Silikon karbidning yagona kristalli o'sishi jarayonida jismoniy bug 'tashuvi joriy sanoatlashtirishning asosiy usuli hisoblanadi. PVT o'sish usuli uchun,kremniy karbid kukunio'sish jarayoniga katta ta'sir ko'rsatadi. ning barcha parametrlarikremniy karbid kukunito'g'ridan-to'g'ri monokristal o'sishi sifatiga va elektr xususiyatlariga ta'sir qiladi. Hozirgi sanoat ilovalarida keng tarqalgan bo'lib foydalaniladikremniy karbid kukunisintez jarayoni o'z-o'zidan tarqaladigan yuqori haroratli sintez usulidir.
O'z-o'zidan tarqaladigan yuqori haroratli sintez usuli kimyoviy reaktsiyalarni boshlash uchun reaktivlarga dastlabki issiqlikni berish uchun yuqori haroratdan foydalanadi va keyin reaksiyaga kirmagan moddalarning kimyoviy reaktsiyani yakunlashda davom etishiga imkon berish uchun o'zining kimyoviy reaktsiya issiqligidan foydalanadi. Biroq, Si va C kimyoviy reaktsiyasi kamroq issiqlik chiqaradiganligi sababli, reaktsiyani saqlab turish uchun boshqa reaktivlar qo'shilishi kerak. Shuning uchun ko'plab olimlar shu asosda faollashtiruvchini joriy etgan holda takomillashtirilgan o'z-o'zidan tarqaladigan sintez usulini taklif qilishdi. O'z-o'zidan tarqaladigan usulni amalga oshirish nisbatan oson va turli xil sintez parametrlarini barqaror boshqarish oson. Keng ko'lamli sintez sanoatlashtirish ehtiyojlarini qondiradi.
1999 yilda Bridgeport sintez qilish uchun o'z-o'zidan tarqaladigan yuqori haroratli sintez usulidan foydalangan.SiC kukuni, lekin u xomashyo sifatida etoksisilan va fenol qatronidan foydalangan, bu esa qimmatga tushdi. Gao Pan va boshqalar sintez qilish uchun xom ashyo sifatida yuqori toza Si kukuni va C kukunidan foydalanganlarSiC kukuniargon atmosferasida yuqori haroratli reaksiya orqali. Ning Lina katta zarrachani tayyorladiSiC kukuniikkilamchi sintez orqali.
China Electronics Technology Group korporatsiyasining Ikkinchi tadqiqot instituti tomonidan ishlab chiqilgan o'rta chastotali induksion isitish pechi kremniy kukuni va uglerod kukunini ma'lum bir stexiometrik nisbatda teng ravishda aralashtirib, ularni grafit tigelga joylashtiradi. Thegrafit tigelisitish uchun o'rta chastotali induksion isitish pechiga joylashtiriladi va harorat o'zgarishi mos ravishda past haroratli faza va yuqori haroratli fazali silikon karbidni sintez qilish va aylantirish uchun ishlatiladi. Past haroratli fazadagi b-SiC sintez reaktsiyasining harorati Si ning uchuvchanlik haroratidan past bo'lganligi sababli, yuqori vakuum ostida b-SiC sintezi o'z-o'zidan tarqalishini yaxshi ta'minlaydi. a-SiC sinteziga argon, vodorod va HCl gazini kiritish usuli parchalanishini oldini oladi.SiC kukuniyuqori haroratli bosqichda va a-SiC kukunidagi azot miqdorini samarali ravishda kamaytirishi mumkin.
Shandong Tianyue silikon xomashyosi sifatida silan gazini va uglerod xom ashyosi sifatida uglerod kukunini ishlatib, sintez pechini ishlab chiqdi. Kiritilgan xomashyo gazining miqdori ikki bosqichli sintez usuli bilan o'rnatildi va yakuniy sintez qilingan kremniy karbid zarrachalarining hajmi 50 dan 5 000 um gacha bo'lgan.
