Augstas tīrības pakāpes SiC monokristālu pulvera sintēzes process

Silīcija karbīda monokristālu augšanas procesā fiziskā tvaiku transportēšana ir pašreizējā galvenā industrializācijas metode. PVT augšanas metodeisilīcija karbīda pulverisir liela ietekme uz augšanas procesu. Visi parametrisilīcija karbīda pulveristiešā veidā ietekmē monokristālu augšanas kvalitāti un elektriskās īpašības. Pašreizējos rūpnieciskos lietojumos parasti izmantosilīcija karbīda pulverissintēzes process ir pašvairojoša augstas temperatūras sintēzes metode.
Pašizplatīšanās augstas temperatūras sintēzes metode izmanto augstu temperatūru, lai reaģentiem sniegtu sākotnējo siltumu, lai sāktu ķīmiskās reakcijas, un pēc tam izmanto savu ķīmiskās reakcijas siltumu, lai ļautu nereaģētajām vielām turpināt pabeigt ķīmisko reakciju. Tomēr, tā kā Si un C ķīmiskā reakcija izdala mazāk siltuma, reakcijas uzturēšanai jāpievieno citi reaģenti. Tāpēc daudzi zinātnieki, pamatojoties uz to, ir ierosinājuši uzlabotu pašizplatīšanās sintēzes metodi, ieviešot aktivatoru. Pašizplatīšanās metode ir salīdzinoši viegli īstenojama, un dažādi sintēzes parametri ir viegli stabili kontrolējami. Liela mēroga sintēze atbilst industrializācijas vajadzībām.

640

Jau 1999. gadā Bridžporta sintezēšanai izmantoja pašvairojošās augstas temperatūras sintēzes metodiSiC pulveris, bet kā izejmateriālu izmantoja etoksisilānu un fenola sveķus, kas bija dārgi. Gao Pan un citi izmantoja augstas tīrības pakāpes Si pulveri un C pulveri kā izejvielas sintezēšanaiSiC pulverisaugstas temperatūras reakcijas rezultātā argona atmosfērā. Ning Lina sagatavoja lielu daļiņuSiC pulverisar sekundāro sintēzi.

Ķīnas Electronics Technology Group Corporation Otrā pētniecības institūta izstrādātā vidējas frekvences indukcijas sildīšanas krāsns vienmērīgi sajauc silīcija pulveri un oglekļa pulveri noteiktā stehiometriskā attiecībā un ievieto tos grafīta tīģelī. Thegrafīta tīģelistiek ievietots vidējas frekvences indukcijas sildīšanas krāsnī sildīšanai, un temperatūras izmaiņas tiek izmantotas, lai sintezētu un pārveidotu attiecīgi zemas temperatūras fāzi un augstas temperatūras fāzes silīcija karbīdu. Tā kā β-SiC sintēzes reakcijas temperatūra zemas temperatūras fāzē ir zemāka par Si iztvaikošanas temperatūru, β-SiC sintēze augstā vakuumā var labi nodrošināt pašizplatīšanos. Argona, ūdeņraža un HCl gāzes ievadīšanas metode α-SiC sintēzē novēršSiC pulverisaugstas temperatūras stadijā un var efektīvi samazināt slāpekļa saturu α-SiC pulverī.

Shandong Tianyue izstrādāja sintēzes krāsni, izmantojot silāna gāzi kā silīcija izejvielu un oglekļa pulveri kā oglekļa izejvielu. Ievadītās izejvielas gāzes daudzums tika regulēts ar divpakāpju sintēzes metodi, un galīgais sintezētā silīcija karbīda daļiņu izmērs bija no 50 līdz 5000 um.

