Silisyum karbür tek kristal büyütme sürecinde, fiziksel buhar taşınması mevcut ana sanayileşme yöntemidir. PVT büyüme yöntemi için,silisyum karbür tozuBüyüme süreci üzerinde büyük etkisi vardır. Tüm parametrelersilisyum karbür tozutek kristal büyümesinin kalitesini ve elektriksel özelliklerini doğrudan etkiler. Günümüz endüstriyel uygulamalarında yaygın olarak kullanılansilisyum karbür tozuSentez süreci, kendi kendine yayılan yüksek sıcaklıkta sentez yöntemidir.
Kendi kendine ilerleyen yüksek sıcaklıkta sentez yöntemi, reaktanlara kimyasal reaksiyonları başlatmak için başlangıç ısısını vermek için yüksek sıcaklık kullanır ve daha sonra reaksiyona girmemiş maddelerin kimyasal reaksiyonu tamamlamaya devam etmesine izin vermek için kendi kimyasal reaksiyon ısısını kullanır. Ancak Si ve C'nin kimyasal reaksiyonu daha az ısı açığa çıkardığından reaksiyonu sürdürmek için başka reaktanların eklenmesi gerekir. Bu nedenle birçok bilim adamı, bu temelde, bir aktivatörün tanıtıldığı, gelişmiş bir kendi kendine çoğalan sentez yöntemi önermiştir. Kendi kendine yayılan yöntemin uygulanması nispeten kolaydır ve çeşitli sentez parametrelerinin istikrarlı bir şekilde kontrol edilmesi kolaydır. Büyük ölçekli sentez sanayileşmenin ihtiyaçlarını karşılar.
1999 gibi erken bir tarihte Bridgeport, sentezlemek için kendi kendine yayılan yüksek sıcaklıkta sentez yöntemini kullandı.SiC tozuancak hammadde olarak etoksisilan ve fenol reçinesi kullanılıyordu ve bu da maliyetliydi. Gao Pan ve diğerleri sentezlemek için hammadde olarak yüksek saflıkta Si tozu ve C tozu kullandılarSiC tozuargon atmosferinde yüksek sıcaklık reaksiyonuyla. Ning Lina büyük parçacık hazırladıSiC tozuikincil sentez yoluyla.
China Electronics Technology Group Corporation'ın İkinci Araştırma Enstitüsü tarafından geliştirilen orta frekanslı indüksiyonlu ısıtma fırını, silikon tozu ve karbon tozunu belirli bir stokiyometrik oranda eşit olarak karıştırır ve bunları bir grafit potaya yerleştirir.grafit potaısıtma için orta frekanslı bir indüksiyonlu ısıtma fırınına yerleştirilir ve sıcaklık değişimi, sırasıyla düşük sıcaklık fazını ve yüksek sıcaklık fazı silisyum karbürün sentezlenmesi ve dönüştürülmesi için kullanılır. Düşük sıcaklık fazındaki β-SiC sentez reaksiyonunun sıcaklığı Si'nin buharlaşma sıcaklığından daha düşük olduğundan, β-SiC'nin yüksek vakum altında sentezi kendi kendine çoğalmayı iyi bir şekilde sağlayabilir. α-SiC sentezine argon, hidrojen ve HCl gazı ekleme yöntemi,SiC tozuyüksek sıcaklık aşamasında ve α-SiC tozundaki nitrojen içeriğini etkili bir şekilde azaltabilir.
Shandong Tianyue, silikon hammaddesi olarak silan gazını ve karbon hammaddesi olarak karbon tozunu kullanan bir sentez fırını tasarladı. Verilen ham madde gazının miktarı, iki aşamalı bir sentez yöntemiyle ayarlandı ve sentezlenen nihai silisyum karbür parçacık boyutu, 50 ila 5 000 um arasındaydı.