1 Kukun sintezi jarayonining nazorat omillari
1.1 Kukun zarrachalari hajmining kristall o'sishiga ta'siri
Silikon karbid kukunining zarracha hajmi keyingi monokristal o'sishiga juda muhim ta'sir ko'rsatadi. SiC monokristalining PVT usuli bilan o'sishi asosan gaz fazasi komponentidagi kremniy va uglerodning molyar nisbatini o'zgartirish orqali erishiladi va gaz fazasi komponentidagi kremniy va uglerodning molyar nisbati silikon karbid kukunining zarracha hajmiga bog'liq. . O'sish tizimining umumiy bosimi va kremniy-uglerod nisbati zarrachalar hajmining pasayishi bilan ortadi. Zarrachalar hajmi 2-3 mm dan 0,06 mm gacha kamayganda, kremniy-uglerod nisbati 1,3 dan 4,0 gacha oshadi. Zarrachalar ma'lum darajada kichik bo'lsa, Si qisman bosimi oshadi va o'sib borayotgan kristall yuzasida Si plyonkasi qatlami hosil bo'lib, gaz-suyuq-qattiq o'sishini keltirib chiqaradi, bu polimorfizm, nuqta nuqsonlari va chiziq nuqsonlariga ta'sir qiladi. kristallda. Shuning uchun yuqori toza kremniy karbid kukunining zarracha hajmi yaxshi nazorat qilinishi kerak.
Bundan tashqari, SiC kukuni zarralari hajmi nisbatan kichik bo'lsa, kukun tezroq parchalanadi, natijada SiC monokristallarining haddan tashqari o'sishiga olib keladi. Bir tomondan, SiC monokristal o'sishining yuqori haroratli muhitida sintez va parchalanishning ikkita jarayoni bir vaqtning o'zida amalga oshiriladi. Silikon karbid kukuni gaz fazasida va Si, Si2C, SiC2 kabi qattiq fazada parchalanadi va uglerod hosil qiladi, natijada polikristal kukunning jiddiy karbonizatsiyasi va kristalda uglerod qo'shimchalarining shakllanishi; boshqa tomondan, kukunning parchalanish tezligi nisbatan tez bo'lsa, o'sib chiqqan SiC yagona kristalining kristalli tuzilishi o'zgarishiga moyil bo'lib, o'sib chiqqan SiC yagona kristalining sifatini nazorat qilishni qiyinlashtiradi.
1.2 Kukun kristall shaklining kristall o'sishiga ta'siri
SiC monokristalining PVT usuli bilan o'sishi yuqori haroratda sublimatsiya-qayta kristallanish jarayonidir. SiC xom ashyosining kristall shakli kristall o'sishiga muhim ta'sir ko'rsatadi. Kukun sintezi jarayonida asosan birlik hujayraning kubik tuzilishiga ega past haroratli sintez fazasi (b-SiC) va birlik hujayraning olti burchakli tuzilishiga ega yuqori haroratli sintez fazasi (a-SiC) ishlab chiqariladi. . Ko'p kremniy karbid kristal shakllari va tor haroratni nazorat qilish diapazoni mavjud. Masalan, 3C-SiC 1900°C dan yuqori haroratlarda olti burchakli kremniy karbid polimorfiga, ya'ni 4H/6H-SiC ga aylanadi.
Yagona kristalli o'sish jarayonida, kristallarni etishtirish uchun b-SiC kukuni ishlatilganda, kremniy-uglerodli molyar nisbati 5,5 dan katta, a-SiC kukuni kristallarni o'stirish uchun ishlatilganda, kremniy-uglerod molyar nisbati 1,2 ga teng. Harorat ko'tarilganda, tigelda fazali o'tish sodir bo'ladi. Bu vaqtda gaz fazasidagi molyar nisbat kattalashadi, bu kristall o'sishiga yordam bermaydi. Bundan tashqari, uglerod, kremniy va silikon dioksidni o'z ichiga olgan boshqa gaz fazasi aralashmalari fazaga o'tish jarayonida osongina hosil bo'ladi. Ushbu aralashmalarning mavjudligi kristall mikrotubalar va bo'shliqlarni ko'paytirishga olib keladi. Shuning uchun, kukun kristalli shakli aniq nazorat qilinishi kerak.
