Во процесот на раст на еднокристалот со силициум карбид, физичкиот транспорт на пареа е актуелниот мејнстрим метод на индустријализација. За методот на раст на PVT,силициум карбид во правима големо влијание врз процесот на раст. Сите параметри насилициум карбид во правдиректно влијае на квалитетот на растот на еден кристал и електричните својства. Во тековните индустриски апликации, најчесто користенитесилициум карбид во правпроцесот на синтеза е само-размножување метод на синтеза на висока температура.
Методот на саморазмножување на синтеза на висока температура користи висока температура за да им даде почетна топлина на реактантите за да започнат хемиски реакции, а потоа ја користи сопствената топлина на хемиската реакција за да им овозможи на нереагираните супстанции да продолжат да ја завршуваат хемиската реакција. Меѓутоа, бидејќи хемиската реакција на Si и C ослободува помалку топлина, мора да се додадат други реактанти за да се одржи реакцијата. Затоа, многу научници предложија подобрен метод на синтеза за саморазмножување врз оваа основа, воведувајќи активатор. Методот на саморазмножување е релативно лесен за имплементација, а различните параметри за синтеза лесно се контролираат стабилно. Синтезата од големи размери ги задоволува потребите на индустријализацијата.
Веќе во 1999 година, Бриџпорт го користел саморазмножувачкиот метод на синтеза на висока температура за да синтетизираSiC прашок, но користел етоксисилан и фенол смола како суровини, што било скапо. Гао Пан и други користеле високочистотен Si прав и Ц прав како суровини за синтезаSiC прашоксо реакција на висока температура во атмосфера на аргон. Нинг Лина подготви голема честичкаSiC прашоксо секундарна синтеза.
Индукциската печка за загревање со средна фреквенција развиена од Вториот истражувачки институт на кинеската Electronics Technology Group Corporation рамномерно меша силициум во прав и јаглероден прав во одреден стехиометриски сооднос и ги става во графитна садница. Награфитен садсе става во средна фреквентна индукциона печка за загревање, а промената на температурата се користи за синтетизирање и трансформирање на нискотемпературната фаза и високотемпературната фаза силициум карбид соодветно. Бидејќи температурата на реакцијата на синтеза β-SiC во фазата на ниска температура е пониска од температурата на испарување на Si, синтезата на β-SiC под висок вакуум може добро да обезбеди само-размножување. Методот на внесување аргон, водород и HCl гас во синтезата на α-SiC го спречува распаѓањето наSiC прашокво фаза на висока температура и може ефикасно да ја намали содржината на азот во α-SiC прашокот.
Шандонг Тианјуе дизајнираше печка за синтеза, користејќи силикон гас како силикон суровина и јаглероден прав како јаглеродна суровина. Количината на внесениот суровина гас беше прилагодена со метод на синтеза во два чекора, а конечната големина на честичките од синтетизираниот силициум карбид беше помеѓу 50 и 5 000 мм.
1 Контролни фактори на процесот на синтеза на прав
1.1 Ефект на големината на честичките во прав врз растот на кристалите
Големината на честичките на силициум карбидниот прав има многу важно влијание врз последователниот раст на еден кристал. Растот на SiC еднокристалот со PVT методот главно се постигнува со промена на моларниот сооднос на силициумот и јаглеродот во компонентата на гасната фаза, а моларниот сооднос на силициумот и јаглеродот во компонентата на гасната фаза е поврзан со големината на честичките на силициум карбид во прав. . Вкупниот притисок и односот силикон-јаглерод на системот за раст се зголемуваат со намалувањето на големината на честичките. Кога големината на честичките се намалува од 2-3 mm на 0,06 mm, односот силикон-јаглерод се зголемува од 1,3 на 4,0. Кога честичките се мали до одреден степен, парцијалниот притисок на Si се зголемува, а на површината на растечкиот кристал се формира слој од Si филм, што предизвикува раст на гас-течност-цврста, што влијае на полиморфизмот, дефектите на точката и дефектите на линијата. во кристалот. Затоа, големината на честичките на прав од силициум карбид со висока чистота мора да биде добро контролирана.
