Ränikarbiidi monokristallide kasvatamise protsessis on füüsiline aurutransport praegune peavoolu industrialiseerimismeetod. PVT kasvumeetodi puhulränikarbiidi pulberavaldab kasvuprotsessile suurt mõju. Kõik parameetridränikarbiidi pulbermõjutavad otseselt monokristallide kasvu kvaliteeti ja elektrilisi omadusi. Praegustes tööstuslikes rakendustes kasutatakse tavaliseltränikarbiidi pulbersünteesiprotsess on isepaljunev kõrgtemperatuuriline sünteesimeetod.
Isepaljuv kõrgtemperatuuriline sünteesimeetod kasutab kõrget temperatuuri, et anda reagentidele keemiliste reaktsioonide käivitamiseks esialgne kuumus, ja seejärel oma keemilise reaktsiooni soojust, et võimaldada reageerimata ainetel jätkata keemilise reaktsiooni lõpuleviimist. Kuna aga Si ja C keemiline reaktsioon eraldab vähem soojust, tuleb reaktsiooni säilitamiseks lisada teisi reagente. Seetõttu on paljud teadlased selle põhjal välja pakkunud täiustatud isepaljuva sünteesimeetodi, võttes kasutusele aktivaatori. Isepaljumise meetodit on suhteliselt lihtne rakendada ja erinevaid sünteesiparameetreid on lihtne stabiilselt juhtida. Suuremahuline süntees vastab industrialiseerimise vajadustele.
Bridgeport kasutas juba 1999. aastal sünteesimiseks isepaljuvat kõrgtemperatuurse sünteesi meetodit.SiC pulber, kuid see kasutas toorainena etoksüsilaani ja fenoolvaiku, mis oli kulukas. Gao Pan ja teised kasutasid sünteesimiseks toorainena kõrge puhtusastmega Si- ja C-pulbritSiC pulberkõrgel temperatuuril argooni atmosfääris. Ning Lina valmistas suure osakeseSiC pulbersekundaarse sünteesi teel.
Hiina Electronics Technology Group Corporationi teise uurimisinstituudi välja töötatud keskmise sagedusega induktsioonkuumutusahi segab ränipulbrit ja süsinikupulbrit ühtlaselt kindlas stöhhiomeetrilises vahekorras ning asetab need grafiittiiglisse. Thegrafiidist tiigelasetatakse kuumutamiseks keskmise sagedusega induktsioonkuumutusahju ning temperatuurimuutust kasutatakse vastavalt madalatemperatuurilise faasi ja kõrgtemperatuurse faasi ränikarbiidi sünteesimiseks ja muundamiseks. Kuna β-SiC sünteesireaktsiooni temperatuur madala temperatuuriga faasis on madalam kui Si lendumistemperatuur, võib β-SiC süntees kõrgvaakumis hästi tagada iseseisvuse. Gaasilise argooni, vesiniku ja HCl-i sisestamise meetod α-SiC sünteesi takistab selle lagunemist.SiC pulberkõrgel temperatuuril ja võib tõhusalt vähendada α-SiC pulbri lämmastikusisaldust.
Shandong Tianyue projekteeris sünteesiahju, kasutades räni toorainena silaani gaasi ja süsiniku toorainena süsinikupulbrit. Sisestatud toorainegaasi kogust reguleeriti kaheetapilise sünteesimeetodiga ja lõplik sünteesitud ränikarbiidi osakeste suurus jäi vahemikku 50–5000 um.
1 Pulbrisünteesi protsessi juhttegurid
1.1 Pulbri osakeste suuruse mõju kristallide kasvule
Ränikarbiidi pulbri osakeste suurusel on väga oluline mõju järgnevale üksikute kristallide kasvule. SiC monokristallide kasv PVT meetodil saavutatakse peamiselt räni ja süsiniku molaarsuhte muutmisega gaasifaasi komponendis ning räni ja süsiniku molaarsuhe gaasifaasi komponendis on seotud ränikarbiidi pulbri osakeste suurusega. . Kasvusüsteemi kogurõhk ja räni-süsiniku suhe suurenevad koos osakeste suuruse vähenemisega. Kui osakeste suurus väheneb 2-3 mm-lt 0,06 mm-ni, suureneb räni-süsiniku suhe 1,3-lt 4,0-ni. Kui osakesed on teatud määral väikesed, suureneb Si osarõhk ja kasvavate kristallide pinnale moodustub Si-kile kiht, mis kutsub esile gaasi-vedelik-tahke kasvu, mis mõjutab polümorfismi, punktdefekte ja joondefekte. kristallis. Seetõttu tuleb kõrge puhtusastmega ränikarbiidi pulbri osakeste suurust hästi kontrollida.
