez üsuludur.
Öz-özünə yayılan yüksək temperaturlu sintez üsulu yüksək temperaturdan istifadə edərək reaktivlərə kimyəvi reaksiyalara başlamaq üçün ilkin istilik verir, sonra isə reaksiyaya girməyən maddələrin kimyəvi reaksiyanı tamamlamağa davam etməsi üçün öz kimyəvi reaksiya istiliyindən istifadə edir. Bununla belə, Si və C-nin kimyəvi reaksiyası daha az istilik buraxdığından, reaksiyanı saxlamaq üçün başqa reaktivlər əlavə edilməlidir. Buna görə də, bir çox alimlər bu əsasda aktivator təqdim edərək təkmilləşdirilmiş özünütəbliğ edən sintez metodunu təklif etmişlər. Öz-özünə yayılan metodu tətbiq etmək nisbətən asandır və müxtəlif sintez parametrlərini sabit şəkildə idarə etmək asandır. Böyük miqyaslı sintez sənayeləşmənin ehtiyaclarına cavab verir.
Hələ 1999-cu ildə Bridgeport sintez etmək üçün öz-özünə yayılan yüksək temperaturda sintez üsulundan istifadə etmişdir.SiC tozu, lakin o, xammal kimi etoksisilan və fenol qatranından istifadə edirdi ki, bu da baha başa gəlirdi. Gao Pan və başqaları sintez etmək üçün xammal kimi yüksək saflıqda Si tozu və C tozundan istifadə edirdilərSiC tozuarqon atmosferində yüksək temperatur reaksiyası ilə. Ning Lina böyük hissəcik hazırladıSiC tozuikincili sintez yolu ilə.
Çin Elektron Texnologiyaları Qrupu Korporasiyasının İkinci Tədqiqat İnstitutu tərəfindən hazırlanmış orta tezlikli induksiyalı qızdırıcı soba müəyyən stexiometrik nisbətdə silikon tozunu və karbon tozunu bərabər şəkildə qarışdırır və onları qrafit potasına yerləşdirir. Theqrafit potaqızdırmaq üçün orta tezlikli induksiyalı qızdırıcı sobaya yerləşdirilir və temperaturun dəyişməsi müvafiq olaraq aşağı temperaturlu faza və yüksək temperaturlu faza silisium karbidini sintez etmək və çevirmək üçün istifadə olunur. Aşağı temperatur fazasında β-SiC sintez reaksiyasının temperaturu Si-nin uçuculaşma temperaturundan aşağı olduğundan, yüksək vakuum altında β-SiC sintezi öz-özünə yayılmasını yaxşı təmin edə bilər. α-SiC-nin sintezinə arqon, hidrogen və HCl qazının daxil edilməsi üsulu onun parçalanmasının qarşısını alır.SiC tozuyüksək temperatur mərhələsində və α-SiC tozunda azotun tərkibini effektiv şəkildə azalda bilər.
Shandong Tianyue, silisium xammalı kimi silan qazından və karbon xammalı kimi karbon tozundan istifadə edərək sintez sobası dizayn etdi. Daxil edilən xammal qazının miqdarı iki mərhələli sintez üsulu ilə tənzimləndi və son sintez edilmiş silisium karbid hissəciklərinin ölçüsü 50 ilə 5 000 um arasında idi.
