Кремний карбидінің монокристалды өсу процесінде будың физикалық тасымалдануы қазіргі индустрияландырудың негізгі әдісі болып табылады. PVT өсіру әдісі үшін,кремний карбиді ұнтағыөсу процесіне үлкен әсер етеді. Барлық параметрлерікремний карбиді ұнтағымонокристалды өсу сапасына және электрлік қасиеттеріне тікелей әсер етеді. Қазіргі өнеркәсіптік қолданбаларда жиі қолданыладыкремний карбиді ұнтағысинтез процесі - өздігінен таралатын жоғары температуралық синтез әдісі.
Өздігінен таралатын жоғары температуралық синтез әдісі химиялық реакцияларды бастау үшін әрекеттесушілерге бастапқы жылу беру үшін жоғары температураны пайдаланады, содан кейін реакцияға түспеген заттардың химиялық реакцияны аяқтауын жалғастыру үшін өзінің химиялық реакция жылуын пайдаланады. Алайда, Si және C химиялық реакциясы аз жылу бөлетіндіктен, реакцияны сақтау үшін басқа реагенттерді қосу керек. Сондықтан көптеген ғалымдар активаторды енгізе отырып, осы негізде жетілдірілген өздігінен таралатын синтез әдісін ұсынды. Өздігінен таралатын әдіс салыстырмалы түрде оңай жүзеге асырылады, ал әртүрлі синтез параметрлерін тұрақты басқару оңай. Кең ауқымды синтез индустрияландыру қажеттіліктерін қанағаттандырады.
1999 жылы Бриджпорт синтездеу үшін өздігінен таралатын жоғары температуралық синтез әдісін қолданды.SiC ұнтағы, бірақ ол шикізат ретінде этоксисилан мен фенол шайырын пайдаланды, бұл қымбат болды. Гао Пан және басқалары синтездеу үшін шикізат ретінде жоғары таза Si ұнтағы мен С ұнтағын пайдаландыSiC ұнтағыаргон атмосферасында жоғары температуралық реакция арқылы. Нин Лина үлкен бөлшекті дайындадыSiC ұнтағыекіншілік синтез арқылы.
China Electronics Technology Group корпорациясының екінші ғылыми-зерттеу институты әзірлеген орташа жиілікті индукциялық қыздыру пеші кремний ұнтағы мен көміртегі ұнтағын белгілі бір стехиометриялық қатынаста біркелкі араластырады және оларды графит тигельге орналастырады. Theграфит тигельжылыту үшін орташа жиілікті индукциялық қыздыру пешіне орналастырылады, ал температураның өзгеруі сәйкесінше төмен температуралы фаза және жоғары температуралы фазалық кремний карбиді синтездеу және түрлендіру үшін пайдаланылады. Төмен температуралық фазадағы β-SiC синтез реакциясының температурасы Si ұшқыштық температурасынан төмен болғандықтан, жоғары вакуумда β-SiC синтезі өздігінен таралуды жақсы қамтамасыз ете алады. α-SiC синтезіне аргон, сутегі және HCl газын енгізу әдісі ыдырауын болдырмайды.SiC ұнтағыжоғары температура сатысында және α-SiC ұнтағындағы азот құрамын тиімді төмендете алады.
Шаньдун Тяньюэ кремний шикізаты ретінде силан газын және көміртегі шикізаты ретінде көміртегі ұнтағын қолданатын синтез пешін жобалады. Енгізілген шикізат газының мөлшері екі сатылы синтез әдісімен реттелді және соңғы синтезделген кремний карбиді бөлшектерінің мөлшері 50 және 5 000 umм арасында болды.