Lisaks, kui ränikarbiidi pulbri osakeste suurus on suhteliselt väike, laguneb pulber kiiremini, mille tulemuseks on ränikarbiidi monokristallide liigne kasv. Ühest küljest toimub SiC monokristallide kasvu kõrge temperatuuriga keskkonnas kaks sünteesi- ja lagunemisprotsessi samaaegselt. Ränikarbiidi pulber laguneb ja moodustab gaasifaasis ja tahkes faasis süsinikku, nagu Si, Si2C, SiC2, mille tulemuseks on polükristallilise pulbri tõsine karboniseerimine ja süsinikusulgude moodustumine kristallides; teisest küljest, kui pulbri lagunemiskiirus on suhteliselt kiire, on kasvatatud SiC monokristallide kristallstruktuur kalduvus muutuda, mistõttu on kasvatatud SiC monokristallide kvaliteeti keeruline kontrollida.
1.2 Pulbrikristallvormi mõju kristallide kasvule
SiC monokristallide kasvatamine PVT meetodil on sublimatsiooni-rekristallimise protsess kõrgel temperatuuril. SiC tooraine kristallvormil on oluline mõju kristallide kasvule. Pulbrisünteesi protsessis toodetakse põhiliselt madala temperatuuriga sünteesi faasi (β-SiC) ühikelemendi kuupstruktuuriga ja kõrgtemperatuurset sünteesifaasi (α-SiC), mille ühikelemendi struktuur on kuusnurkne. . Ränikarbiidi kristallvorme on palju ja temperatuuri reguleerimise vahemik on kitsas. Näiteks muutub 3C-SiC temperatuuridel üle 1900 °C kuusnurkseks ränikarbiidi polümorfseks, st 4H/6H-SiC-ks.
Kui kristallide kasvatamiseks kasutatakse β-SiC pulbrit, on monokristallide kasvatamise protsessis räni-süsiniku molaarsuhe suurem kui 5,5, samas kui kristallide kasvatamiseks kasutatakse α-SiC pulbrit, on räni-süsiniku molaarsuhe 1,2. Kui temperatuur tõuseb, toimub tiiglis faasisiire. Sel ajal muutub gaasifaasi molaarsuhe suuremaks, mis ei soodusta kristallide kasvu. Lisaks tekivad faasisiirdeprotsessi käigus kergesti muud gaasifaasi lisandid, sealhulgas süsinik, räni ja ränidioksiid. Nende lisandite olemasolu põhjustab kristallide mikrotorude ja tühimike teket. Seetõttu tuleb pulbri kristallivormi täpselt kontrollida.
1.3 Pulbri lisandite mõju kristallide kasvule
SiC pulbri lisandite sisaldus mõjutab kristallide kasvu ajal spontaanset tuuma moodustumist. Mida suurem on lisandite sisaldus, seda väiksem on tõenäosus, et kristall tekib spontaanselt tuuma. SiC puhul on peamised metallilisandid B, Al, V ja Ni, mis võivad ränipulbri ja süsinikupulbri töötlemisel sattuda töötlemisvahenditega. Nende hulgas on B ja Al peamised madala energiatasemega aktseptori lisandid SiC-s, mille tulemuseks on SiC takistuse vähenemine. Muud metallilisandid toovad kaasa palju energiatasemeid, mille tulemuseks on SiC monokristallide ebastabiilsed elektrilised omadused kõrgetel temperatuuridel ja neil on suurem mõju kõrge puhtusastmega poolisoleerivate monokristallsubstraatide elektrilistele omadustele, eriti takistusele. Seetõttu tuleb võimalikult palju sünteesida kõrge puhtusastmega ränikarbiidi pulbrit.
1.4 Pulbri lämmastikusisalduse mõju kristallide kasvule
Lämmastikusisalduse tase määrab monokristalli substraadi eritakistuse. Suuremad tootjad peavad pulbri sünteesi ajal kohandama lämmastiku dopingu kontsentratsiooni sünteetilises materjalis vastavalt küpsele kristallide kasvuprotsessile. Kõrge puhtusastmega poolisolatsiooniga ränikarbiidi monokristallsubstraadid on sõjaliste tuumaelektroonikakomponentide jaoks kõige lootustandvamad materjalid. Kõrge puhtusastmega poolisoleerivate, suure takistuse ja suurepäraste elektriliste omadustega monokristallsubstraatide kasvatamiseks tuleb põhilisandi lämmastikusisaldust substraadis kontrollida madalal tasemel. Juhtivad monokristall-substraadid nõuavad lämmastikusisalduse kontrollimist suhteliselt kõrgel kontsentratsioonil.