1 Toz sintez prosesinin nəzarət amilləri
1.1 Toz hissəcik ölçüsünün kristal böyüməsinə təsiri
Silikon karbid tozunun hissəcik ölçüsü sonrakı tək kristal artımına çox mühüm təsir göstərir. SiC monokristalının PVT üsulu ilə böyüməsi əsasən qaz fazasının komponentində silikon və karbonun molar nisbətinin dəyişdirilməsi ilə əldə edilir və qaz fazı komponentində silikon və karbonun molar nisbəti silisium karbid tozunun hissəcik ölçüsü ilə bağlıdır. . Böyümə sisteminin ümumi təzyiqi və silikon-karbon nisbəti hissəcik ölçüsünün azalması ilə artır. Hissəcik ölçüsü 2-3 mm-dən 0,06 mm-ə qədər azaldıqda, silikon-karbon nisbəti 1,3-dən 4,0-a qədər artır. Hissəciklər müəyyən dərəcədə kiçik olduqda, Si qismən təzyiqi artır və böyüyən kristalın səthində qaz-maye-bərk artımına səbəb olan Si film təbəqəsi əmələ gəlir ki, bu da polimorfizmə, nöqtə qüsurlarına və xətt qüsurlarına təsir göstərir. kristalda. Buna görə yüksək saflıqda silisium karbid tozunun hissəcik ölçüsünə yaxşı nəzarət edilməlidir.
Bundan əlavə, SiC toz hissəciklərinin ölçüsü nisbətən kiçik olduqda, toz daha sürətli parçalanır və nəticədə SiC monokristallarının həddindən artıq böyüməsi baş verir. Bir tərəfdən, SiC monokristal artımının yüksək temperaturlu mühitində iki sintez və parçalanma prosesi eyni vaxtda həyata keçirilir. Silikon karbid tozu qaz fazasında və Si, Si2C, SiC2 kimi bərk fazada parçalanacaq və karbon əmələ gətirəcək, nəticədə polikristal tozun ciddi karbonlaşması və kristalda karbon daxilolmalarının əmələ gəlməsi; digər tərəfdən, tozun parçalanma sürəti nisbətən sürətli olduqda, yetişdirilmiş SiC monokristalının kristal quruluşu dəyişməyə meyllidir və bu, yetişdirilmiş SiC monokristalının keyfiyyətinə nəzarəti çətinləşdirir.
1.2 Toz kristal formasının kristal artımına təsiri
SiC monokristalının PVT üsulu ilə böyüməsi yüksək temperaturda sublimasiya-yenidən kristallaşma prosesidir. SiC xammalının kristal forması kristalın böyüməsinə mühüm təsir göstərir. Toz sintezi prosesində, əsasən, vahid hüceyrənin kub quruluşlu aşağı temperaturlu sintez mərhələsi (β-SiC) və vahid hüceyrənin altıbucaqlı quruluşu ilə yüksək temperaturlu sintez mərhələsi (α-SiC) istehsal ediləcəkdir. . Bir çox silisium karbid kristal formaları və dar bir temperatur nəzarət diapazonu var. Məsələn, 3C-SiC 1900°C-dən yuxarı temperaturda altıbucaqlı silisium karbid polimorfuna, yəni 4H/6H-SiC-ə çevriləcək.
Tək kristal böyümə prosesində, kristalları yetişdirmək üçün β-SiC tozundan istifadə edildikdə, silikon-karbon molar nisbəti 5,5-dən çox olur, α-SiC tozu kristalları böyütmək üçün istifadə edildikdə, silikon-karbon molar nisbəti 1,2-dir. Temperatur yüksəldikdə, tigedə faza keçidi baş verir. Bu zaman qaz fazasında molar nisbət daha böyük olur ki, bu da kristalın böyüməsi üçün əlverişli deyil. Bundan əlavə, karbon, silisium və silisium dioksid də daxil olmaqla digər qaz fazı çirkləri faza keçid prosesi zamanı asanlıqla əmələ gəlir. Bu çirklərin olması kristalın mikrotubların və boşluqların yaranmasına səbəb olur. Buna görə də, toz kristal formasına dəqiq nəzarət edilməlidir.