1 Ұнтақ синтезі процесінің бақылау факторлары
1.1 Ұнтақ бөлшектерінің мөлшерінің кристалдардың өсуіне әсері
Кремний карбиді ұнтағының бөлшектерінің мөлшері монокристалдың кейінгі өсуіне өте маңызды әсер етеді. SiC монокристалының PVT әдісімен өсуі негізінен газ фазасының құрамдас бөлігіндегі кремний мен көміртектің молярлық қатынасын өзгерту арқылы қол жеткізіледі, ал газ фазасының компонентіндегі кремний мен көміртектің молярлық қатынасы кремний карбиді ұнтағының бөлшектерінің өлшеміне байланысты. . Өсу жүйесінің жалпы қысымы және кремний-көміртекті қатынасы бөлшектер мөлшерінің азаюымен артады. Бөлшектердің өлшемі 2-3 мм-ден 0,06 мм-ге дейін азайған кезде кремний-көміртек қатынасы 1,3-тен 4,0-ге дейін артады. Бөлшектер белгілі бір дәрежеде аз болғанда, Si парциалды қысымы артады және өсіп келе жатқан кристалдың бетінде полиморфизмге, нүктелік ақауларға және сызықтық ақауларға әсер ететін газ-сұйық-қатты өсуді индукциялайтын Si қабықшасының қабаты пайда болады. кристалда. Сондықтан жоғары таза кремний карбиді ұнтағының бөлшектерінің өлшемін жақсы бақылау керек.
Сонымен қатар, SiC ұнтағы бөлшектерінің мөлшері салыстырмалы түрде аз болғанда, ұнтақ тезірек ыдырайды, нәтижесінде SiC монокристалдарының шамадан тыс өсуі байқалады. Бір жағынан, SiC монокристалды өсудің жоғары температуралы ортасында екі синтез және ыдырау процесі бір уақытта жүзеге асырылады. Кремний карбиді ұнтағы ыдырап, көміртекті газ фазасында және Si, Si2C, SiC2 сияқты қатты фазада түзеді, нәтижесінде поликристалды ұнтақтың күрделі карбонизациясы және кристалда көміртегі қосындыларының пайда болуы; екінші жағынан, ұнтақтың ыдырау жылдамдығы салыстырмалы түрде жылдам болғанда, өсірілген SiC монокристалының кристалдық құрылымы өзгеруге бейім болады, бұл өсірілген SiC монокристалының сапасын бақылауды қиындатады.
1.2 Ұнтақ кристалды түрінің кристалдардың өсуіне әсері
SiC монокристалының ПВТ әдісімен өсуі жоғары температурада сублимация-қайта кристалдану процесі болып табылады. SiC шикізатының кристалдық түрі кристалдардың өсуіне маңызды әсер етеді. Ұнтақты синтездеу процесінде негізінен бірлік жасушаның текше құрылымы бар төмен температуралық синтез фазасы (β-SiC) және бірлік жасушаның алтыбұрышты құрылымы бар жоғары температуралық синтез фазасы (α-SiC) өндірілетін болады. . Көптеген кремний карбидінің кристалдық формалары және тар температураны бақылау диапазоны бар. Мысалы, 3C-SiC 1900°C жоғары температурада алтыбұрышты кремний карбиді полиморфына, яғни 4H/6H-SiC түрленеді.
Монокристалды өсу процесінде кристалдарды өсіру үшін β-SiC ұнтағын пайдаланған кезде кремний-көміртекті молярлық қатынасы 5,5-тен жоғары, ал α-SiC ұнтағын кристалдарды өсіру үшін пайдаланған кезде кремний-көміртекті молярлық қатынасы 1,2 болады. Температура көтерілген кезде тигельде фазалық ауысу орын алады. Бұл кезде газ фазасындағы молярлық қатынас үлкен болады, бұл кристалдардың өсуіне қолайлы емес. Сонымен қатар, көміртегі, кремний және кремний диоксидін қоса алғанда, басқа газ фазалық қоспалар фазалық ауысу процесінде оңай түзіледі. Бұл қоспалардың болуы кристалда микротүтіктер мен бос орындардың пайда болуына әкеледі. Сондықтан ұнтақ кристалды пішінді дәл бақылау керек.