1 Toz sentezi prosesinin kontrol faktörleri
1.1 Toz parçacık boyutunun kristal büyümesi üzerindeki etkisi
Silisyum karbür tozunun parçacık boyutu, sonraki tek kristal büyümesi üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir. SiC tek kristalinin PVT yöntemiyle büyümesi esas olarak gaz fazı bileşenindeki silikon ve karbonun molar oranının değiştirilmesiyle elde edilir ve gaz fazı bileşenindeki silikon ve karbonun molar oranı, silisyum karbür tozunun parçacık boyutuyla ilgilidir. . Parçacık boyutunun küçülmesiyle büyüme sisteminin toplam basıncı ve silikon-karbon oranı artar. Parçacık boyutu 2-3 mm'den 0,06 mm'ye düştüğünde silikon-karbon oranı 1,3'ten 4,0'a çıkar. Parçacıklar belirli bir dereceye kadar küçük olduğunda, Si kısmi basıncı artar ve büyüyen kristalin yüzeyinde bir Si filmi tabakası oluşur, bu da polimorfizmi, nokta kusurlarını ve çizgi kusurlarını etkileyen gaz-sıvı-katı büyümesini tetikler. kristalin içinde. Bu nedenle yüksek saflıkta silisyum karbür tozunun parçacık boyutu iyi kontrol edilmelidir.
Ek olarak, SiC toz parçacıklarının boyutu nispeten küçük olduğunda, toz daha hızlı ayrışır ve SiC tek kristallerinin aşırı büyümesine neden olur. Bir yandan, SiC tek kristal büyümesinin yüksek sıcaklıktaki ortamında, iki sentez ve ayrışma süreci aynı anda gerçekleştirilir. Silisyum karbür tozu ayrışacak ve gaz fazında ve Si, Si2C, SiC2 gibi katı fazda karbon oluşturacak, bu da polikristalin tozun ciddi karbonlaşmasına ve kristalde karbon kalıntılarının oluşmasına neden olacaktır; diğer yandan, tozun ayrışma hızı nispeten hızlı olduğunda, büyütülmüş SiC tek kristalinin kristal yapısı değişmeye eğilimlidir, bu da büyütülmüş SiC tek kristalinin kalitesinin kontrol edilmesini zorlaştırır.
1.2 Toz kristal formunun kristal büyümesine etkisi
SiC tek kristalinin PVT yöntemiyle büyütülmesi, yüksek sıcaklıkta bir süblimleşme-yeniden kristalleşme işlemidir. SiC hammaddesinin kristal formunun kristal büyümesi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Toz sentezi sürecinde esas olarak birim hücrenin kübik yapısına sahip düşük sıcaklık sentez fazı (β-SiC) ve birim hücrenin altıgen yapısına sahip yüksek sıcaklık sentez fazı (α-SiC) üretilecektir. . Birçok silisyum karbür kristal formu ve dar bir sıcaklık kontrol aralığı vardır. Örneğin 3C-SiC, 1900°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda altıgen silisyum karbür polimorfuna, yani 4H/6H-SiC'ye dönüşecektir.
Tek kristal büyütme işlemi sırasında, kristalleri büyütmek için β-SiC tozu kullanıldığında, silikon-karbon molar oranı 5,5'ten büyüktür, kristalleri büyütmek için α-SiC tozu kullanıldığında ise silikon-karbon molar oranı 1,2'dir. Sıcaklık arttığında potada faz geçişi meydana gelir. Bu sırada gaz fazındaki molar oran büyür ve bu da kristal büyümesine yardımcı olmaz. Ek olarak, faz geçiş süreci sırasında karbon, silikon ve silikon dioksit dahil olmak üzere diğer gaz fazı safsızlıkları kolaylıkla üretilir. Bu safsızlıkların varlığı kristalin mikrotüpler ve boşluklar oluşturmasına neden olur. Bu nedenle toz kristal formunun hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.