2 Pulbrisünteesi võtmejuhtimistehnoloogia
Ränikarbiidsubstraatide erineva kasutuskeskkonna tõttu on ka kasvupulbrite sünteesitehnoloogial erinevad protsessid. N-tüüpi juhtivate monokristallide kasvatamise pulbrite puhul on nõutav kõrge lisandipuhtus ja ühefaasiline; samas kui poolisoleerivate monokristallide kasvupulbrite puhul on vaja rangelt kontrollida lämmastikusisaldust.
2.1 Pulbri osakeste suuruse kontroll
2.1.1 Sünteesi temperatuur
Muude protsessitingimuste muutmisel võeti proovid ja analüüsiti sünteesitemperatuuridel 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ ja 2200 ℃ tekkinud ränikarbiidi pulbrid. Nagu on näidatud joonisel 1, on näha, et osakeste suurus on 250–600 μm 1900 ℃ juures ja osakeste suurus suureneb 2000 ℃ juures 600–850 μm-ni ning osakeste suurus muutub oluliselt. Kui temperatuur tõuseb jätkuvalt 2100 ℃-ni, on SiC pulbri osakeste suurus 850–2360 μm ja tõus kipub olema õrn. SiC osakeste suurus temperatuuril 2200 ℃ on stabiilne umbes 2360 μm juures. Sünteesitemperatuuri tõus alates 1900 ℃ avaldab positiivset mõju SiC osakeste suurusele. Kui sünteesi temperatuur jätkab tõusmist alates 2100 ℃, ei muutu osakeste suurus enam oluliselt. Seega, kui sünteesitemperatuur on seatud väärtusele 2100 ℃, saab väiksema energiatarbimisega sünteesida suurema osakese.
2.1.2 Sünteesiaeg
Muud protsessi tingimused jäävad muutumatuks ja sünteesiajaks seatakse vastavalt 4 h, 8 h ja 12 h. Tekkinud ränikarbiidi pulbri proovide võtmise analüüs on näidatud joonisel 2. Leitakse, et sünteesiaeg mõjutab oluliselt ränikarbiidi osakeste suurust. Kui sünteesiaeg on 4 tundi, jaotub osakeste suurus peamiselt 200 μm; kui sünteesiaeg on 8 tundi, suureneb sünteetiliste osakeste suurus märkimisväärselt, peamiselt jaotunud umbes 1 000 μm; sünteesiaja pikenedes suureneb osakeste suurus veelgi, peamiselt jaotunud umbes 2000 μm.
2.1.3 Tooraine osakeste suuruse mõju
Kuna kodumaist ränimaterjalide tootmisahelat täiustatakse järk-järgult, paraneb veelgi ränimaterjalide puhtus. Praegu jagunevad sünteesis kasutatavad ränimaterjalid peamiselt granuleeritud ränideks ja pulbriliseks räniks, nagu on näidatud joonisel 3.
Ränikarbiidi sünteesikatsete läbiviimiseks kasutati erinevaid räni tooraineid. Sünteetiliste toodete võrdlus on toodud joonisel 4. Analüüs näitab, et plokkräni tooraine kasutamisel esineb tootes suures koguses Si elemente. Pärast räniploki teistkordset purustamist väheneb sünteetilise toote Si elemendi sisaldus oluliselt, kuid see on endiselt olemas. Lõpuks kasutatakse sünteesiks ränipulbrit ja tootes on ainult SiC. Seda seetõttu, et tootmisprotsessis peab suuremõõtmeline granuleeritud räni esmalt läbima pinna sünteesireaktsiooni ja pinnal sünteesitakse ränikarbiid, mis takistab sisemise Si pulbri edasist kombineerimist C-pulbriga. Seega, kui toormaterjalina kasutatakse plokkräni, tuleb see purustada ja seejärel läbida sekundaarne sünteesiprotsess, et saada ränikarbiidi pulber kristallide kasvatamiseks.
