En la siliciokarbura unukristala kreskoprocezo, fizika vaportransporto estas la nuna ĉefa industriiga metodo. Por la PVT-kreskmetodo,silicia karbura pulvorohavas grandan influon sur la procezo de kresko. Ĉiuj parametroj desilicia karbura pulvororekte influas la kvaliton de ununura kristala kresko kaj elektraj propraĵoj. En nunaj industriaj aplikoj, la kutime uzatasilicia karbura pulvorosinteza procezo estas la mem-disvastigo de alt-temperatura sintezometodo.
La mem-disvastiĝanta alt-temperatura sintezometodo uzas altan temperaturon por doni al la reakciantoj komencan varmon por komenci kemiajn reakciojn, kaj tiam uzas sian propran kemian reakcian varmon por permesi al la nereagaj substancoj daŭri kompletigi la kemian reakcion. Tamen, ĉar la kemia reago de Si kaj C liberigas malpli varmecon, aliaj reakciantoj devas esti aldonitaj por konservi la reagon. Tial, multaj akademiuloj proponis plibonigitan mem-disvastigan sintezmetodon sur tiu bazo, lanĉante aktivilon. La mem-disvastiga metodo estas relative facile efektivigebla, kaj diversaj sintezaj parametroj estas facile regeblaj stabile. Grandskala sintezo renkontas la bezonojn de industriigo.
Jam 1999, Bridgeport uzis la mem-disvastigan alt-temperaturan sintezmetodon por sinteziSiC-pulvoro, sed ĝi uzis etoksisilanon kaj fenolrezinon kiel krudaĵojn, kio estis multekosta. Gao Pan kaj aliaj uzis altpuran Si-pulvoron kaj C-pulvoron kiel krudaĵojn por sinteziSiC-pulvoroper alt-temperatura reago en argona atmosfero. Ning Lina preparis grand-partiklonSiC-pulvoroper sekundara sintezo.
La mezfrekvenca indukta hejtado forno evoluigita de la Dua Esplorinstituto de Ĉina Elektronika Teknologia Grupo Korporacio egale miksas silician pulvoron kaj karbonan pulvoron en certa stoiĥiometria proporcio kaj metas ilin en grafitan fandujon. Lagrafita fandujoestas metita en mezfrekvencan indukta hejtado forno por hejtado, kaj la temperaturŝanĝo estas uzata por sintezi kaj transformi la malalt-temperaturan fazon kaj alt-temperaturan fazon silicio-karbidon respektive. Ĉar la temperaturo de la β-SiC-sinteza reago en la malalt-temperatura fazo estas pli malalta ol la volatiliga temperaturo de Si, la sintezo de β-SiC sub alta vakuo povas bone certigi la mem-disvastigon. La metodo de enkonduko de argono, hidrogeno kaj HCl-gaso en la sintezo de α-SiC malhelpas la putriĝon deSiC-pulvoroen la alt-temperatura etapo, kaj povas efike redukti la nitrogenan enhavon en α-SiC-pulvoro.
Shandong Tianyue dizajnis sintezan fornon, uzante silanan gason kiel silician krudaĵon kaj karbonan pulvoron kiel karbonan krudaĵon. La kvanto de krudmateriala gaso enkondukita estis ĝustigita per du-ŝtupa sintezometodo, kaj la fina sintezita silicikarbura partiklograndeco estis inter 50 kaj 5 000 um.
1 Kontrolaj faktoroj de pulvora sinteza procezo
1.1 Efiko de pulvorpartiklograndeco sur kristala kresko
La partiklograndeco de silicia karbura pulvoro havas tre gravan influon sur la posta unukristala kresko. La kresko de SiC ununura kristalo per PVT-metodo estas ĉefe atingita per ŝanĝado de la molara proporcio de silicio kaj karbono en la gasfaza komponento, kaj la molara proporcio de silicio kaj karbono en la gasfaza komponanto rilatas al la partiklograndeco de silicia carbura pulvoro. . La totala premo kaj silicio-karbona rilatumo de la kreskosistemo pliiĝas kun la malkresko de partiklograndeco. Kiam la partiklograndeco malpliiĝas de 2-3 mm ĝis 0,06 mm, la silicio-karbona rilatumo pliiĝas de 1,3 ĝis 4,0. Kiam la eroj estas certagrade malgrandaj, la Si-a premo pliiĝas, kaj tavolo de Si-filmo formiĝas sur la surfaco de la kreskanta kristalo, induktante gas-likva-solidan kreskon, kiu influas la polimorfismon, punktajn difektojn kaj liniajn difektojn. en la kristalo. Tial, la partiklograndeco de altpura silicia karbura pulvoro devas esti bone kontrolita.