1 Pulvera sintēzes procesa kontroles faktori

1.1. Pulvera daļiņu izmēra ietekme uz kristāla augšanu
Silīcija karbīda pulvera daļiņu izmēram ir ļoti liela ietekme uz turpmāko monokristālu augšanu. SiC monokristālu augšana ar PVT metodi galvenokārt tiek panākta, mainot silīcija un oglekļa molāro attiecību gāzes fāzes komponentā, un silīcija un oglekļa molārā attiecība gāzes fāzes komponentā ir saistīta ar silīcija karbīda pulvera daļiņu izmēru. . Kopējais spiediens un silīcija-oglekļa attiecība augšanas sistēmā palielinās, samazinoties daļiņu izmēram. Kad daļiņu izmērs samazinās no 2-3 mm līdz 0,06 mm, silīcija un oglekļa attiecība palielinās no 1,3 līdz 4,0. Kad daļiņas ir zināmā mērā mazas, Si parciālais spiediens palielinās, un uz augošā kristāla virsmas veidojas Si plēves slānis, izraisot gāzes-šķidruma-cietas vielas augšanu, kas ietekmē polimorfismu, punktu defektus un līniju defektus. kristālā. Tāpēc augstas tīrības pakāpes silīcija karbīda pulvera daļiņu izmērs ir labi jākontrolē.

Turklāt, ja SiC pulvera daļiņu izmērs ir salīdzinoši mazs, pulveris sadalās ātrāk, kā rezultātā SiC monokristālisti aug pārmērīgi. No vienas puses, SiC monokristālu augšanas augstas temperatūras vidē abi sintēzes un sadalīšanās procesi tiek veikti vienlaikus. Silīcija karbīda pulveris sadalīsies un veidos oglekli gāzes fāzē un cietajā fāzē, piemēram, Si, Si2C, SiC2, kā rezultātā polikristāliskā pulvera karbonizācija un oglekļa ieslēgumi kristālā veidosies; no otras puses, ja pulvera sadalīšanās ātrums ir salīdzinoši ātrs, audzētā SiC monokristāla kristāliskā struktūra ir pakļauta izmaiņām, kas apgrūtina audzētā SiC monokristāla kvalitātes kontroli.

1.2. Pulvera kristāla formas ietekme uz kristālu augšanu
SiC monokristālu audzēšana ar PVT metodi ir sublimācijas-rekristalizācijas process augstā temperatūrā. SiC izejmateriāla kristāliskajai formai ir būtiska ietekme uz kristālu augšanu. Pulvera sintēzes procesā galvenokārt tiks ražota zemas temperatūras sintēzes fāze (β-SiC) ar vienības šūnas kubisko struktūru un augstas temperatūras sintēzes fāze (α-SiC) ar vienības šūnas sešstūra struktūru. . Ir daudz silīcija karbīda kristālu formu un šaurs temperatūras kontroles diapazons. Piemēram, 3C-SiC pārveidosies par sešstūra silīcija karbīda polimorfu, ti, 4H/6H-SiC temperatūrā virs 1900°C.

Vienkristālu augšanas procesā, kad kristālu audzēšanai izmanto β-SiC pulveri, silīcija-oglekļa molārā attiecība ir lielāka par 5,5, savukārt, kad kristālu audzēšanai izmanto α-SiC pulveri, silīcija-oglekļa molārā attiecība ir 1,2. Kad temperatūra paaugstinās, tīģelī notiek fāzes pāreja. Šajā laikā molārā attiecība gāzes fāzē kļūst lielāka, kas neveicina kristālu augšanu. Turklāt fāzes pārejas procesā viegli rodas citi gāzes fāzes piemaisījumi, tostarp ogleklis, silīcijs un silīcija dioksīds. Šo piemaisījumu klātbūtne izraisa kristāla mikrocauruļu un tukšumu veidošanos. Tāpēc pulvera kristāla forma ir precīzi jākontrolē.