1.3 Toz çirklərinin kristal böyüməsinə təsiri
SiC tozunda olan çirkin tərkibi kristal böyüməsi zamanı spontan nüvələşməyə təsir göstərir. Tərkibindəki çirk nə qədər yüksək olarsa, kristalın özbaşına nüvələşməsi ehtimalı bir o qədər az olar. SiC üçün əsas metal çirkləri arasında silikon tozunun və karbon tozunun emalı zamanı emal alətləri ilə daxil edilə bilən B, Al, V və Ni daxildir. Onların arasında B və Al SiC-də əsas dayaz enerji səviyyəli qəbuledici çirkləridir və SiC müqavimətinin azalması ilə nəticələnir. Digər metal çirkləri yüksək temperaturda SiC monokristallarının qeyri-sabit elektrik xassələri ilə nəticələnən bir çox enerji səviyyələrini təqdim edəcək və yüksək təmizlikli yarımizolyasiya edən monokristal substratların elektrik xüsusiyyətlərinə, xüsusən də müqavimətə daha çox təsir edəcək. Buna görə də yüksək saflıqda silisium karbid tozunu mümkün qədər sintez etmək lazımdır.
1.4 Tozda azotun tərkibinin kristal böyüməsinə təsiri
Azot tərkibinin səviyyəsi monokristal substratın müqavimətini təyin edir. Əsas istehsalçılar sintetik materialda azotun dopinq konsentrasiyasını toz sintezi zamanı yetkin kristal böyümə prosesinə uyğun olaraq tənzimləməlidirlər. Yüksək təmizlikli yarı izolyasiya edən silisium karbid monokristal altlıqlar hərbi nüvəli elektron komponentlər üçün ən perspektivli materiallardır. Yüksək rezistivliyə və əla elektrik xassələrinə malik yüksək təmizlikli yarımizolyasiyalı monokristal substratları yetişdirmək üçün substratda əsas çirkli azotun tərkibinə aşağı səviyyədə nəzarət edilməlidir. Keçirici monokristal substratlar azot tərkibinin nisbətən yüksək konsentrasiyada idarə olunmasını tələb edir.
2 Toz sintezi üçün əsas idarəetmə texnologiyası
Silikon karbid substratlarının müxtəlif istifadə mühitlərinə görə, böyümə tozları üçün sintez texnologiyası da fərqli proseslərə malikdir. N-tipli keçirici tək kristal artım tozları üçün yüksək çirklilik təmizliyi və tək faza tələb olunur; yarımizolyasiya edən tək kristal böyümə tozları üçün isə azotun tərkibinə ciddi nəzarət tələb olunur.
2.1 Toz hissəciklərinin ölçüsünə nəzarət
2.1.1 Sintez temperaturu
Digər proses şərtlərini dəyişmədən saxlamaqla, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ və 2200 ℃ sintez temperaturlarında yaranan SiC tozlarından nümunə götürülüb və təhlil edilib. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, 1900 ℃ temperaturda hissəcik ölçüsünün 250 ~ 600 μm olduğunu və 2000 ℃ temperaturda hissəcik ölçüsünün 600 ~ 850 μm-ə qədər artdığını və hissəcik ölçüsünün əhəmiyyətli dərəcədə dəyişdiyini görmək olar. Temperatur 2100 ℃-ə yüksəlməyə davam etdikdə, SiC tozunun hissəcik ölçüsü 850 ~ 2360 μm-dir və artım yumşaq olur. 2200 ℃ temperaturda SiC-nin hissəcik ölçüsü təxminən 2360 μm-də sabitdir. Sintez temperaturunun 1900 ℃-dən artması SiC hissəciklərinin ölçüsünə müsbət təsir göstərir. Sintez temperaturu 2100 ℃-dən artmağa davam etdikdə, hissəcik ölçüsü artıq əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmir. Buna görə də, sintez temperaturu 2100 ℃ olaraq təyin edildikdə, daha az enerji sərfiyyatı ilə daha böyük hissəcik ölçüsü sintez edilə bilər.