Krome, kiam la grandeco de SiC-pulvoraj partikloj estas relative malgranda, la pulvoro malkomponiĝas pli rapide, rezultigante troan kreskon de SiC-unukristaloj. Unuflanke, en la alt-temperatura medio de SiC unukristala kresko, la du procezoj de sintezo kaj putriĝo efektiviĝas samtempe. Silicia karbura pulvoro malkomponiĝos kaj formos karbonon en la gasa fazo kaj solida fazo kiel Si, Si2C, SiC2, rezultigante seriozan karboniĝon de polikristalina pulvoro kaj la formado de karbonaj inkludoj en la kristalo; aliflanke, kiam la malkomponiĝoprocento de la pulvoro estas relative rapida, la kristala strukturo de la kreskigita SiC ununura kristalo estas ema ŝanĝiĝi, malfaciligante kontroli la kvaliton de la kreskigita SiC ununura kristalo.
1.2 Efiko de pulvora kristala formo sur kristala kresko
La kresko de SiC ununura kristalo per PVT-metodo estas sublimad-rekristaligprocezo ĉe alta temperaturo. La kristala formo de SiC-krudmaterialo havas gravan influon sur kristala kresko. En la procezo de pulvorsintezo, la malalt-temperatura sinteza fazo (β-SiC) kun kuba strukturo de la unuoĉelo kaj la alt-temperatura sinteza fazo (α-SiC) kun sesangula strukturo de la unuoĉelo estos ĉefe produktitaj. . Estas multaj silicikarburaj kristalaj formoj kaj mallarĝa temperaturo-kontrola gamo. Ekzemple, 3C-SiC transformiĝos al sesangula siliciokarbura polimorfo, t.e. 4H/6H-SiC, ĉe temperaturoj super 1900°C.
Dum la unukristala kreskoprocezo, kiam β-SiC-pulvoro estas uzata por kreskigi kristalojn, la silicio-karbona molara rilatumo estas pli granda ol 5,5, dum kiam α-SiC-pulvoro estas uzata por kreskigi kristalojn, la silicio-karbona molara proporcio estas 1,2. Kiam la temperaturo altiĝas, faztransiro okazas en la fandujo. En ĉi tiu tempo, la molara proporcio en la gasfazo pliiĝas, kio ne favoras al kristala kresko. Krome, aliaj gasfazaj malpuraĵoj, inkluzive de karbono, silicio kaj silicia dioksido, estas facile generitaj dum la faza transirprocezo. La ĉeesto de ĉi tiuj malpuraĵoj igas la kristalon bredi mikrotubojn kaj malplenojn. Tial, la pulvora kristala formo devas esti precize kontrolita.
1.3 Efiko de pulvoraj malpuraĵoj sur kristala kresko
La malpura enhavo en SiC-pulvoro influas la spontanean nukleadon dum kristala kresko. Ju pli alta la malpuraĵenhavo, des malpli verŝajne estas ke la kristalo spontanee nukleiĝas. Por SiC, la ĉefaj metalaj malpuraĵoj inkluzivas B, Al, V kaj Ni, kiuj povas esti enkondukitaj per prilaborado de iloj dum la prilaborado de silicia pulvoro kaj karbona pulvoro. Inter ili, B kaj Al estas la ĉefaj malprofundaj energinivelaj akceptantmalpuraĵoj en SiC, rezultigante malkreskon en SiC-rezistiveco. Aliaj metalaj malpuraĵoj enkondukos multajn energiajn nivelojn, rezultigante malstabilajn elektrajn trajtojn de SiC unukristaloj ĉe altaj temperaturoj, kaj havos pli grandan efikon al la elektraj trajtoj de altpuraj duon-izolaj unukristalaj substratoj, precipe la resistiveco. Tial, altpura silicia karbura pulvoro devas esti sintezita kiel eble plej multe.
1.4 Efiko de nitrogena enhavo en pulvoro sur kristala kresko
La nivelo de nitrogenenhavo determinas la resistivecon de la unukristala substrato. Gravaj produktantoj devas ĝustigi la nitrogenan dopan koncentriĝon en la sinteza materialo laŭ la matura kristala kreskoprocezo dum pulvorsintezo. Altpuraj duon-izolaj silicikarbidoj unukristalaj substratoj estas la plej promesplenaj materialoj por armeaj kernaj elektronikaj komponantoj. Por kreskigi altpurajn duon-izolajn unukristalajn substratojn kun alta rezisteco kaj bonegaj elektraj propraĵoj, la enhavo de la ĉefa malpura nitrogeno en la substrato devas esti kontrolita je malalta nivelo. Konduktaj unukristalaj substratoj postulas nitrogenenhavon esti kontrolitaj ĉe relative alta koncentriĝo.