1.3. Pulvera piemaisījumu ietekme uz kristālu augšanu
Piemaisījumu saturs SiC pulverī ietekmē spontāno kodolu veidošanos kristāla augšanas laikā. Jo augstāks ir piemaisījumu saturs, jo mazāka ir iespēja, ka kristāls spontāni veidos kodolu. Attiecībā uz SiC galvenie metālu piemaisījumi ir B, Al, V un Ni, ko var ievadīt apstrādes instrumenti silīcija pulvera un oglekļa pulvera apstrādes laikā. Starp tiem B un Al ir galvenie seklā enerģijas līmeņa akceptoru piemaisījumi SiC, kā rezultātā samazinās SiC pretestība. Citi metālu piemaisījumi ieviesīs daudzus enerģijas līmeņus, kā rezultātā SiC monokristālu elektriskās īpašības augstās temperatūrās būs nestabilas, un tiem būs lielāka ietekme uz augstas tīrības pakāpes daļēji izolējošu monokristālu substrātu elektriskās īpašības, īpaši pretestību. Tāpēc pēc iespējas vairāk jāsintezē augstas tīrības pakāpes silīcija karbīda pulveris.

1.4. Pulvera slāpekļa satura ietekme uz kristālu augšanu
Slāpekļa satura līmenis nosaka monokristāla substrāta pretestību. Lielajiem ražotājiem ir jāpielāgo slāpekļa dopinga koncentrācija sintētiskajā materiālā atbilstoši nobriedušu kristālu augšanas procesam pulvera sintēzes laikā. Augstas tīrības pakāpes daļēji izolējoši silīcija karbīda monokristālu substrāti ir visdaudzsološākie materiāli militāro galveno elektronisko komponentu ražošanai. Lai audzētu augstas tīrības pakāpes daļēji izolējošus monokristālu substrātus ar augstu pretestību un izcilām elektriskām īpašībām, galvenā piemaisījuma slāpekļa saturs substrātā ir jākontrolē zemā līmenī. Vadītspējīgiem monokristālu substrātiem ir nepieciešams kontrolēt slāpekļa saturu salīdzinoši augstā koncentrācijā.

2 Galvenā pulvera sintēzes vadības tehnoloģija
Silīcija karbīda substrātu atšķirīgās lietošanas vides dēļ arī augšanas pulveru sintēzes tehnoloģijai ir dažādi procesi. N tipa vadītspējīgiem monokristālu augšanas pulveriem ir nepieciešama augsta piemaisījumu tīrība un viena fāze; savukārt pusizolējošiem monokristālu augšanas pulveriem ir nepieciešama stingra slāpekļa satura kontrole.

2.1. Pulvera daļiņu izmēra kontrole
2.1.1 Sintēzes temperatūra
Nemainoties citiem procesa apstākļiem, tika ņemti paraugi un analizēti SiC pulveri, kas radušies sintēzes temperatūrā 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ un 2200 ℃. Kā parādīts 1. attēlā, var redzēt, ka daļiņu izmērs ir 250–600 μm pie 1900 ℃, un daļiņu izmērs palielinās līdz 600–850 μm pie 2000 ℃, un daļiņu izmērs ievērojami mainās. Kad temperatūra turpina paaugstināties līdz 2100 ℃, SiC pulvera daļiņu izmērs ir 850–2360 μm, un palielināšanās mēdz būt maiga. SiC daļiņu izmērs pie 2200 ℃ ir stabils pie aptuveni 2360 μm. Sintēzes temperatūras paaugstināšanās no 1900 ℃ pozitīvi ietekmē SiC daļiņu izmēru. Kad sintēzes temperatūra turpina paaugstināties no 2100 ℃, daļiņu izmērs vairs būtiski nemainās. Tāpēc, kad sintēzes temperatūra ir iestatīta uz 2100 ℃, ar mazāku enerģijas patēriņu var sintezēt lielāku daļiņu izmēru.