2.2 Pulberkristallide vormi kontroll
2.2.1 Sünteesi temperatuuri mõju
Säilitades muud protsessi tingimused muutumatuks, on sünteesi temperatuur 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ ja 2100 ℃ ning tekkinud SiC pulbrist võetakse proovid ja analüüsitakse. Nagu on näidatud joonisel 5, on β-SiC maakollane ja α-SiC heledam. Sünteesitud pulbri värvi ja morfoloogiat jälgides saab kindlaks teha, et sünteesitud saadus on β-SiC temperatuuridel 1500 ℃ ja 1700 ℃. Temperatuuril 1900 ℃ muutub värv heledamaks ja ilmuvad kuusnurksed osakesed, mis näitavad, et pärast temperatuuri tõusmist 1900 ℃-ni toimub faasiüleminek ja osa β-SiC-st muudetakse α-SiC-ks; kui temperatuur tõuseb jätkuvalt 2100 ℃-ni, leitakse, et sünteesitud osakesed on läbipaistvad ja α-SiC on põhimõtteliselt muundatud.
2.2.2 Sünteesiaja mõju
Muud protsessi tingimused jäävad muutumatuks ja sünteesiajaks seatakse vastavalt 4 tundi, 8 tundi ja 12 tundi. Tekkinud ränidioksiidi pulbrist võetakse proov ja seda analüüsitakse difraktomeetriga (XRD). Tulemused on näidatud joonisel 6. Sünteesiajal on teatav mõju SiC pulbriga sünteesitavale produktile. Kui sünteesiaeg on 4 tundi ja 8 tundi, on sünteetiliseks tooteks peamiselt 6H-SiC; kui sünteesiaeg on 12 tundi, ilmub tootesse 15R-SiC.
2.2.3 Tooraine vahekorra mõju
Muud protsessid jäävad muutumatuks, analüüsitakse räni-süsinik ainete hulka ning sünteesikatsete puhul on suhted vastavalt 1,00, 1,05, 1,10 ja 1,15. Tulemused on näidatud joonisel 7.
XRD spektrist on näha, et kui räni-süsiniku suhe on suurem kui 1,05, ilmub tootesse liigne Si ja kui räni-süsiniku suhe on väiksem kui 1,05, siis tekib liigne C. Kui räni-süsiniku suhe on 1,05, on sünteetilisest tootest vaba süsinik põhimõtteliselt elimineeritud ja vaba räni ei ilmu. Seetõttu peaks kõrge puhtusastmega ränikarbiidi sünteesimiseks räni-süsiniku suhte suhe olema 1,05.
2.3 Pulbri madala lämmastikusisalduse kontroll
2.3.1 Sünteetilised toorained
Selles katses kasutatud toorained on kõrge puhtusastmega süsinikupulber ja kõrge puhtusastmega ränipulber, mille keskmine läbimõõt on 20 μm. Tänu oma väikesele osakeste suurusele ja suurele eripinnale neelavad nad kergesti N2 õhus. Pulbri sünteesimisel viiakse see pulbri kristallivormi. N-tüüpi kristallide kasvuks põhjustab N2 ebaühtlane doping pulbris kristalli ebaühtlase vastupidavuse ja isegi kristallivormi muutumise. Sünteesitud pulbri lämmastikusisaldus pärast vesiniku sisestamist on oluliselt madal. Seda seetõttu, et vesiniku molekulide maht on väike. Kui süsiniku- ja ränipulbris adsorbeerunud N2 kuumutatakse ja pinnalt laguneb, hajub H2 oma väikese mahuga täielikult pulbritevahelisse pilusse, asendades N2 positsiooni ja N2 pääseb vaakumprotsessi käigus tiiglist välja, lämmastikusisalduse eemaldamise eesmärgi saavutamine.
2.3.2 Sünteesiprotsess
Ränikarbiidi pulbri sünteesi ajal, kuna süsinikuaatomite ja lämmastikuaatomite raadius on sarnane, asendab lämmastik ränikarbiidi süsiniku vabu kohti, suurendades seeläbi lämmastikusisaldust. Selles katseprotsessis kasutatakse H2 sisestamise meetodit ja H2 reageerib sünteesitiigli süsiniku ja räni elementidega, tekitades C2H2, C2H ja SiH gaase. Süsiniku elementide sisaldus suureneb gaasifaasi ülekande kaudu, vähendades seeläbi süsiniku vabu kohti. Lämmastiku eemaldamise eesmärk on saavutatud.