1.3 Toz safsızlıklarının kristal büyümesi üzerindeki etkisi
SiC tozundaki safsızlık içeriği, kristal büyümesi sırasında kendiliğinden çekirdeklenmeyi etkiler. Safsızlık içeriği ne kadar yüksek olursa, kristalin kendiliğinden çekirdeklenme olasılığı da o kadar az olur. SiC için ana metal safsızlıkları, silikon tozu ve karbon tozunun işlenmesi sırasında işleme araçları tarafından eklenebilen B, Al, V ve Ni'yi içerir. Bunların arasında B ve Al, SiC'deki ana sığ enerji seviyesi alıcı yabancı maddelerdir ve SiC direncinde bir azalmaya neden olur. Diğer metal safsızlıkları birçok enerji seviyesine neden olacak, bu da yüksek sıcaklıklarda SiC tek kristallerinin kararsız elektriksel özelliklerine neden olacak ve yüksek saflıkta yarı yalıtımlı tek kristal alt tabakaların elektriksel özellikleri, özellikle de özdirenç üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olacaktır. Bu nedenle mümkün olduğu kadar yüksek saflıkta silisyum karbür tozunun sentezlenmesi gerekmektedir.
1.4 Tozdaki nitrojen içeriğinin kristal büyümesine etkisi
Azot içeriğinin seviyesi, tek kristal substratın direncini belirler. Büyük üreticilerin sentetik malzemedeki nitrojen katkı konsantrasyonunu, toz sentezi sırasında olgun kristal büyüme sürecine göre ayarlaması gerekir. Yüksek saflıkta yarı yalıtımlı silisyum karbür tek kristal substratlar, askeri çekirdek elektronik bileşenler için en umut verici malzemelerdir. Yüksek dirençli ve mükemmel elektriksel özelliklere sahip, yüksek saflıkta, yarı yalıtımlı tek kristal substratlar yetiştirmek için, substrattaki ana safsızlık nitrojen içeriğinin düşük bir seviyede kontrol edilmesi gerekir. İletken tek kristal substratlar, nitrojen içeriğinin nispeten yüksek bir konsantrasyonda kontrol edilmesini gerektirir.
Toz sentezi için 2 anahtar kontrol teknolojisi
Silisyum karbür substratların farklı kullanım ortamları nedeniyle, büyütme tozlarına yönelik sentez teknolojisi de farklı işlemlere sahiptir. N tipi iletken tek kristal büyütme tozları için yüksek safsızlık saflığı ve tek faz gereklidir; yarı yalıtımlı tek kristal büyütme tozları için nitrojen içeriğinin sıkı kontrolü gerekir.
2.1 Toz parçacık boyutu kontrolü
2.1.1 Sentez sıcaklığı
Diğer proses koşulları değişmeden tutularak, 1900°C, 2000°C, 2100°C ve 2200°C sentez sıcaklıklarında üretilen SiC tozları örneklendi ve analiz edildi. Şekil 1'de gösterildiği gibi, parçacık boyutunun 1900 °C'de 250~600 μm olduğu ve parçacık boyutunun 2000 °C'de 600~850 μm'ye yükseldiği ve parçacık boyutunun önemli ölçüde değiştiği görülebilir. Sıcaklık 2100 °C'ye yükselmeye devam ettiğinde, SiC tozunun parçacık boyutu 850~2360 μm olur ve artış hafif olma eğilimindedir. SiC'nin 2200 ° C'deki parçacık boyutu yaklaşık 2360 μm'de stabildir. Sentez sıcaklığının 1900 °C'den artması SiC parçacık boyutu üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. Sentez sıcaklığı 2100°C'den artmaya devam ettiğinde parçacık boyutu artık önemli ölçüde değişmez. Bu nedenle sentez sıcaklığı 2100 °C'ye ayarlandığında daha düşük enerji tüketimiyle daha büyük parçacık boyutu sentezlenebilir.