Покрај тоа, кога големината на честичките во прав SiC е релативно мала, прашокот се распаѓа побрзо, што резултира со прекумерен раст на единечни кристали на SiC. Од една страна, во високотемпературната средина на растот на еднокристалот на SiC, двата процеси на синтеза и распаѓање се изведуваат истовремено. Прашокот од силициум карбид ќе се распадне и ќе формира јаглерод во гасната фаза и цврстата фаза како што се Si, Si2C, SiC2, што резултира со сериозна карбонизација на поликристалниот прав и формирање на јаглеродни подмножества во кристалот; од друга страна, кога стапката на распаѓање на прашокот е релативно брза, кристалната структура на израснатиот единечен кристал SiC е склона кон промени, што го отежнува контролирањето на квалитетот на израснатиот единечен кристал SiC.
1.2 Ефект на формата на кристал во прав врз растот на кристалите
Растот на SiC монокристал со PVT метод е процес на сублимација-рекристализација на висока температура. Кристалната форма на суровина SiC има важно влијание врз растот на кристалите. Во процесот на синтеза на прашок, главно ќе се произведуваат фазата на синтеза со ниска температура (β-SiC) со кубна структура на единицата ќелија и фазата на синтеза со висока температура (α-SiC) со хексагонална структура на единицата ќелија. . Постојат многу форми на кристални силициум карбид и тесен опсег за контрола на температурата. На пример, 3C-SiC ќе се трансформира во хексагонален полиморф на силициум карбид, т.е. 4H/6H-SiC, на температури над 1900°C.
За време на процесот на раст на еден кристал, кога β-SiC прашокот се користи за одгледување кристали, моларниот однос силикон-јаглерод е поголем од 5,5, додека кога прашокот α-SiC се користи за одгледување кристали, моларниот однос силикон-јаглерод е 1,2. Кога температурата се зголемува, се случува фазна транзиција во садот. Во тоа време, моларниот сооднос во гасната фаза станува поголем, што не е погодно за раст на кристалите. Покрај тоа, други нечистотии од гасна фаза, вклучувајќи јаглерод, силициум и силициум диоксид, лесно се генерираат за време на процесот на транзиција на фазата. Присуството на овие нечистотии предизвикува кристалот да создава микроцевки и празнини. Затоа, формата на кристалот во прав мора прецизно да се контролира.
1.3 Ефект на нечистотиите во прав врз растот на кристалите
Содржината на нечистотија во прашокот на SiC влијае на спонтаната нуклеација за време на растот на кристалите. Колку е поголема содржината на нечистотија, толку е помала веројатноста кристалот спонтано да се јадре. За SiC, главните метални нечистотии вклучуваат B, Al, V и Ni, кои може да се воведат со алатки за обработка за време на обработката на силициум во прав и јаглероден прав. Меѓу нив, B и Al се главните нечистотии за прифаќање на плитко ниво на енергија во SiC, што резултира со намалување на отпорноста на SiC. Другите метални нечистотии ќе воведат многу енергетски нивоа, што ќе резултира со нестабилни електрични својства на единечните кристали на SiC при високи температури и ќе имаат поголемо влијание врз електричните својства на високо-чистотните полуизолациски монокристални подлоги, особено на отпорноста. Затоа, прашокот од силициум карбид со висока чистота мора да се синтетизира колку што е можно повеќе.
1.4 Ефект на содржината на азот во прав врз растот на кристалите
Нивото на содржина на азот ја одредува отпорноста на еден кристален супстрат. Големите производители треба да ја прилагодат концентрацијата на допинг на азот во синтетичкиот материјал според процесот на раст на зрели кристали за време на синтезата на прав. Полуизолационите монокристални подлоги од силициум карбид со висока чистота се најперспективните материјали за воените основни електронски компоненти. За да се одгледуваат полуизолациски еднокристални подлоги со висока чистота со висока отпорност и одлични електрични својства, содржината на главната нечистотија азот во подлогата мора да се контролира на ниско ниво. Проводните монокристални подлоги бараат содржината на азот да се контролира при релативно висока концентрација.