2.1.2 Sintez vaxtı
Digər proses şərtləri dəyişməz qalır və sintez vaxtı müvafiq olaraq 4 saat, 8 saat və 12 saat olaraq təyin edilir. Yaradılmış SiC toz nümunəsinin analizi Şəkil 2-də göstərilmişdir. Məlum oldu ki, sintez vaxtı SiC-nin hissəcik ölçüsünə əhəmiyyətli təsir göstərir. Sintez vaxtı 4 saat olduqda, hissəcik ölçüsü əsasən 200 μm-də paylanır; sintez vaxtı 8 saat olduqda, sintetik hissəcik ölçüsü əhəmiyyətli dərəcədə artır, əsasən təxminən 1 000 μm-də paylanır; sintez vaxtı artmağa davam etdikcə hissəcik ölçüsü daha da artır, əsasən təxminən 2 000 μm-də paylanır.
2.1.3 Xammal hissəciklərinin ölçüsünün təsiri
Yerli silikon material istehsal zənciri tədricən təkmilləşdirildikcə, silisium materiallarının təmizliyi də daha da yaxşılaşdırılır. Hal-hazırda sintezdə istifadə olunan silisium materialları Şəkil 3-də göstərildiyi kimi əsasən dənəvər silikon və toz silikona bölünür.
Silisium karbidinin sintezi təcrübələrini aparmaq üçün müxtəlif silikon xammallarından istifadə edilmişdir. Sintetik məmulatların müqayisəsi Şəkil 4-də göstərilmişdir. Təhlil göstərir ki, blok silisium xammalından istifadə edildikdə məhsulda çoxlu Si elementləri olur. Silikon bloku ikinci dəfə əzdikdən sonra sintetik məhsulda Si elementi əhəmiyyətli dərəcədə azalır, lakin hələ də mövcuddur. Nəhayət, sintez üçün silikon tozu istifadə olunur və məhsulda yalnız SiC mövcuddur. Bunun səbəbi istehsal prosesində böyük ölçülü dənəvər silisiumun ilk növbədə səth sintezi reaksiyasından keçməsi lazımdır və silikon karbid səthdə sintez olunur ki, bu da daxili Si tozunun C tozu ilə daha da birləşməsinə mane olur. Buna görə də, blok silisium xammal kimi istifadə olunursa, kristal böyüməsi üçün silisium karbid tozunu əldə etmək üçün onu əzmək və sonra ikincil sintez prosesinə məruz qoymaq lazımdır.
2.2 Toz kristal formasına nəzarət
2.2.1 Sintez temperaturunun təsiri
Digər proses şərtlərini dəyişmədən saxlamaqla, sintez temperaturu 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ və 2100 ℃ təşkil edir və yaranan SiC tozundan nümunə götürülür və təhlil edilir. Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, β-SiC torpaq sarısı, α-SiC isə daha açıq rəngdədir. Sintez edilmiş tozun rəngini və morfologiyasını müşahidə etməklə, 1500℃ və 1700℃ temperaturda sintez olunan məhsulun β-SiC olduğunu müəyyən etmək olar. 1900℃-də rəng daha açıq olur və altıbucaqlı hissəciklər meydana çıxır ki, bu da temperaturun 1900℃-ə yüksəlməsindən sonra faza keçidinin baş verdiyini və β-SiC-nin bir hissəsinin α-SiC-yə çevrildiyini göstərir; temperatur 2100℃-ə qədər yüksəlməyə davam etdikdə, sintez edilmiş hissəciklərin şəffaf olduğu və α-SiC-nin əsasən çevrildiyi aşkar edilmişdir.
2.2.2 Sintez vaxtının təsiri
Digər proses şərtləri dəyişməz qalır və sintez vaxtı müvafiq olaraq 4 saat, 8 saat və 12 saat olaraq təyin edilir. Yaranan SiC tozundan nümunə götürülür və difraktometr (XRD) ilə təhlil edilir. Nəticələr Şəkil 6-da göstərilmişdir. Sintez vaxtı SiC tozu ilə sintez edilən məhsula müəyyən təsir göstərir. Sintez vaxtı 4 saat və 8 saat olduqda, sintetik məhsul əsasən 6H-SiC-dir; sintez vaxtı 12 saat olduqda məhsulda 15R-SiC görünür.