640 (5)

2.1.2 Sintēzes laiks
Citi procesa apstākļi paliek nemainīgi, un sintēzes laiks ir iestatīts attiecīgi 4 h, 8 h un 12 h. Izveidotā SiC pulvera paraugu ņemšanas analīze ir parādīta 2. attēlā. Konstatēts, ka sintēzes laikam ir būtiska ietekme uz SiC daļiņu izmēru. Ja sintēzes laiks ir 4 h, daļiņu izmērs galvenokārt tiek sadalīts 200 μm; kad sintēzes laiks ir 8 stundas, sintētisko daļiņu izmērs ievērojami palielinās, galvenokārt sadaloties apmēram 1 000 μm; sintēzes laikam turpinot palielināties, daļiņu izmērs vēl vairāk palielinās, galvenokārt sadaloties aptuveni 2000 μm.

640 (2)

2.1.3. Izejvielu daļiņu izmēra ietekme
Tā kā vietējā silīcija materiālu ražošanas ķēde tiek pakāpeniski uzlabota, tiek vēl vairāk uzlabota arī silīcija materiālu tīrība. Pašlaik sintēzē izmantotie silīcija materiāli galvenokārt ir sadalīti granulētajā silīcijā un silīcija pulverī, kā parādīts 3. attēlā.

640 (6)

Lai veiktu silīcija karbīda sintēzes eksperimentus, tika izmantotas dažādas silīcija izejvielas. Sintētisko izstrādājumu salīdzinājums parādīts 4. attēlā. Analīze parāda, ka, izmantojot bloku silīcija izejvielas, produktā ir liels daudzums Si elementu. Pēc silīcija bloka otrreizējas sasmalcināšanas Si elements sintētiskajā produktā ir ievērojami samazināts, taču tas joprojām pastāv. Visbeidzot, sintēzei izmanto silīcija pulveri, un produktā ir tikai SiC. Tas ir tāpēc, ka ražošanas procesā liela izmēra granulētam silīcijam vispirms ir jāveic virsmas sintēzes reakcija, un uz virsmas tiek sintezēts silīcija karbīds, kas neļauj iekšējam Si pulverim tālāk apvienoties ar C pulveri. Tāpēc, ja kā izejvielu izmanto bloku silīciju, tas ir jāsadrupina un pēc tam jāpakļauj sekundārai sintēzes procesam, lai iegūtu silīcija karbīda pulveri kristālu augšanai.

640 (4)

2.2. Pulvera kristāla formas kontrole

2.2.1. Sintēzes temperatūras ietekme
Saglabājot citus procesa apstākļus nemainīgus, sintēzes temperatūra ir 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ un 2100 ℃, un iegūtais SiC pulveris tiek ņemts un analizēts. Kā parādīts 5. attēlā, β-SiC ir zemes dzeltenā krāsā, un α-SiC ir gaišākā krāsā. Novērojot sintezētā pulvera krāsu un morfoloģiju, var noteikt, ka sintezētais produkts ir β-SiC 1500℃ un 1700℃ temperatūrā. Pie 1900 ℃ krāsa kļūst gaišāka un parādās sešstūrainas daļiņas, kas norāda, ka pēc temperatūras paaugstināšanās līdz 1900 ℃ notiek fāzes pāreja un daļa β-SiC tiek pārvērsta par α-SiC; kad temperatūra turpina paaugstināties līdz 2100 ℃, tiek konstatēts, ka sintezētās daļiņas ir caurspīdīgas un α-SiC būtībā ir pārveidots.

640 (9)

2.2.2 Sintēzes laika ietekme
Citi procesa apstākļi paliek nemainīgi, un sintēzes laiks ir iestatīts attiecīgi uz 4h, 8h un 12h. Izveidotā SiC pulvera paraugus ņem un analizē ar difraktometru (XRD). Rezultāti parādīti 6. attēlā. Sintēzes laikam ir zināma ietekme uz SiC pulvera sintezēto produktu. Ja sintēzes laiks ir 4 stundas un 8 stundas, sintētiskais produkts galvenokārt ir 6H-SiC; kad sintēzes laiks ir 12 h, produktā parādās 15R-SiC.