2 Ŝlosila kontrola teknologio por pulvora sintezo
Pro la malsamaj uzaj medioj de silicikarburaj substratoj, la sinteza teknologio por kreskaj pulvoroj ankaŭ havas malsamajn procezojn. Por N-tipaj konduktaj unukristalaj kreskpulvoroj, alta malpura pureco kaj unufazo estas postulataj; dum por duon-izolaj unukristalaj kreskpulvoroj, strikta kontrolo de nitrogenenhavo estas postulata.
2.1 Kontrolo de grandeco de pulvoro
2.1.1 Sinteza temperaturo
Tenante aliajn procezkondiĉojn senŝanĝaj, SiC-pulvoroj generitaj ĉe sintezaj temperaturoj de 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ kaj 2200 ℃ estis provitaj kaj analizitaj. Kiel montrite en Figuro 1, oni povas vidi, ke la partiklograndeco estas 250~600 μm je 1900 ℃, kaj la partiklograndeco pliiĝas al 600~850 μm je 2000 ℃, kaj la partiklograndeco signife ŝanĝiĝas. Kiam la temperaturo daŭre altiĝas ĝis 2100 ℃, la partikla grandeco de SiC-pulvoro estas 850 ~ 2360 μm, kaj la pliiĝo tendencas esti milda. La partiklograndeco de SiC ĉe 2200 ℃ estas stabila ĉe proksimume 2360 μm. La pliiĝo en sinteza temperaturo de 1900 ℃ havas pozitivan efikon sur la SiC-partiklograndeco. Kiam la sinteza temperaturo daŭre pliiĝas de 2100 ℃, la partiklograndeco ne plu ŝanĝas signife. Tial, kiam la sinteza temperaturo estas fiksita al 2100 ℃, pli granda partiklograndeco povas esti sintezita je pli malalta energikonsumo.
2.1.2 Sinteza tempo
Aliaj procezkondiĉoj restas senŝanĝaj, kaj la sintezotempo estas fiksita al 4 h, 8 h, kaj 12 h respektive. La generita SiC-pulvora specimena analizo estas montrita en Figuro 2. Oni trovas, ke la sinteza tempo havas gravan efikon sur la partiklograndeco de SiC. Kiam la sinteza tempo estas 4 h, la partiklograndeco estas plejparte distribuita je 200 μm; kiam la sinteza tempo estas 8 h, la sinteza partiklograndeco signife pliiĝas, ĉefe distribuita je ĉirkaŭ 1 000 μm; ĉar la sinteza tempo daŭre pliiĝas, la partiklograndeco pliiĝas, plejparte distribuita je ĉirkaŭ 2 000 μm.
2.1.3 Influo de krudmateriala partiklograndeco
Ĉar la enlanda silicia materiala produktadĉeno iom post iom pliboniĝas, la pureco de siliciaj materialoj ankaŭ pliboniĝas. Nuntempe, la siliciaj materialoj uzataj en sintezo estas plejparte dividitaj en grajneca silicio kaj pulvora silicio, kiel montrite en Figuro 3.
Malsamaj siliciaj krudmaterialoj estis uzitaj por fari silicikarbidsintezeksperimentojn. La komparo de la sintezaj produktoj estas montrita en Figuro 4. Analizo montras, ke kiam oni uzas blokajn siliciajn krudaĵojn, granda kvanto da Si-elementoj ĉeestas en la produkto. Post kiam la silicia bloko estas disbatita por la dua fojo, la Si-elemento en la sinteza produkto estas signife reduktita, sed ĝi ankoraŭ ekzistas. Fine, silicia pulvoro estas uzata por sintezo, kaj nur SiC ĉeestas en la produkto. Ĉi tio estas ĉar en la produktadprocezo, grandgranda grajneca silicio unue devas sperti surfacan sintezan reagon, kaj siliciokarbido estas sintezita sur la surfaco, kio malhelpas la internan Si-pulvoron plu kombini kun C-pulvoro. Sekve, se bloka silicio estas uzata kiel kruda materialo, ĝi devas esti disbatita kaj poste submetita al malĉefa sinteza procezo por akiri silician carburan pulvoron por kristala kresko.