1.3 Kukunli aralashmalarning kristall o'sishiga ta'siri
SiC kukunidagi nopoklik tarkibi kristall o'sishi paytida spontan yadrolanishga ta'sir qiladi. Nopoklik miqdori qanchalik yuqori bo'lsa, kristalning o'z-o'zidan yadrolanish ehtimoli shunchalik past bo'ladi. SiC uchun asosiy metall aralashmalari B, Al, V va Ni ni o'z ichiga oladi, ular kremniy kukuni va uglerod kukunini qayta ishlash jarayonida ishlov berish asboblari orqali kiritilishi mumkin. Ular orasida B va Al SiC dagi asosiy sayoz energiya darajasidagi qabul qiluvchi aralashmalar bo'lib, SiC qarshiligining pasayishiga olib keladi. Boshqa metall aralashmalari ko'plab energiya darajalarini keltirib chiqaradi, natijada yuqori haroratlarda SiC monokristallarining beqaror elektr xususiyatlariga olib keladi va yuqori toza yarim izolyatsiya qiluvchi monokristalli substratlarning elektr xususiyatlariga, ayniqsa qarshilikka ko'proq ta'sir qiladi. Shuning uchun yuqori toza kremniy karbid kukuni iloji boricha sintez qilinishi kerak.
1.4 Kukun tarkibidagi azot miqdorining kristall o'sishiga ta'siri
Azot miqdori darajasi monokristalli substratning qarshiligini aniqlaydi. Asosiy ishlab chiqaruvchilar sintetik materialdagi azotli doping kontsentratsiyasini kukun sintezi jarayonida etuk kristal o'sish jarayoniga muvofiq sozlashlari kerak. Yuqori toza yarim izolyatsiyalovchi kremniy karbidli monokristalli substratlar harbiy yadro elektron komponentlari uchun eng istiqbolli materiallardir. Yuqori qarshilik va mukammal elektr xususiyatlariga ega yuqori toza yarim izolyatsiyalovchi monokristalli substratlarni etishtirish uchun substratdagi asosiy nopoklik azotining tarkibi past darajada nazorat qilinishi kerak. Supero'tkazuvchilar monokristalli substratlar nisbatan yuqori konsentratsiyada azot miqdorini nazorat qilishni talab qiladi.
2 Kukun sintezi uchun kalit boshqaruv texnologiyasi
Silikon karbid substratlarining turli xil foydalanish muhiti tufayli, o'sish kukunlari uchun sintez texnologiyasi ham turli jarayonlarga ega. N tipidagi Supero'tkazuvchilar yagona kristalli o'sish kukunlari uchun yuqori nopoklik tozaligi va bir faza talab qilinadi; yarim izolyatsiyalovchi monokristalli o'sish kukunlari uchun esa azot tarkibini qattiq nazorat qilish talab etiladi.
2.1 Kukun zarrachalari hajmini nazorat qilish
2.1.1 Sintez harorati
Boshqa jarayon sharoitlarini o'zgarmagan holda, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ va 2200 ℃ sintez haroratida hosil bo'lgan SiC kukunlari namunalar olindi va tahlil qilindi. 1-rasmda ko'rsatilganidek, zarracha hajmi 1900 ℃ da 250 ~ 600 mkm, zarracha hajmi 2000 ℃ da 600 ~ 850 mkm gacha oshadi va zarracha hajmi sezilarli darajada o'zgaradi. Harorat 2100 ℃ gacha ko'tarilganda, SiC kukunining zarracha hajmi 850 ~ 2360 mkm ni tashkil qiladi va o'sish yumshoq bo'ladi. SiC ning 2200 ℃ da zarracha kattaligi taxminan 2360 mkm da barqaror. Sintez haroratining 1900 ℃ dan oshishi SiC zarrachalari hajmiga ijobiy ta'sir qiladi. Sintez harorati 2100 ℃ dan o'sishda davom etsa, zarracha hajmi endi sezilarli darajada o'zgarmaydi. Shuning uchun, sintez harorati 2100 ℃ ga o'rnatilganda, kamroq energiya sarfi bilan kattaroq zarracha hajmi sintezlanishi mumkin.