2.3.3 Protsessi taustalämmastikusisalduse kontroll
Suure poorsusega grafiittiigleid saab kasutada täiendava C allikana Si aurude absorbeerimiseks gaasifaasi komponentides, Si vähendamiseks gaasifaasi komponentides ja seega C / Si suurendamiseks. Samal ajal võivad grafiittiiglid reageerida ka Si atmosfääriga, tekitades Si2C, SiC2 ja SiC, mis on samaväärne Si atmosfääriga, mis toob C allika grafiitiiglist kasvuatmosfääri, suurendab C suhet ja suurendab ka süsiniku-räni suhet. . Seetõttu saab süsiniku-räni suhet suurendada, kasutades suure poorsusega grafiittiigleid, vähendades süsiniku vakantsi ja saavutades lämmastiku eemaldamise eesmärgi.
3 Monokristalli pulbri sünteesi protsessi analüüs ja kavandamine
3.1 Sünteesiprotsessi põhimõte ja ülesehitus
Ülalnimetatud põhjaliku uuringu kaudu pulbrisünteesi osakeste suuruse, kristallvormi ja lämmastikusisalduse kontrolli kohta pakutakse välja sünteesiprotsess. Valitakse kõrge puhtusastmega C-pulber ja Si-pulber, mis segatakse ühtlaselt ja laaditakse räni-süsiniku suhtega 1,05 grafiittiiglisse. Protsessi etapid jagunevad peamiselt neljaks etapiks:
1) Madala temperatuuriga denitrifikatsiooniprotsess, vaakumiga 5 × 10-4 Pa, seejärel vesiniku sisestamine, muutes kambri rõhu umbes 80 kPa, hoides 15 minutit ja korrates neli korda. See protsess võib eemaldada süsiniku ja räni pulbri pinnalt lämmastikuelemendid.
2) Kõrgtemperatuuriline denitrifikatsiooniprotsess, vaakumiga 5 × 10-4 Pa, seejärel kuumutamine temperatuurini 950 ℃ ja seejärel vesiniku sisestamine, muutes kambri rõhu umbes 80 kPa, hoides 15 minutit ja korrates neli korda. See protsess võib eemaldada lämmastikuelemendid süsiniku ja ränipulbri pinnalt ning juhtida lämmastikku soojusväljas.
3) Madala temperatuuriga faasiprotsessi süntees, evakueerida 5 × 10-4 Pa, seejärel kuumutada temperatuurini 1350 ℃, hoida 12 tundi, seejärel sisestada vesinik, et muuta kambri rõhk umbes 80 kPa, hoida 1 tund. See protsess võib eemaldada sünteesiprotsessi käigus lendunud lämmastiku.
4) Kõrge temperatuuriga faasiprotsessi süntees, täitke kõrge puhtusastmega vesiniku ja argooni segagaasi teatud gaasimahu voolu suhtega, muutke kambri rõhk umbes 80 kPa, tõstke temperatuur 2100 ℃-ni, hoidke 10 tundi. See protsess viib lõpule ränikarbiidi pulbri muundumise β-SiC-st α-SiC-ks ja viib lõpule kristallosakeste kasvu.
Lõpuks oodake, kuni kambri temperatuur jahtub toatemperatuurini, täitke atmosfäärirõhuni ja võtke pulber välja.
3.2 Pulbri järeltöötlusprotsess
Pärast pulbri sünteesimist ülaltoodud protsessiga tuleb seda järeltöödelda vaba süsiniku, räni ja muude metallide lisandite eemaldamiseks ning osakeste suuruse sõelumiseks. Kõigepealt asetatakse sünteesitud pulber purustamiseks kuulveskisse ja purustatud ränikarbiidi pulber asetatakse muhvelahju ja kuumutatakse hapniku toimel temperatuurini 450 °C. Pulbris sisalduv vaba süsinik oksüdeeritakse kuumuse toimel, tekitades süsinikdioksiidi, mis väljub kambrist, saavutades nii vaba süsiniku eemaldamise. Seejärel valmistatakse happeline puhastusvedelik ja asetatakse puhastamiseks ränikarbiidi osakeste puhastusmasinasse, et eemaldada sünteesiprotsessi käigus tekkinud süsiniku, räni ja metallijääkide lisandid. Pärast seda pestakse happejääk puhta veega ja kuivatatakse. Kuivatatud pulbrit sõelutakse vibreeriva ekraaniga, et valida kristallide kasvu jaoks osakeste suurus.
Postitusaeg: august 08-2024