2.2 Pulvora kristala formo-kontrolo
2.2.1 Influo de sinteza temperaturo
Konservante aliajn procezkondiĉojn senŝanĝe, la sinteza temperaturo estas 1500℃, 1700℃, 1900℃ kaj 2100℃, kaj la generita SiC-pulvoro estas provita kaj analizita. Kiel montrite en Figuro 5, β-SiC estas terflava, kaj α-SiC estas pli hela en koloro. Observante la koloron kaj morfologion de la sintezita pulvoro, oni povas determini, ke la sintezita produkto estas β-SiC ĉe temperaturoj de 1500℃ kaj 1700℃. Je 1900℃, la koloro iĝas pli malpeza, kaj aperas sesangulaj partikloj, indikante ke post kiam la temperaturo altiĝas al 1900℃, okazas faza transiro, kaj parto de β-SiC estas konvertita en α-SiC; kiam la temperaturo daŭre altiĝas ĝis 2100℃, oni trovas ke la sintezitaj partikloj estas travideblaj, kaj α-SiC estis esence konvertita.
2.2.2 Efiko de sinteza tempo
Aliaj procezkondiĉoj restas senŝanĝaj, kaj la sintezotempo estas fiksita al 4h, 8h, kaj 12h respektive. La generita SiC-pulvoro estas provita kaj analizita per difractometro (XRD). La rezultoj estas montritaj en Figuro 6. La sinteza tempo havas certan influon sur la produkto sintezita de SiC-pulvoro. Kiam la sinteza tempo estas 4 h kaj 8 h, la sinteza produkto estas ĉefe 6H-SiC; kiam la sinteza tempo estas 12 h, 15R-SiC aperas en la produkto.
2.2.3 Influo de krudmaterialo-proporcio
Aliaj procezoj restas senŝanĝaj, la kvanto de silicio-karbonaj substancoj estas analizita, kaj la proporcioj estas 1.00, 1.05, 1.10 kaj 1.15 respektive por sintezaj eksperimentoj. La rezultoj estas montritaj en Figuro 7.
El la XRD-spektro, oni povas vidi, ke kiam la silicio-karbona rilatumo estas pli granda ol 1,05, troa Si aperas en la produkto, kaj kiam la silicio-karbona rilatumo estas malpli ol 1,05, troa C aperas. Kiam la silicio-karbona proporcio estas 1,05, la libera karbono en la sinteza produkto estas esence forigita, kaj neniu libera silicio aperas. Tial, la kvanto-proporcio de silicio-karbona rilatumo devus esti 1.05 por sintezi altpuran SiC.
2.3 Kontrolo de malalta nitrogena enhavo en pulvoro
2.3.1 Sintezaj krudaĵoj
La krudmaterialoj uzataj en ĉi tiu eksperimento estas altpura karbona pulvoro kaj altpura silicia pulvoro kun meza diametro de 20 μm. Pro ilia malgranda partiklograndeco kaj granda specifa surfacareo, ili estas facile sorbi N2 en la aero. Sintezante la pulvoron, ĝi estos alportita en la kristalan formon de la pulvoro. Por la kresko de N-tipaj kristaloj, la neegala dopado de N2 en la pulvoro kondukas al neegala rezisto de la kristalo kaj eĉ ŝanĝoj en la kristala formo. La nitrogena enhavo de la sintezita pulvoro post enkonduko de hidrogeno estas signife malalta. Ĉi tio estas ĉar la volumeno de hidrogenaj molekuloj estas malgranda. Kiam la N2 adsorbita en la karbona pulvoro kaj silicia pulvoro estas varmigita kaj malkomponita de la surfaco, H2 plene disvastiĝas en la interspacon inter la pulvoroj kun sia malgranda volumeno, anstataŭigante la pozicion de N2, kaj N2 eskapas el la krisolo dum la vakua procezo, atingante la celon forigi la nitrogenenhavon.
2.3.2 Sinteza procezo
Dum la sintezo de siliciokarbura pulvoro, ĉar la radiuso de karbonatomoj kaj nitrogenatomoj estas simila, nitrogeno anstataŭigos karbonajn vakaĵojn en siliciokarbido, tiel pliigante la nitrogenenhavon. Tiu eksperimenta procezo adoptas la metodon de enkonduko de H2, kaj H2 reagas kun karbonaj kaj siliciaj elementoj en la sinteza krisolo por generi C2H2, C2H, kaj SiH-gasojn. La karbonelementenhavo pliiĝas tra gasfaza dissendo, tiel reduktante karbonvakantaĵojn. La celo forigi nitrogenon estas atingita.