1.3 Ұнтақ қоспаларының кристалдардың өсуіне әсері
SiC ұнтағының құрамындағы қоспалар кристалдардың өсуі кезінде өздігінен нуклеацияға әсер етеді. Қоспаның мөлшері неғұрлым жоғары болса, кристалдың өздігінен ядролану ықтималдығы соғұрлым аз болады. SiC үшін негізгі металл қоспаларына B, Al, V және Ni жатады, олар кремний ұнтағы мен көміртегі ұнтағын өңдеу кезінде өңдеу құралдары арқылы енгізілуі мүмкін. Олардың ішінде B және Al SiC-тегі негізгі таяз энергия деңгейінің акцепторлық қоспалары болып табылады, нәтижесінде SiC кедергісі төмендейді. Басқа металл қоспалары жоғары температурада SiC монокристалдарының тұрақсыз электрлік қасиеттеріне әкелетін көптеген энергетикалық деңгейлерді енгізеді және жоғары таза жартылай оқшаулағыш монокристалды негіздердің электрлік қасиеттеріне, әсіресе кедергіге көбірек әсер етеді. Сондықтан жоғары таза кремний карбиді ұнтағын мүмкіндігінше синтездеу керек.
1.4 Ұнтақтағы азот мөлшерінің кристалдардың өсуіне әсері
Азот мөлшерінің деңгейі монокристалды субстраттың кедергісін анықтайды. Негізгі өндірушілер ұнтақты синтездеу кезінде жетілген кристалдың өсу процесіне сәйкес синтетикалық материалдағы азот қоспасының концентрациясын реттеуі керек. Жоғары таза жартылай оқшаулағыш кремний карбидті монокристалды субстраттар әскери ядролық электрондық компоненттер үшін ең перспективалы материалдар болып табылады. Жоғары кедергісі және тамаша электрлік қасиеттері бар жоғары таза жартылай оқшаулағыш монокристалды субстраттарды өсіру үшін субстраттағы негізгі қоспа азотының құрамын төмен деңгейде бақылау керек. Өткізгіш монокристалды субстраттар салыстырмалы жоғары концентрацияда азот құрамын бақылауды талап етеді.
2 Ұнтақты синтездеу үшін негізгі басқару технологиясы
Кремний карбиді субстраттарын пайдалану орталарының әртүрлі болуына байланысты өсу ұнтақтарының синтезі технологиясы да әртүрлі процестерге ие. N-типті өткізгіш монокристалды өсіретін ұнтақтар үшін жоғары қоспа тазалығы және бір фаза қажет; ал жартылай оқшаулағыш монокристалды өсінділер үшін азот құрамын қатаң бақылау қажет.
2.1 Ұнтақ бөлшектерінің мөлшерін бақылау
2.1.1 Синтез температурасы
Басқа процесс жағдайларын өзгеріссіз сақтай отырып, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ және 2200 ℃ синтез температураларында түзілген SiC ұнтақтары сынама алынды және талданды. 1-суретте көрсетілгендей, 1900 ℃ температурада бөлшектердің өлшемі 250 ~ 600 мкм, ал 2000 ℃ температурада бөлшектердің өлшемі 600 ~ 850 мкм-ге дейін артады және бөлшектердің өлшемі айтарлықтай өзгеретінін көруге болады. Температура 2100 ℃ дейін көтерілген кезде, SiC ұнтағының бөлшектерінің мөлшері 850 ~ 2360 мкм құрайды және өсу жұмсақ болады. 2200 ℃ температурада SiC бөлшектерінің өлшемі шамамен 2360 мкм-де тұрақты. Синтез температурасының 1900 ℃-ден жоғарылауы SiC бөлшектерінің мөлшеріне оң әсер етеді. Синтез температурасы 2100 ℃-ден жоғарылағанда, бөлшектердің өлшемі енді айтарлықтай өзгермейді. Сондықтан, синтез температурасы 2100 ℃-ге орнатылғанда, энергияны аз тұтыну кезінде үлкенірек бөлшек өлшемін синтездеуге болады.