2.1.2 Sintez vaqti
Boshqa jarayon shartlari o'zgarishsiz qoladi va sintez vaqti mos ravishda 4 soat, 8 soat va 12 soatga o'rnatiladi. Yaratilgan SiC kukuni namuna olish tahlili 2-rasmda ko'rsatilgan. Sintez vaqti SiC ning zarracha hajmiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi aniqlandi. Sintez vaqti 4 soat bo'lsa, zarracha hajmi asosan 200 mkm da taqsimlanadi; sintez vaqti 8 soat bo'lsa, sintetik zarrachalar hajmi sezilarli darajada oshadi, asosan taxminan 1 000 mkm da taqsimlanadi; sintez vaqti o'sishda davom etar ekan, zarracha hajmi yanada ortadi, asosan taxminan 2 000 mkm da taqsimlanadi.
2.1.3 Xom ashyo zarrachalari hajmining ta'siri
Mahalliy kremniy materiallarini ishlab chiqarish zanjiri asta-sekin takomillashtirilganligi sababli, silikon materiallarining tozaligi ham yanada yaxshilanadi. Hozirgi vaqtda sintezda ishlatiladigan kremniy materiallari 3-rasmda ko'rsatilganidek, asosan granüler kremniy va kukunli kremniyga bo'linadi.
Kremniy karbidini sintez qilish tajribalarini o'tkazish uchun turli xil kremniy xom ashyolari ishlatilgan. Sintetik mahsulotlarni solishtirish 4-rasmda ko'rsatilgan.Tahlil shuni ko'rsatadiki, blokli kremniy xomashyosidan foydalanganda mahsulotda ko'p miqdorda Si elementlari mavjud. Silikon blok ikkinchi marta ezilgandan so'ng, sintetik mahsulotdagi Si elementi sezilarli darajada kamayadi, ammo u hali ham mavjud. Nihoyat, sintez uchun kremniy kukuni ishlatiladi va mahsulotda faqat SiC mavjud. Buning sababi shundaki, ishlab chiqarish jarayonida katta o'lchamli granüler kremniy birinchi navbatda sirt sintez reaktsiyasidan o'tishi kerak va silikon karbid sirtda sintezlanadi, bu esa ichki Si kukunini C kukuni bilan yanada birlashishiga yo'l qo'ymaydi. Shuning uchun, agar blokli kremniy xom ashyo sifatida ishlatilsa, uni maydalash va keyin kristall o'sishi uchun silikon karbid kukunini olish uchun ikkilamchi sintez jarayoniga duchor bo'lish kerak.
2.2 Kukun kristall shaklini nazorat qilish
2.2.1 Sintez haroratining ta'siri
Boshqa jarayon sharoitlarini o'zgarishsiz saqlab, sintez harorati 1500 ℃, 1700 ℃, 1900 ℃ va 2100 ℃ bo'lib, hosil bo'lgan SiC kukuni namuna olinadi va tahlil qilinadi. 5-rasmda ko'rsatilganidek, b-SiC tuproqsimon sariq rangga ega, a-SiC esa ochroq rangga ega. Sintezlangan kukunning rangi va morfologiyasini kuzatish orqali sintez qilingan mahsulot 1500 ℃ va 1700 ℃ haroratlarda b-SiC ekanligini aniqlash mumkin. 1900 ℃ da rang ochroq bo'ladi va olti burchakli zarrachalar paydo bo'ladi, bu harorat 1900 ℃ ga ko'tarilgandan so'ng, fazali o'tish sodir bo'ladi va b-SiC ning bir qismi a-SiC ga aylanadi; harorat 2100 ℃ gacha ko'tarilganda, sintez qilingan zarralar shaffof ekanligi va a-SiC asosan aylantirilganligi aniqlandi.
2.2.2 Sintez vaqtining ta'siri
Boshqa jarayon shartlari o'zgarishsiz qoladi va sintez vaqti mos ravishda 4 soat, 8 soat va 12 soatga o'rnatiladi. Yaratilgan SiC kukunidan namuna olinadi va difraktometr (XRD) yordamida tahlil qilinadi. Natijalar 6-rasmda ko'rsatilgan. Sintez vaqti SiC kukuni bilan sintez qilingan mahsulotga ma'lum ta'sir ko'rsatadi. Sintez vaqti 4 soat va 8 soat bo'lsa, sintetik mahsulot asosan 6H-SiC; sintez vaqti 12 soat bo'lsa, mahsulotda 15R-SiC paydo bo'ladi.