2.3.3 Proceza fona nitrogena enhavo-kontrolo
Grafitaj krisoloj kun granda poreco povas esti uzataj kiel kromaj C-fontoj por sorbi Si-vaporon en la gasfazaj komponentoj, redukti Si en la gasfazaj komponentoj, kaj tiel pliigi C/Si. Samtempe, grafitaj fanduloj ankaŭ povas reagi kun Si-atmosfero por generi Si2C, SiC2 kaj SiC, kio estas ekvivalenta al Si-atmosfero alportanta C-fonton de grafita fandujo en la kreskatmosferon, pliigante la C-proporcion, kaj ankaŭ pliigante karbon-silician rilatumon. . Tial, la karbon-silicio-proporcio povas esti pliigita uzante grafitajn krisolojn kun granda poreco, reduktante karbonvakantaĵojn, kaj atingante la celon de forigado de nitrogeno.
3 Analizo kaj dezajno de unukristala pulvora sinteza procezo
3.1 Principo kaj dezajno de sinteza procezo
Per la supre menciita ampleksa studo pri la kontrolo de la partiklograndeco, kristala formo kaj nitrogena enhavo de la pulvora sintezo, oni proponas sintezan procezon. Altpura C-pulvoro kaj Si-pulvoro estas elektitaj, kaj ili estas egale miksitaj kaj ŝarĝitaj en grafitan fandujon laŭ silicio-karbona proporcio de 1,05. La procedaj paŝoj estas plejparte dividitaj en kvar etapoj:
1) Malalttemperatura denitrifika procezo, vakuado al 5×10-4 Pa, poste enkondukante hidrogenon, farante la ĉambron premon ĉirkaŭ 80 kPa, konservante dum 15 min, kaj ripetante kvar fojojn. Ĉi tiu procezo povas forigi nitrogenajn elementojn sur la surfaco de karbona pulvoro kaj silicia pulvoro.
2) Alt-temperatura denitrifika procezo, malplenigi al 5×10-4 Pa, poste varmigi al 950 ℃, kaj poste enkonduki hidrogenon, farante la ĉambron premon ĉirkaŭ 80 kPa, tenante dum 15 min, kaj ripetante kvar fojojn. Ĉi tiu procezo povas forigi nitrogenajn elementojn sur la surfaco de karbona pulvoro kaj silicia pulvoro, kaj movi nitrogenon en la varmokampo.
3) Sintezo de malalta temperatura faza procezo, evakui al 5×10-4 Pa, poste varmigi al 1350℃, konservi dum 12 horoj, poste enkonduki hidrogenon por fari la ĉambron premon ĉirkaŭ 80 kPa, konservi dum 1 horo. Ĉi tiu procezo povas forigi la nitrogenon volatiligitan dum la sinteza procezo.
4) Sintezo de alttemperatura faza procezo, plenigu per certa gasa volumo fluo de alta pureca hidrogeno kaj argono miksita gaso, faru la ĉambron premon ĉirkaŭ 80 kPa, altigu la temperaturon al 2100℃, konservu dum 10 horoj. Ĉi tiu procezo kompletigas la transformon de siliciokarbura pulvoro de β-SiC al α-SiC kaj kompletigas la kreskon de kristalaj partikloj.
Fine, atendu, ke la ĉambra temperaturo malvarmiĝos al ĉambra temperaturo, plenigu al atmosfera premo kaj elprenu la pulvoron.
3.2 Pulvora post-prilabora procezo
Post kiam la pulvoro estas sintezita per la ĉi-supra procezo, ĝi devas esti post-prilaborita por forigi liberan karbonon, silicion kaj aliajn metalajn malpuraĵojn kaj kribri la partiklograndecon. Unue, la sintezita pulvoro estas metita en pilkmuelilon por disbatado, kaj la dispremita silicia karbura pulvoro estas metita en muffornon kaj varmigita al 450 °C per oksigeno. La libera karbono en la pulvoro estas oksigenita per varmo por generi karbondioksidan gason kiu eskapas de la kamero, tiel atingante la forigon de libera karbono. Poste, acida puriga likvaĵo estas preparita kaj metita en purigan maŝinon de silicikarbura partiklo por purigado por forigi karbonon, silicion kaj restajn metalajn malpuraĵojn generitajn dum la sinteza procezo. Post tio, la resta acido estas lavata en pura akvo kaj sekigita. La sekigita pulvoro estas ekzamenita en vibra ekrano por partikla grandeco-elekto por kristala kresko.
Afiŝtempo: Aŭg-08-2024