2.1.2 Синтез уақыты
Басқа процесс шарттары өзгеріссіз қалады және синтез уақыты сәйкесінше 4 сағ, 8 сағ және 12 сағатқа орнатылады. Жасалған SiC ұнтағы сынамаларын алу талдауы 2-суретте көрсетілген. Синтез уақыты SiC бөлшектерінің мөлшеріне айтарлықтай әсер ететіні анықталды. Синтез уақыты 4 сағ болғанда, бөлшектердің мөлшері негізінен 200 мкм-де таралады; синтез уақыты 8 сағ болғанда, синтетикалық бөлшектердің мөлшері айтарлықтай артады, негізінен шамамен 1 000 мкм-ге бөлінеді; синтез уақыты ұлғайған сайын, бөлшектердің өлшемі одан әрі ұлғаяды, негізінен шамамен 2 000 мкм-ге таралады.
2.1.3 Шикізат бөлшектерінің мөлшерінің әсері
Отандық кремний материалдарын өндіру тізбегі бірте-бірте жетілдірілетіндіктен, кремний материалдарының тазалығы да одан әрі жақсарады. Қазіргі уақытта синтезде қолданылатын кремний материалдары 3-суретте көрсетілгендей негізінен түйіршікті кремний және ұнтақ кремний болып екіге бөлінеді.
Кремний карбидін синтездеу тәжірибелерін жүргізу үшін әртүрлі кремний шикізаты қолданылды. Синтетикалық өнімдерді салыстыру 4-суретте көрсетілген. Талдау көрсеткендей, блокты кремний шикізатын пайдаланған кезде өнімде Si элементтерінің көп мөлшері болады. Кремний блогы екінші рет ұсақталғаннан кейін синтетикалық өнімдегі Si элементі айтарлықтай азаяды, бірақ ол әлі де бар. Соңында, кремний ұнтағы синтез үшін пайдаланылады және өнімде тек SiC бар. Себебі, өндіріс процесінде үлкен өлшемді түйіршікті кремний алдымен беттік синтез реакциясынан өтуі керек, ал кремний карбиді бетінде синтезделеді, бұл ішкі Si ұнтағының С ұнтағымен одан әрі қосылуына жол бермейді. Сондықтан, егер блокты кремний шикізат ретінде пайдаланылса, оны ұсақтау керек, содан кейін кристалды өсіру үшін кремний карбиді ұнтағын алу үшін екінші реттік синтез процесіне ұшырау керек.
2.2 Ұнтақ кристалды пішінін бақылау
2.2.1 Синтез температурасының әсері
Басқа процесс жағдайларын өзгеріссіз сақтай отырып, синтез температурасы 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ және 2100 ℃ болып табылады және түзілген SiC ұнтағы сынамаланады және талданады. 5-суретте көрсетілгендей, β-SiC жер сары, ал α-SiC ашық түсті. Синтезделген ұнтақтың түсі мен морфологиясын бақылай отырып, 1500℃ және 1700℃ температурада синтезделген өнімнің β-SiC екенін анықтауға болады. 1900℃ температурада түс ашық болады және алтыбұрышты бөлшектер пайда болады, бұл температура 1900℃ дейін көтерілгеннен кейін фазалық ауысу орын алып, β-SiC бөлігі α-SiC-ке айналады; температура 2100℃ дейін көтерілгенде, синтезделген бөлшектердің мөлдір болатыны және α-SiC негізінен түрленетіні анықталды.
2.2.2 Синтез уақытының әсері
Басқа процесс шарттары өзгеріссіз қалады және синтез уақыты сәйкесінше 4сағ, 8сағ және 12сағ. Түзілген SiC ұнтағы дифрактометрмен (XRD) сынама алынады және талданады. Нәтижелер 6-суретте көрсетілген. Синтез уақыты SiC ұнтағымен синтезделген өнімге белгілі бір әсер етеді. Синтез уақыты 4 сағ және 8 сағ болған кезде синтетикалық өнім негізінен 6H-SiC болады; синтез уақыты 12 сағ болғанда, өнімде 15R-SiC пайда болады.