2.1.2 Sentez süresi
Diğer işlem koşulları değişmeden kalır ve sentez süresi sırasıyla 4 saat, 8 saat ve 12 saate ayarlanır. Oluşturulan SiC tozu örnekleme analizi Şekil 2'de gösterilmektedir. Sentez süresinin SiC'nin parçacık boyutu üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Sentez süresi 4 saat olduğunda parçacık boyutu esas olarak 200 μm'ye dağılır; sentez süresi 8 saat olduğunda, sentetik parçacık boyutu önemli ölçüde artar ve esas olarak yaklaşık 1 000 μm'ye dağılır; Sentez süresi artmaya devam ettikçe parçacık boyutu daha da artar ve esas olarak yaklaşık 2 000 μm'ye dağılır.
2.1.3 Hammadde parçacık boyutunun etkisi
Yerli silikon malzeme üretim zinciri giderek geliştikçe silikon malzemelerin saflığı da daha da iyileşiyor. Şu anda sentezde kullanılan silikon malzemeler, Şekil 3'te gösterildiği gibi esas olarak granüler silikon ve toz halindeki silikona bölünmüştür.
Silisyum karbür sentezi deneylerini gerçekleştirmek için farklı silisyum hammaddeleri kullanıldı. Sentetik ürünlerin karşılaştırması Şekil 4'te gösterilmektedir. Analiz, blok silikon hammaddeleri kullanıldığında üründe büyük miktarda Si elementinin mevcut olduğunu göstermektedir. Silikon bloğun ikinci kez ezilmesinden sonra sentetik üründeki Si elementi önemli ölçüde azalır ancak hala mevcuttur. Son olarak sentez için silikon tozu kullanılır ve üründe yalnızca SiC bulunur. Bunun nedeni, üretim sürecinde büyük boyutlu granüler silikonun önce yüzey sentez reaksiyonuna girmesi gerekmesi ve yüzeyde silikon karbürün sentezlenmesidir, bu da dahili Si tozunun C tozu ile daha fazla birleşmesini önler. Bu nedenle, hammadde olarak blok silikon kullanılıyorsa, kristal büyümesi için silisyum karbür tozu elde etmek üzere ezilmesi ve daha sonra ikincil sentez işlemine tabi tutulması gerekir.
2.2 Toz kristal form kontrolü
2.2.1 Sentez sıcaklığının etkisi
Diğer proses koşulları değişmeden tutularak sentez sıcaklığı 1500°C, 1700°C, 1900°C ve 2100°C'dir ve üretilen SiC tozu örneklenir ve analiz edilir. Şekil 5'te gösterildiği gibi, β-SiC toprak sarısıdır ve α-SiC daha açık renktedir. Sentezlenen tozun rengi ve morfolojisi gözlemlenerek sentezlenen ürünün 1500°C ve 1700°C sıcaklıklarda β-SiC olduğu belirlenebilir. 1900°C'de renk açılır ve altıgen parçacıklar ortaya çıkar; bu, sıcaklık 1900°C'ye yükseldikten sonra bir faz geçişinin meydana geldiğini ve β-SiC'nin bir kısmının α-SiC'ye dönüştürüldüğünü gösterir; sıcaklık 2100°C'ye yükselmeye devam ettiğinde, sentezlenen parçacıkların şeffaf olduğu ve α-SiC'nin temel olarak dönüştürüldüğü bulunmuştur.
2.2.2 Sentez süresinin etkisi
Diğer proses koşulları değişmeden kalır ve sentez süresi sırasıyla 4 saat, 8 saat ve 12 saat olarak ayarlanır. Üretilen SiC tozu örneklenir ve difraktometre (XRD) ile analiz edilir. Sonuçlar Şekil 6'da gösterilmektedir. Sentez süresinin SiC tozuyla sentezlenen ürün üzerinde belirli bir etkisi vardır. Sentez süresi 4 saat ve 8 saat olduğunda sentetik ürün esas olarak 6H-SiC'dir; sentez süresi 12 saat olduğunda üründe 15R-SiC belirir.