2 Технологија за контрола на клучот за синтеза на прав
Поради различните средини за употреба на супстрати од силициум карбид, технологијата за синтеза за прашоци за раст, исто така, има различни процеси. За прашоци за раст на спроводливи единечни кристали од N-тип, потребна е висока чистота на нечистотија и еднофазен; додека за полуизолационите прашоци за раст на еднокристалот потребна е строга контрола на содржината на азот.
2.1 Контрола на големината на честичките во прав
2.1.1 Температура на синтеза
Одржувајќи ги другите услови на процесот непроменети, SiC прашокот генериран на температури на синтеза од 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ и 2200 ℃ беа земени и анализирани. Како што е прикажано на слика 1, може да се види дека големината на честичката е 250~600 μm на 1900 ℃, а големината на честичката се зголемува на 600~850 μm на 2000 ℃, а големината на честичката значително се менува. Кога температурата продолжува да расте до 2100 ℃, големината на честичките на прав SiC е 850 ~ 2360 μm, а зголемувањето има тенденција да биде нежно. Големината на честичките на SiC на 2200 ℃ е стабилна на околу 2360 μm. Зголемувањето на температурата на синтезата од 1900 ℃ има позитивен ефект врз големината на честичките SiC. Кога температурата на синтезата продолжува да се зголемува од 2100 ℃, големината на честичките повеќе не се менува значително. Затоа, кога температурата на синтезата е поставена на 2100 ℃, може да се синтетизира поголема големина на честички со помала потрошувачка на енергија.
2.1.2 Време на синтеза
Другите услови на процесот остануваат непроменети, а времето на синтеза е поставено на 4 часа, 8 часа и 12 часа соодветно. Генерираната анализа за земање примероци од прашок SiC е прикажана на слика 2. Утврдено е дека времето на синтеза има значаен ефект врз големината на честичките на SiC. Кога времето на синтеза е 4 часа, големината на честичката главно се распределува на 200 μm; кога времето на синтеза е 8 часа, големината на синтетичката честичка значително се зголемува, главно распределена на околу 1 000 μm; како што времето на синтеза продолжува да се зголемува, големината на честичките дополнително се зголемува, главно распределена на околу 2 000 μm.
2.1.3 Влијание на големината на честичките на суровината
Како што постепено се подобрува домашниот синџир на производство на силиконски материјали, дополнително се подобрува и чистотата на силиконските материјали. Во моментов, силиконските материјали што се користат во синтезата главно се поделени на зрнест силициум и силициум во прав, како што е прикажано на Слика 3.
Различни силициумски суровини беа користени за да се спроведат експерименти за синтеза на силициум карбид. Споредбата на синтетичките производи е прикажана на слика 4. Анализата покажува дека при користење на блок силиконски суровини, во производот има големо количество на Si елементи. Откако силиконскиот блок ќе се смачка по втор пат, елементот Si во синтетичкиот производ е значително намален, но тој сè уште постои. Конечно, за синтеза се користи силициум во прав, а во производот е присутен само SiC. Тоа е затоа што во процесот на производство, грануларен силикон со голема големина треба прво да се подложи на реакција на површинска синтеза, а силициум карбид се синтетизира на површината, што го спречува внатрешниот прав Si од понатамошно комбинирање со C прав. Затоа, ако блок силиконот се користи како суровина, тој треба да се дроби и потоа да се подложи на секундарен процес на синтеза за да се добие силициум карбид во прав за раст на кристалите.