2.2.3 Xammal nisbətinin təsiri
Digər proseslər dəyişməz qalır, silisium-karbon maddələrinin miqdarı təhlil edilir və sintez təcrübələri üçün nisbətlər müvafiq olaraq 1,00, 1,05, 1,10 və 1,15-dir. Nəticələr Şəkil 7-də göstərilmişdir.
XRD spektrindən görünə bilər ki, silikon-karbon nisbəti 1,05-dən çox olduqda məhsulda artıq Si, silikon-karbon nisbəti 1,05-dən az olduqda isə artıq C görünür. Silikon-karbon nisbəti 1,05 olduqda, sintetik məhsuldakı sərbəst karbon əsas olaraq aradan qaldırılır və sərbəst silikon görünmür. Buna görə də, yüksək saflıqda SiC sintez etmək üçün silisium-karbon nisbətinin miqdar nisbəti 1,05 olmalıdır.
2.3 Tozda azotun az olmasına nəzarət
2.3.1 Sintetik xammallar
Bu təcrübədə istifadə olunan xammallar yüksək saflıqda karbon tozu və orta diametri 20 μm olan yüksək saflıqda silikon tozdur. Kiçik hissəcik ölçüsünə və böyük xüsusi səth sahəsinə görə havada N2-ni udmaq asandır. Tozu sintez edərkən o, tozun kristal formasına gətiriləcək. N-tipli kristalların böyüməsi üçün tozda N2-nin qeyri-bərabər dopinqlənməsi kristalın qeyri-bərabər müqavimətinə və hətta kristal şəklində dəyişikliklərə səbəb olur. Hidrogen daxil edildikdən sonra sintez edilmiş tozun azot miqdarı əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır. Bunun səbəbi hidrogen molekullarının həcminin kiçik olmasıdır. Karbon tozunda və silikon tozunda adsorbsiya olunan N2 qızdırıldıqda və səthdən parçalandıqda, H2 kiçik həcmi ilə tozlar arasındakı boşluğa tam diffuziya edir, N2 mövqeyini əvəz edir və N2 vakuum prosesi zamanı tigedən qaçır, azot tərkibinin çıxarılması məqsədinə nail olmaq.
2.3.2 Sintez prosesi
Silikon karbid tozunun sintezi zamanı, karbon atomlarının və azot atomlarının radiusu oxşar olduğundan, azot silisium karbidində karbon boşluqlarını əvəz edəcək və bununla da azotun tərkibini artıracaqdır. Bu eksperimental proses H2-nin tətbiqi metodunu qəbul edir və H2 C2H2, C2H və SiH qazlarını yaratmaq üçün sintez titulunda karbon və silisium elementləri ilə reaksiya verir. Karbon elementinin tərkibi qaz fazasının ötürülməsi ilə artır və bununla da karbon boşluqlarını azaldır. Azotun çıxarılması məqsədinə nail olunur.
2.3.3 Proses fonunda azot tərkibinə nəzarət
Qaz fazasının komponentlərində Si buxarını udmaq, qaz fazasının komponentlərində Si-ni azaltmaq və beləliklə, C/Si-ni artırmaq üçün böyük məsaməliliyə malik qrafit tigelər əlavə C mənbəyi kimi istifadə edilə bilər. Eyni zamanda, qrafit tigelər Si atmosferi ilə reaksiyaya girərək Si2C, SiC2 və SiC əmələ gətirə bilər ki, bu da Si atmosferinə bərabərdir ki, bu da qrafit tigedən C mənbəyini böyümə atmosferinə gətirir, C nisbətini artırır və həmçinin karbon-silikon nisbətini artırır. . Buna görə də, karbon-silisium nisbəti böyük məsaməli olan qrafit tigelərdən istifadə etməklə, karbon boşluqlarını azaltmaqla və azotun çıxarılması məqsədinə çatmaqla artırıla bilər.