2.2.3 Xom ashyo nisbatining ta'siri
Boshqa jarayonlar o'zgarishsiz qoladi, kremniy-uglerod moddalarining miqdori tahlil qilinadi va sintez tajribalari uchun nisbatlar mos ravishda 1,00, 1,05, 1,10 va 1,15 ni tashkil qiladi. Natijalar 7-rasmda ko'rsatilgan.
XRD spektridan ko'rinib turibdiki, kremniy-uglerod nisbati 1,05 dan katta bo'lsa, mahsulotda ortiqcha Si paydo bo'ladi va kremniy-uglerod nisbati 1,05 dan kam bo'lsa, ortiqcha C paydo bo'ladi. Silikon-uglerod nisbati 1,05 bo'lsa, sintetik mahsulotdagi erkin uglerod asosan yo'q qilinadi va erkin kremniy paydo bo'lmaydi. Shuning uchun yuqori toza SiC sintez qilish uchun silikon-uglerod nisbati miqdori nisbati 1,05 bo'lishi kerak.
2.3 Kukun tarkibidagi kam azot miqdorini nazorat qilish
2.3.1 Sintetik xom ashyo
Ushbu tajribada ishlatiladigan xom ashyo yuqori toza uglerod kukuni va o'rtacha diametri 20 mkm bo'lgan yuqori toza kremniy kukunidir. Kichik zarracha o'lchami va katta o'ziga xos sirt maydoni tufayli ular havoda N2 ni singdirish oson. Kukunni sintez qilishda u kukunning kristall shakliga keltiriladi. N-tipli kristallarning o'sishi uchun N2 ning kukundagi notekis dopingi kristalning notekis qarshiligiga va hatto kristall shaklining o'zgarishiga olib keladi. Vodorod kiritilgandan keyin sintez qilingan kukunning azot miqdori sezilarli darajada past bo'ladi. Buning sababi, vodorod molekulalarining hajmi kichikdir. Uglerod kukuni va kremniy kukunida adsorbsiyalangan N2 qizdirilganda va sirtdan parchalanganda, H2 kichik hajmi bilan kukunlar orasidagi bo'shliqqa to'liq tarqalib, N2 o'rnini almashtiradi va N2 vakuum jarayonida tigeldan chiqib ketadi, azot tarkibini olib tashlash maqsadiga erishish.
2.3.2 Sintez jarayoni
Kremniy karbid kukunini sintez qilish jarayonida uglerod atomlari va azot atomlarining radiusi o'xshash bo'lganligi sababli, azot kremniy karbididagi uglerod bo'shliqlarini almashtiradi va shu bilan azot miqdorini oshiradi. Ushbu eksperimental jarayon H2 ni kiritish usulini qabul qiladi va H2 C2H2, C2H va SiH gazlarini hosil qilish uchun sintez tigelidagi uglerod va kremniy elementlari bilan reaksiyaga kirishadi. Uglerod elementi tarkibi gaz fazasini uzatish orqali ortadi va shu bilan uglerod bo'sh joylarini kamaytiradi. Azotni olib tashlash maqsadiga erishiladi.
2.3.3 Jarayon fonida azot miqdorini nazorat qilish
Katta g'ovaklikka ega bo'lgan grafit tigellar qo'shimcha C manbalari sifatida gaz fazasi komponentlarida Si bug'ini yutish, gaz fazasi komponentlarida Si ni kamaytirish va shu bilan C / Si ni oshirish uchun ishlatilishi mumkin. Shu bilan birga, grafit tigellar Si atmosferasi bilan reaksiyaga kirishib, Si2C, SiC2 va SiC hosil qiladi, bu Si atmosferasiga teng bo'lib, grafit tigeldan C manbasini o'sish atmosferasiga olib keladi, C nisbatini oshiradi, shuningdek, uglerod-kremniy nisbatini oshiradi. . Shuning uchun uglerod-kremniy nisbati katta g'ovaklikka ega bo'lgan grafit tigellardan foydalanish, uglerod bo'shliqlarini kamaytirish va azotni olib tashlash maqsadiga erishish orqali oshirilishi mumkin.