640 (8)

2.2.3. Izejvielu attiecības ietekme
Citi procesi paliek nemainīgi, tiek analizēts silīcija-oglekļa vielu daudzums, un sintēzes eksperimentiem attiecības ir attiecīgi 1,00, 1,05, 1,10 un 1,15. Rezultāti parādīti 7. attēlā.

640 (1)

No XRD spektra var redzēt, ka, ja silīcija-oglekļa attiecība ir lielāka par 1,05, produktā parādās Si pārpalikums, un, kad silīcija-oglekļa attiecība ir mazāka par 1,05, parādās C pārpalikums. Kad silīcija-oglekļa attiecība ir 1,05, brīvais ogleklis sintētiskajā produktā būtībā tiek izvadīts un brīvs silīcijs neparādās. Tāpēc, lai sintezētu augstas tīrības pakāpes SiC, silīcija un oglekļa attiecības daudzuma attiecībai jābūt 1,05.

2.3. Zema slāpekļa satura kontrole pulverī
2.3.1. Sintētiskās izejvielas
Šajā eksperimentā izmantotās izejvielas ir augstas tīrības pakāpes oglekļa pulveris un augstas tīrības pakāpes silīcija pulveris ar vidējo diametru 20 μm. Nelielā daļiņu izmēra un lielā īpatnējās virsmas dēļ tie viegli absorbē N2 gaisā. Sintezējot pulveri, tas tiks ievests pulvera kristāliskā formā. N-tipa kristālu augšanai nevienmērīga N2 dopinga pulverī izraisa nevienmērīgu kristāla pretestību un pat izmaiņas kristāla formā. Slāpekļa saturs sintezētajā pulverī pēc ūdeņraža ievadīšanas ir ievērojami zems. Tas ir tāpēc, ka ūdeņraža molekulu tilpums ir mazs. Kad oglekļa pulverī un silīcija pulverī adsorbēts N2 tiek uzkarsēts un noārdās no virsmas, H2 ar savu nelielo tilpumu pilnībā izkliedējas spraugā starp pulveriem, aizstājot N2 stāvokli, un vakuuma procesa laikā N2 izplūst no tīģeļa, slāpekļa satura noņemšanas mērķa sasniegšana.

2.3.2 Sintēzes process
Silīcija karbīda pulvera sintēzes laikā, jo oglekļa atomu un slāpekļa atomu rādiuss ir līdzīgs, slāpeklis aizstās oglekļa vakances silīcija karbīdā, tādējādi palielinot slāpekļa saturu. Šajā eksperimentālajā procesā tiek izmantota H2 ievadīšanas metode, un H2 reaģē ar oglekļa un silīcija elementiem sintēzes tīģelī, veidojot C2H2, C2H un SiH gāzes. Oglekļa elementu saturs palielinās, izmantojot gāzes fāzes transmisiju, tādējādi samazinot oglekļa vakances. Slāpekļa atdalīšanas mērķis ir sasniegts.

2.3.3. Procesa fona slāpekļa satura kontrole
Grafīta tīģeļus ar lielu porainību var izmantot kā papildu C avotus, lai absorbētu Si tvaikus gāzes fāzes komponentos, samazinātu Si gāzes fāzes komponentos un tādējādi palielinātu C / Si. Tajā pašā laikā grafīta tīģeļi var reaģēt arī ar Si atmosfēru, veidojot Si2C, SiC2 un SiC, kas ir līdzvērtīga Si atmosfērai, ienesot C avotu no grafīta tīģeļa augšanas atmosfērā, palielinot C attiecību un arī palielinot oglekļa un silīcija attiecību. . Tāpēc oglekļa un silīcija attiecību var palielināt, izmantojot grafīta tīģeļus ar lielu porainību, samazinot oglekļa vakances un sasniedzot slāpekļa atdalīšanas mērķi.