2.2 Контрола на формата на кристал во прав
2.2.1 Влијание на температурата на синтезата
Одржувајќи ги другите услови на процесот непроменети, температурата на синтезата е 1500℃, 1700℃, 1900℃ и 2100℃, а генерираниот прав SiC се зема мостри и се анализира. Како што е прикажано на слика 5, β-SiC има земјено жолта боја, а α-SiC е посветла во боја. Со набљудување на бојата и морфологијата на синтетизираниот прав, може да се утврди дека синтетизираниот производ е β-SiC на температури од 1500℃ и 1700℃. На 1900℃, бојата станува посветла и се појавуваат хексагонални честички, што покажува дека по зголемувањето на температурата до 1900℃, се случува фазна транзиција и дел од β-SiC се претвора во α-SiC; кога температурата продолжува да расте до 2100℃, откриено е дека синтетизираните честички се проѕирни, а α-SiC во основа е претворен.
2.2.2 Ефект на времето на синтеза
Другите услови на процесот остануваат непроменети, а времето на синтеза е поставено на 4h, 8h и 12h, соодветно. Создадениот прав SiC се зема примерок и се анализира со дифрактометар (XRD). Резултатите се прикажани на слика 6. Времето на синтеза има одредено влијание врз производот синтетизиран со SiC прашок. Кога времето на синтеза е 4 часа и 8 часа, синтетичкиот производ е главно 6H-SiC; кога времето на синтеза е 12 часа, во производот се појавува 15R-SiC.
2.2.3 Влијание на односот на суровините
Останатите процеси остануваат непроменети, се анализира количеството на силициум-јаглеродни материи, а соодносите се 1,00, 1,05, 1,10 и 1,15 соодветно за експериментите со синтеза. Резултатите се прикажани на слика 7.
Од XRD спектарот, може да се види дека кога односот силикон-јаглерод е поголем од 1,05, вишокот Si се појавува во производот, а кога односот силикон-јаглерод е помал од 1,05, се појавува вишок C. Кога односот силикон-јаглерод е 1,05, слободниот јаглерод во синтетичкиот производ во основа се елиминира и не се појавува слободен силициум. Затоа, односот на количеството силикон-јаглерод треба да биде 1,05 за да се синтетизира SiC со висока чистота.
2.3 Контрола на ниска содржина на азот во прав
2.3.1 Синтетички суровини
Суровините што се користат во овој експеримент се јаглероден прав со висока чистота и силициум во прав со висока чистота со среден дијаметар од 20 μm. Поради нивната мала големина на честички и големата специфична површина, тие лесно се апсорбираат N2 во воздухот. Кога се синтетизира прашокот, тој ќе се внесе во кристална форма на прав. За раст на кристалите од N-тип, нерамномерното допирање на N2 во прав доведува до нерамномерна отпорност на кристалот, па дури и промени во кристалната форма. Содржината на азот во синтетизираниот прав по внесувањето на водородот е значително ниска. Тоа е затоа што волуменот на молекулите на водородот е мал. Кога N2 адсорбиран во јаглеродниот прав и силициумскиот прав се загреваат и се распаѓаат од површината, H2 целосно се дифузира во јазот помеѓу прашокот со својот мал волумен, заменувајќи ја положбата на N2, а N2 излегува од садот за време на процесот на вакуум. постигнување на целта за отстранување на содржината на азот.
2.3.2 Процес на синтеза
За време на синтезата на силициум карбид во прав, бидејќи радиусот на јаглеродни атоми и азотни атоми е сличен, азот ќе ги замени празните јаглеродни места во силициум карбид, а со тоа ќе ја зголеми содржината на азот. Овој експериментален процес го усвојува методот на воведување H2, а H2 реагира со јаглеродни и силициумски елементи во садот за синтеза за да генерира C2H2, C2H и SiH гасови. Содржината на јаглеродниот елемент се зголемува преку пренос на гасна фаза, а со тоа се намалуваат празните јаглеродни места. Целта на отстранување на азот е постигната.