2.2.3 Шикізат қатынасының әсері
Басқа процестер өзгеріссіз қалады, кремний-көміртекті заттардың мөлшері талданады және синтездік тәжірибелер үшін сәйкесінше 1,00, 1,05, 1,10 және 1,15 қатынасы. Нәтижелер 7-суретте көрсетілген.
XRD спектрінен кремний-көміртек қатынасы 1,05-тен жоғары болғанда өнімде артық Si пайда болатынын, ал кремний-көміртек қатынасы 1,05-тен төмен болғанда артық С пайда болатынын көруге болады. Кремний-көміртек қатынасы 1,05 болғанда, синтетикалық өнімдегі бос көміртек негізінен жойылады және бос кремний пайда болмайды. Сондықтан жоғары таза SiC синтездеу үшін кремний-көміртек қатынасының мөлшерлік қатынасы 1,05 болуы керек.
2.3 Ұнтақтағы азоттың аз мөлшерін бақылау
2.3.1 Синтетикалық шикізат
Бұл тәжірибеде қолданылатын шикізат жоғары таза көміртегі ұнтағы және орташа диаметрі 20 мкм жоғары таза кремний ұнтағы. Бөлшектерінің кішігірім мөлшері мен үлкен меншікті бетінің арқасында олар N2 ауада оңай жұтылады. Ұнтақты синтездеу кезінде ол ұнтақтың кристалдық түріне келтіріледі. N-типті кристалдардың өсуі үшін ұнтақтағы N2 қоспасының біркелкі болмауы кристалдың біркелкі кедергісіне және тіпті кристалдық түрінің өзгеруіне әкеледі. Сутегі енгізілгеннен кейін синтезделген ұнтақтағы азот мөлшері айтарлықтай төмен. Себебі сутегі молекулаларының көлемі аз. Көміртегі ұнтағы мен кремний ұнтағына адсорбцияланған N2 қыздырылғанда және бетінен ыдырағанда, H2 аз көлемімен ұнтақтар арасындағы саңылауларға толығымен таралады, N2 орнын ауыстырады, ал N2 вакуум процесі кезінде тигельден шығады, азот құрамын жою мақсатына жету.
2.3.2 Синтез процесі
Кремний карбиді ұнтағын синтездеу кезінде көміртегі атомдары мен азот атомдарының радиусы ұқсас болғандықтан, азот кремний карбидіндегі көміртегі бос орындарын ауыстырады, осылайша азот құрамын арттырады. Бұл тәжірибелік процесс H2 енгізу әдісін қабылдайды, ал H2 C2H2, C2H және SiH газдарын шығару үшін синтез тигельіндегі көміртегі және кремний элементтерімен әрекеттеседі. Көміртек элементінің мазмұны газ фазасының берілісімен артады, осылайша көміртегі бос орындарын азайтады. Азотты жою мақсатына қол жеткізілді.
2.3.3 Процесс фондық азот құрамын бақылау
Кеуектілігі үлкен графит тигельдері газ фазасының құрамдас бөліктеріндегі Si буын сіңіру, газ фазасының құрамдас бөліктеріндегі Si азайту және осылайша C/Si арттыру үшін қосымша С көздері ретінде пайдаланылуы мүмкін. Сонымен қатар, графит тигелдері Si атмосферасымен әрекеттесіп, Si2C, SiC2 және SiC түзе алады, бұл Si атмосферасына баламалы, бұл графит тигельден С көзін өсу атмосферасына әкеліп, С қатынасын арттырады, сонымен қатар көміртегі-кремний арақатынасын арттырады. . Сондықтан көміртегі-кремний арақатынасын кеуектілігі үлкен графит тигельдерін қолдану, көміртегі бос орындарын азайту және азотты жою мақсатына жету арқылы арттыруға болады.