3 Yagona kristalli kukun sintezi jarayonini tahlil qilish va loyihalash
3.1 Sintez jarayonining printsipi va dizayni
Kukun sintezining zarracha hajmi, kristall shakli va azot miqdorini nazorat qilish bo'yicha yuqorida aytib o'tilgan kompleks tadqiqotlar orqali sintez jarayoni taklif etiladi. Yuqori tozalikdagi C kukuni va Si kukuni tanlanadi va ular teng ravishda aralashtiriladi va 1,05 silikon-uglerod nisbati bo'yicha grafit tigelga yuklanadi. Jarayon bosqichlari asosan to'rt bosqichga bo'linadi:
1) Past haroratli denitrifikatsiya jarayoni, 5 × 10-4 Pa gacha vakuumlash, keyin vodorodni kiritish, kamera bosimini taxminan 80 kPa qilish, 15 daqiqa davomida ushlab turish va to'rt marta takrorlash. Bu jarayon uglerod kukuni va kremniy kukuni yuzasida azot elementlarini olib tashlashi mumkin.
2) Yuqori haroratli denitrifikatsiya jarayoni, 5 × 10-4 Pa gacha vakuumlash, keyin 950 ℃ ga qizdirish va keyin vodorodni kiritish, kamera bosimini taxminan 80 kPa qilish, 15 daqiqa ushlab turish va to'rt marta takrorlash. Bu jarayon uglerod kukuni va kremniy kukuni yuzasida azot elementlarini olib tashlashi va issiqlik maydonida azotni haydashi mumkin.
3) Past haroratli faza jarayonining sintezi, 5 × 10-4 Pa ga evakuatsiya qiling, keyin 1350 ℃ ga qizdiring, 12 soat ushlab turing, so'ngra kamera bosimini taxminan 80 kPa qilish uchun vodorodni kiriting, 1 soat ushlab turing. Bu jarayon sintez jarayonida uchuvchi azotni olib tashlashi mumkin.
4) Yuqori haroratli fazali jarayonning sintezi, yuqori toza vodorod va argon aralashmasi gazining ma'lum bir gaz hajmi oqimi nisbati bilan to'ldiring, kamera bosimini taxminan 80 kPa ga oshiring, haroratni 2100 ℃ ga ko'taring, 10 soat davomida saqlang. Bu jarayon kremniy karbid kukunini b-SiC dan a-SiC ga aylantirishni yakunlaydi va kristall zarrachalarning o'sishini yakunlaydi.
Nihoyat, xona harorati xona haroratiga sovishini kuting, atmosfera bosimiga to'ldiring va kukunni oling.
3.2 Kukundan keyingi ishlov berish jarayoni
Kukun yuqoridagi jarayon bilan sintez qilingandan so'ng, erkin uglerod, kremniy va boshqa metall aralashmalarini olib tashlash va zarrachalar hajmini ekranlash uchun uni qayta ishlash kerak. Birinchidan, sintezlangan kukun maydalash uchun sharli tegirmonga joylashtiriladi va maydalangan kremniy karbid kukuni mufel pechiga joylashtiriladi va kislorod bilan 450 ° C gacha qizdiriladi. Kukundagi erkin uglerod issiqlik ta'sirida oksidlanadi va kameradan chiqadigan karbonat angidrid gazini hosil qiladi va shu bilan erkin uglerodni olib tashlashga erishiladi. Keyinchalik, kislotali tozalash suyuqligi tayyorlanadi va sintez jarayonida hosil bo'lgan uglerod, kremniy va qoldiq metall aralashmalarini olib tashlash uchun tozalash uchun silikon karbid zarralarini tozalash mashinasiga joylashtiriladi. Shundan so'ng, qoldiq kislota toza suvda yuviladi va quritiladi. Quritilgan kukun kristall o'sishi uchun zarracha hajmini tanlash uchun tebranish ekranida ekranlanadi.
Xabar vaqti: 2024 yil 8-avgust