2.3.3 Процес на контрола на содржината на азот во позадина
Графитните садници со голема порозност може да се користат како дополнителни извори на C за апсорпција на пареата на Si во компонентите на гасната фаза, намалување на Si во компонентите на гасната фаза и со тоа зголемување на C/Si. Во исто време, графитните садници можат да реагираат и со атмосферата на Si за да генерираат Si2C, SiC2 и SiC, што е еквивалентно на атмосферата на Si, што доведува до изворот на C од графитниот сад во атмосферата на раст, зголемувајќи го односот C, а исто така го зголемува односот јаглерод-силициум . Затоа, односот јаглерод-силициум може да се зголеми со користење на графитни садници со голема порозност, намалување на празните јаглеродни места и постигнување на целта за отстранување на азот.
3 Анализа и дизајн на процес на синтеза на прашок со еден кристал
3.1 Принцип и дизајн на процесот на синтеза
Преку горенаведената сеопфатна студија за контрола на големината на честичките, кристалната форма и содржината на азот во синтезата на прав, се предлага процес на синтеза. Се избираат C прашок со висока чистота и прав Si, кои рамномерно се мешаат и се ставаат во графитна садница според сооднос силикон-јаглерод од 1,05. Фазите на процесот главно се поделени во четири фази:
1) Процес на денитрификација на ниски температури, со правосмукалка до 5×10-4 Pa, потоа внесување на водород, правејќи го притисокот во комората околу 80 kPa, задржувајќи се 15 минути и повторувајќи четири пати. Овој процес може да ги отстрани азотните елементи на површината на јаглеродниот прав и силициумскиот прав.
2) Процес на денитрификација на висока температура, со правосмукалка до 5×10-4 Pa, потоа загревање до 950 ℃, а потоа воведување на водород, правејќи го притисокот во комората околу 80 kPa, одржувајќи 15 минути и повторувајќи четири пати. Овој процес може да ги отстрани азотните елементи на површината на јаглеродниот прав и силициумскиот прав и да го поттикне азот во топлинското поле.
3) Синтеза на процесот на фаза на ниска температура, евакуирајте до 5 × 10-4 Pa, потоа загрејте до 1350 ℃, чувајте 12 часа, потоа внесете водород за да го направите притисокот во комората околу 80 kPa, чувајте 1 час. Овој процес може да го отстрани азот испарливи за време на процесот на синтеза.
4) Синтеза на фазен процес со висока температура, пополнете со одреден сооднос на проток на волумен на гас со висока чистота водород и мешан гас од аргон, направете притисок во комората околу 80 kPa, подигнете ја температурата на 2100℃, чувајте 10 часа. Овој процес ја комплетира трансформацијата на силициум карбид во прав од β-SiC во α-SiC и го комплетира растот на кристалните честички.
На крајот, почекајте температурата на комората да се олади на собна температура, наполнете до атмосферски притисок и извадете го прашокот.
3.2 Процес на пост-обработка на прав
Откако прашокот ќе се синтетизира со горенаведениот процес, тој мора да биде пост-обработен за да се отстрани слободниот јаглерод, силициум и други метални нечистотии и да се провери големината на честичките. Прво, синтетизираниот прав се става во топчеста мелница за дробење, а издробениот силициум карбид во прав се става во придушувачка печка и се загрева до 450°C со кислород. Слободниот јаглерод во прав се оксидира со топлина за да се генерира гас на јаглерод диоксид кој излегува од комората, со што се постигнува отстранување на слободниот јаглерод. Последователно, кисела течност за чистење се подготвува и се става во машина за чистење честички од силициум карбид за чистење за да се отстранат јаглеродот, силициумот и резидуалните метални нечистотии настанати за време на процесот на синтеза. После тоа, резидуалната киселина се мие во чиста вода и се суши. Исушениот прав се прелистува во вибрирачки екран за избор на големина на честички за раст на кристалите.
Време на објавување: август-08-2024 година