2.2.3 Hammadde oranının etkisi
Diğer işlemler değişmeden kalır, silikon-karbon maddelerinin miktarı analiz edilir ve sentez deneyleri için oranlar sırasıyla 1,00, 1,05, 1,10 ve 1,15'tir. Sonuçlar Şekil 7'de gösterilmektedir.
XRD spektrumundan silikon-karbon oranı 1,05'ten büyük olduğunda üründe fazla Si'nin ortaya çıktığı, silikon-karbon oranı 1,05'ten küçük olduğunda ise C fazlalığının ortaya çıktığı görülmektedir. Silikon-karbon oranı 1,05 olduğunda, sentetik üründeki serbest karbon temel olarak ortadan kaldırılır ve serbest silikon oluşmaz. Bu nedenle yüksek saflıkta SiC sentezlemek için silikon-karbon oranının miktar oranının 1,05 olması gerekir.
2.3 Tozdaki düşük nitrojen içeriğinin kontrolü
2.3.1 Sentetik ham maddeler
Bu deneyde kullanılan hammaddeler, ortalama çapı 20 μm olan yüksek saflıkta karbon tozu ve yüksek saflıkta silikon tozudur. Küçük parçacık boyutları ve geniş spesifik yüzey alanları nedeniyle havadaki N2'yi absorbe etmeleri kolaydır. Toz sentezlenirken tozun kristal formuna getirilecektir. N-tipi kristallerin büyümesi için, tozdaki N2'nin eşit olmayan katkılanması, kristalin eşit olmayan direncine ve hatta kristal formunda değişikliklere yol açar. Hidrojen ilave edildikten sonra sentezlenen tozun nitrojen içeriği önemli ölçüde düşüktür. Bunun nedeni hidrojen moleküllerinin hacminin küçük olmasıdır. Karbon tozu ve silikon tozu içerisinde adsorbe edilen N2 ısıtılıp yüzeyden ayrıştırıldığında, H2 küçük hacmi ile tozların arasındaki boşluğa tamamen yayılarak N2'nin yerini alır ve vakum işlemi sırasında N2 potadan kaçar. Azot içeriğini ortadan kaldırma amacına ulaşmak.
2.3.2 Sentez süreci
Silisyum karbür tozunun sentezi sırasında, karbon atomlarının ve nitrojen atomlarının yarıçapı benzer olduğundan, silisyum karbürdeki karbon boşluklarının yerini nitrojen alacak ve böylece nitrojen içeriği artacaktır. Bu deneysel işlem, H2'nin dahil edilmesi yöntemini benimser ve H2, C2H2, C2H ve SiH gazları oluşturmak için sentez potasındaki karbon ve silikon elementlerle reaksiyona girer. Karbon elementi içeriği gaz fazı iletimi yoluyla artar, böylece karbon boşlukları azalır. Azotun uzaklaştırılması amacına ulaşılır.
2.3.3 Proses arka planı nitrojen içeriği kontrolü
Büyük gözenekliliğe sahip grafit potalar, gaz fazı bileşenlerindeki Si buharını absorbe etmek, gaz fazı bileşenlerindeki Si'yi azaltmak ve dolayısıyla C/Si'yi artırmak için ek C kaynakları olarak kullanılabilir. Aynı zamanda, grafit potalar Si atmosferi ile reaksiyona girerek Si2C, SiC2 ve SiC oluşturabilir; bu, Si atmosferine eşdeğerdir; C kaynağını grafit potadan büyüme atmosferine getirir, C oranını arttırır ve ayrıca karbon-silikon oranını arttırır. . Bu nedenle, büyük gözenekliliğe sahip grafit potalar kullanılarak, karbon boşlukları azaltılarak ve nitrojenin uzaklaştırılması amacına ulaşılarak karbon-silisyum oranı artırılabilir.