3 Monokristal toz sintez prosesinin təhlili və layihələndirilməsi
3.1 Sintez prosesinin prinsipi və dizaynı
Toz sintezinin hissəcik ölçüsünə, kristal formasına və azot tərkibinə nəzarət üzrə yuxarıda qeyd olunan hərtərəfli tədqiqat vasitəsilə sintez prosesi təklif olunur. Yüksək təmizlikli C tozu və Si tozu seçilir və onlar bərabər şəkildə qarışdırılır və silikon-karbon nisbəti 1,05-ə uyğun olaraq qrafit potasına yüklənir. Prosesin mərhələləri əsasən dörd mərhələyə bölünür:
1) Aşağı temperaturda denitrifikasiya prosesi, 5×10-4 Pa-a qədər vakumlama, sonra hidrogenin daxil edilməsi, kameranın təzyiqi təxminən 80 kPa edilməsi, 15 dəqiqə saxlanılması və dörd dəfə təkrarlanması. Bu proses karbon tozunun və silikon tozunun səthindəki azot elementlərini çıxara bilər.
2) Yüksək temperaturda denitrifikasiya prosesi, 5×10-4 Pa-a qədər vakuumlama, sonra 950 ℃-ə qədər qızdırmaq və sonra hidrogenin daxil edilməsi, kameranın təzyiqini təxminən 80 kPa etmək, 15 dəqiqə saxlamaq və dörd dəfə təkrarlamaq. Bu proses karbon tozunun və silikon tozunun səthindəki azot elementlərini çıxara bilər və azotu istilik sahəsində idarə edə bilər.
3) Aşağı temperatur faza prosesinin sintezi, 5×10-4 Pa-a qədər evakuasiya edin, sonra 1350℃-ə qədər qızdırın, 12 saat saxlayın, sonra kameranın təzyiqini təxminən 80 kPa etmək üçün hidrogeni daxil edin, 1 saat saxlayın. Bu proses sintez prosesi zamanı uçucu azotu çıxara bilər.
4) Yüksək temperaturlu faza prosesinin sintezi, yüksək saflıqda hidrogen və arqon qarışıq qazın müəyyən bir qaz həcmi axını nisbəti ilə doldurun, kameranın təzyiqini təxminən 80 kPa edin, temperaturu 2100 ℃-ə qaldırın, 10 saat saxlayın. Bu proses silisium karbid tozunun β-SiC-dən α-SiC-yə çevrilməsini tamamlayır və kristal hissəciklərin böyüməsini tamamlayır.
Nəhayət, kameranın temperaturunun otaq temperaturuna qədər soyumasını gözləyin, atmosfer təzyiqinə doldurun və tozu çıxarın.
3.2 Tozun sonrakı emal prosesi
Toz yuxarıda göstərilən proseslə sintez edildikdən sonra sərbəst karbon, silikon və digər metal çirkləri çıxarmaq və hissəcik ölçüsünü ekranlaşdırmaq üçün sonrakı emaldan keçməlidir. Əvvəlcə sintez edilmiş toz xırdalamaq üçün top dəyirmanına, xırdalanmış silisium karbid tozu isə mufel sobasına qoyulur və oksigenlə 450°C-yə qədər qızdırılır. Tozdakı sərbəst karbon istiliklə oksidləşərək kameradan çıxan karbon dioksid qazını əmələ gətirir və bununla da sərbəst karbonun çıxarılmasına nail olur. Sonradan, turşulu təmizləyici maye hazırlanır və sintez prosesi zamanı əmələ gələn karbon, silisium və qalıq metal çirklərini təmizləmək üçün silisium karbid hissəciklərini təmizləyən maşına yerləşdirilir. Bundan sonra, qalıq turşu təmiz suda yuyulur və qurudulur. Qurudulmuş toz kristal böyüməsi üçün hissəcik ölçüsünü seçmək üçün vibrasiyalı ekranda süzülür.
Göndərmə vaxtı: 08 avqust 2024-cü il