3 Vienkristālu pulvera sintēzes procesa analīze un projektēšana

3.1. Sintēzes procesa princips un uzbūve
Izmantojot iepriekš minēto visaptverošo pētījumu par daļiņu izmēra, kristāla formas un slāpekļa satura kontroli pulvera sintēzē, tiek piedāvāts sintēzes process. Tiek izvēlēts augstas tīrības pakāpes C pulveris un Si pulveris, un tie tiek vienmērīgi sajaukti un ievietoti grafīta tīģelī atbilstoši silīcija un oglekļa attiecībai 1,05. Procesa soļi galvenokārt ir sadalīti četros posmos:
1) Zemas temperatūras denitrifikācijas process, vakuums līdz 5 × 10-4 Pa, pēc tam ievada ūdeņradi, padarot kameru spiedienu apmēram 80 kPa, uzturot 15 minūtes un atkārtojot četras reizes. Šis process var noņemt slāpekļa elementus no oglekļa pulvera un silīcija pulvera virsmas.
2) Augstas temperatūras denitrifikācijas process, vakuumā līdz 5 × 10-4 Pa, pēc tam karsē līdz 950 ℃ un pēc tam ievada ūdeņradi, padarot kameru spiedienu aptuveni 80 kPa, uzturot 15 minūtes un atkārtojot četras reizes. Šis process var noņemt slāpekļa elementus uz oglekļa pulvera un silīcija pulvera virsmas un vadīt slāpekli siltuma laukā.
3) Zemas temperatūras fāzes procesa sintēze, evakuēt līdz 5×10-4 Pa, pēc tam uzsildīt līdz 1350℃, paturēt 12 stundas, tad ievadīt ūdeņradi, lai kameras spiediens būtu aptuveni 80 kPa, turēt 1 stundu. Šis process var noņemt sintēzes procesā iztvaikojošo slāpekli.
4) Augstas temperatūras fāzes procesa sintēze, piepildiet ar noteiktu augstas tīrības pakāpes ūdeņraža un argona jauktas gāzes gāzes tilpuma plūsmas attiecību, palieliniet kameras spiedienu apmēram 80 kPa, paaugstiniet temperatūru līdz 2100 ℃, paturiet 10 stundas. Šis process pabeidz silīcija karbīda pulvera pārveidošanu no β-SiC uz α-SiC un pabeidz kristāla daļiņu augšanu.
Visbeidzot, pagaidiet, līdz kameras temperatūra atdziest līdz istabas temperatūrai, uzpildiet līdz atmosfēras spiedienam un izņemiet pulveri.

3.2. Pulvera pēcapstrādes process
Pēc tam, kad pulveris ir sintezēts iepriekšminētajā procesā, tas ir pēcapstrāde, lai noņemtu brīvo oglekli, silīciju un citus metāla piemaisījumus un izsijātu daļiņu izmēru. Vispirms sintezēto pulveri ievieto lodīšu dzirnavās sasmalcināšanai, bet sasmalcināto silīcija karbīda pulveri ievieto mufeļkrāsnī un karsē līdz 450 ° C ar skābekli. Brīvais ogleklis pulverī tiek oksidēts ar karstumu, veidojot oglekļa dioksīda gāzi, kas izplūst no kameras, tādējādi panākot brīvā oglekļa izvadīšanu. Pēc tam tiek sagatavots skābs tīrīšanas šķidrums un ievietots silīcija karbīda daļiņu tīrīšanas mašīnā tīrīšanai, lai noņemtu oglekli, silīciju un atlikušos metālu piemaisījumus, kas radušies sintēzes procesā. Pēc tam atlikušo skābi mazgā tīrā ūdenī un žāvē. Žāvētais pulveris tiek sijāts vibrējošā sietā, lai izvēlētos daļiņu izmēru kristālu augšanai.


Izlikšanas laiks: 08.08.2024
WhatsApp tiešsaistes tērzēšana!