3 Tek kristal toz sentezi prosesinin analizi ve tasarımı
3.1 Sentez sürecinin prensibi ve tasarımı
Toz sentezinin parçacık boyutunun, kristal formunun ve nitrojen içeriğinin kontrolüne ilişkin yukarıda bahsedilen kapsamlı çalışma aracılığıyla bir sentez prosesi önerilmiştir. Yüksek saflıkta C tozu ve Si tozu seçilir ve bunlar eşit şekilde karıştırılır ve 1,05 silikon-karbon oranına göre bir grafit potaya yüklenir. Süreç adımları temel olarak dört aşamaya ayrılır:
1) Düşük sıcaklıkta denitrifikasyon işlemi, 5x10-4 Pa'ya kadar vakumlama, ardından hidrojen ekleme, oda basıncını yaklaşık 80 kPa yapma, 15 dakika koruma ve dört kez tekrarlama. Bu işlem, karbon tozu ve silikon tozunun yüzeyindeki nitrojen elementlerini kaldırabilir.
2) Yüksek sıcaklıkta denitrifikasyon işlemi, 5x10-4 Pa'ya kadar vakumlama, ardından 950 °C'ye ısıtma ve daha sonra hidrojen ekleme, oda basıncını yaklaşık 80 kPa yapma, 15 dakika koruma ve dört kez tekrarlama. Bu işlem, karbon tozu ve silikon tozunun yüzeyindeki nitrojen elementlerini kaldırabilir ve nitrojeni ısı alanına yönlendirebilir.
3) Düşük sıcaklıkta faz prosesinin sentezi, 5x10-4 Pa'ya boşaltın, ardından 1350°C'ye ısıtın, 12 saat bekletin, ardından oda basıncını yaklaşık 80 kPa yapmak için hidrojen ekleyin, 1 saat bekletin. Bu işlem, sentez işlemi sırasında buharlaşan nitrojeni uzaklaştırabilir.
4) Yüksek sıcaklık faz işleminin sentezi, yüksek saflıkta hidrojen ve argon karışımlı gazdan oluşan belirli bir gaz hacim akış oranıyla doldurun, oda basıncını yaklaşık 80 kPa yapın, sıcaklığı 2100 ° C'ye yükseltin, 10 saat bekletin. Bu işlem silisyum karbür tozunun β-SiC'den α-SiC'ye dönüşümünü tamamlar ve kristal parçacıklarının büyümesini tamamlar.
Son olarak hazne sıcaklığının oda sıcaklığına soğumasını bekleyin, atmosferik basınca kadar doldurun ve tozu çıkarın.
3.2 Toz son işlem süreci
Toz, yukarıdaki işlemle sentezlendikten sonra, serbest karbon, silikon ve diğer metal yabancı maddelerin uzaklaştırılması ve parçacık boyutunun elenmesi için son işleme tabi tutulmalıdır. İlk olarak, sentezlenen toz kırma için bir bilyalı değirmene yerleştirilir ve kırılan silisyum karbür tozu bir kül fırınına konulur ve oksijenle 450°C'ye ısıtılır. Tozdaki serbest karbon, odadan kaçan karbondioksit gazı oluşturmak için ısı ile oksitlenir, böylece serbest karbonun uzaklaştırılması sağlanır. Daha sonra asitli bir temizleme sıvısı hazırlanır ve sentez işlemi sırasında oluşan karbon, silikon ve artık metal yabancı maddelerin uzaklaştırılması amacıyla temizlik için silisyum karbür parçacık temizleme makinesine yerleştirilir. Daha sonra kalan asit saf su ile yıkanır ve kurutulur. Kurutulmuş toz, kristal büyümesine yönelik parçacık boyutu seçimi için titreşimli bir elekten geçirilir.
Gönderim zamanı: Ağu-08-2024