3 Монокристалды ұнтақ синтезі процесін талдау және жобалау
3.1 Синтез процесінің принципі және құрылымы
Ұнтақ синтезінің бөлшектерінің өлшемін, кристалдық формасын және азот құрамын бақылау бойынша жоғарыда аталған кешенді зерттеу арқылы синтез процесі ұсынылады. Тазалығы жоғары С ұнтағы мен Si ұнтағы таңдап алынады және олар біркелкі араласып, кремний-көміртек қатынасы 1,05 бойынша графит тигельге салынады. Процесс қадамдары негізінен төрт кезеңге бөлінеді:
1) Төмен температурадағы денитрификация процесі, 5×10-4 Па дейін вакуумдау, содан кейін сутегін енгізу, камераның қысымын шамамен 80 кПа ету, 15 мин ұстап тұру және төрт рет қайталау. Бұл процесс көміртегі ұнтағы мен кремний ұнтағының бетіндегі азот элементтерін жоя алады.
2) Жоғары температурадағы денитрификация процесі, 5×10-4 Па дейін вакуумдау, содан кейін 950 ℃ дейін қыздыру, содан кейін сутегін енгізу, камераның қысымын шамамен 80 кПа жасау, 15 минут бойы ұстап тұру және төрт рет қайталау. Бұл процесс көміртегі ұнтағы мен кремний ұнтағының бетіндегі азот элементтерін жоя алады және жылу өрісінде азотты қозғай алады.
3) Төмен температуралы фаза процесінің синтезі, 5×10-4 Па дейін эвакуациялаңыз, содан кейін 1350℃ дейін қыздырыңыз, 12 сағат ұстаңыз, содан кейін камераның қысымы шамамен 80 кПа болуы үшін сутегін енгізіңіз, 1 сағат ұстаңыз. Бұл процесс синтез процесі кезінде ұшатын азотты кетіре алады.
4) Жоғары температуралы фазалық процестің синтезі, жоғары таза сутегі мен аргон аралас газдың белгілі бір газ көлемінің ағынының қатынасымен толтырыңыз, камераның қысымын шамамен 80 кПа жасаңыз, температураны 2100 ℃ дейін көтеріңіз, 10 сағат ұстаңыз. Бұл процесс кремний карбиді ұнтағының β-SiC-тен α-SiC-ке айналуын аяқтайды және кристалдық бөлшектердің өсуін аяқтайды.
Соңында, камера температурасы бөлме температурасына дейін салқындағанша күтіңіз, атмосфералық қысымға дейін толтырыңыз және ұнтақты алыңыз.
3.2 Ұнтақты кейінгі өңдеу процесі
Ұнтақ жоғарыда аталған процесс арқылы синтезделгеннен кейін бос көміртекті, кремнийді және басқа металл қоспаларын жою және бөлшектердің өлшемін экрандау үшін оны кейінгі өңдеуден өткізу керек. Алдымен синтезделген ұнтақты ұсақтау үшін шарикті диірменге салады, ал ұсақталған кремний карбиді ұнтағын муфельді пешке салып, оттегімен 450°С дейін қыздырады. Ұнтақтағы бос көміртегі жылумен тотығады, ол камерадан шығатын көмірқышқыл газын түзеді, осылайша бос көміртектің жойылуына қол жеткізіледі. Содан кейін синтез процесі кезінде пайда болған көміртегі, кремний және қалдық металл қоспаларын кетіру үшін қышқылды тазартқыш сұйықтық дайындалады және тазалауға арналған кремний карбиді бөлшектерін тазалауға арналған машинаға салынады. Осыдан кейін қалдық қышқыл таза сумен жуылады және кептіріледі. Кептірілген ұнтақ кристалдардың өсуі үшін бөлшектердің өлшемін таңдау үшін діріл экранда сүзіледі.
Жіберу уақыты: 08 тамыз 2024 ж