Во процесот на раст на монокристали од силициум карбид, физичкиот транспорт на пареа е моменталниот мејнстрим метод на индустријализација. За методот на раст со PVT,силициум карбиден правима големо влијание врз процесот на раст. Сите параметри насилициум карбиден правдиректно влијаат на квалитетот на растот на монокристалите и електричните својства. Во тековните индустриски апликации, најчесто користенитесилициум карбиден правПроцесот на синтеза е саморазмножувачки метод на синтеза на висока температура.
Методот на саморазмножување на синтеза на висока температура користи висока температура за да им даде на реактантите почетна топлина 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 саморазмножување на синтеза врз основа на ова, воведувајќи активатор. Методот на саморазмножување е релативно лесен за имплементација, а различните параметри на синтеза се лесни за стабилно контролирање. Синтезата на големи размери ги задоволува потребите на индустријализацијата.
Уште во 1999 година, Бриџпорт го користел методот на саморазмножување на висока температура за синтезаSiC прав, но користел етоксисилан и фенолна смола како суровини, што било скапо. Гао Пан и други користеле Si прав со висока чистота и C прав како суровини за синтезаSiC правсо реакција на висока температура во атмосфера на аргон. Нинг Лина подготвил крупночестичкиSiC правсо секундарна синтеза.
Индукциската печка за греење со средна фреквенција, развиена од Вториот истражувачки институт на Кинеската корпорација за електронска технологија, рамномерно меша силициумски прав и јаглероден прав во одреден стехиометриски сооднос и ги става во графитен сад за печење.графитен сад за печењесе става во среднофреквентна индукциска печка за греење, а промената на температурата се користи за синтеза и трансформирање на силициум карбид во нискотемпературна и високотемпературна фаза, соодветно. Бидејќи температурата на реакцијата на синтеза на β-SiC во нискотемпературната фаза е пониска од температурата на испарување на Si, синтезата на β-SiC под висок вакуум може добро да обезбеди саморазмножување. Методот на воведување на аргон, водород и HCl гас во синтезата на α-SiC спречува распаѓање наSiC правво фаза на висока температура и може ефикасно да ја намали содржината на азот во α-SiC прав.
Шандонг Тјанјуе дизајнираше печка за синтеза, користејќи силан гас како силициумска суровина и јаглероден прав како јаглеродна суровина. Количината на воведена суровина беше прилагодена со метод на синтеза во два чекори, а конечната големина на синтетизираните честички од силициум карбид беше помеѓу 50 и 5000 μm.
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 од силициум карбиден прав има многу важно влијание врз последователниот раст на монокристалот. Растот на SiC монокристал со PVT метод главно се постигнува со промена на моларниот однос на силициум и јаглерод во компонентата во гасна фаза, а моларниот однос на силициум и јаглерод во компонентата во гасна фаза е поврзан со големината на честичките од силициум карбиден прав. Вкупниот притисок и односот силициум-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 силициум-јаглерод се зголемува од 1,3 на 4,0. Кога честичките се мали до одреден степен, парцијалниот притисок на Si се зголемува и на површината на растечкиот кристал се формира слој од Si филм, предизвикувајќи раст на гасно-течност-цврста материја, што влијае на полиморфизмот, точкестите дефекти и линиските дефекти во кристалот. Затоа, големината на честичките од силициум карбиден прав со висока чистота мора добро да се контролира.
Дополнително, кога големината на честичките од SiC прав е релативно мала, правот се распаѓа побрзо, што резултира со прекумерен раст на монокристалите од SiC. Од една страна, во средина со висока температура на раст на монокристалите од SiC, двата процеса на синтеза и распаѓање се изведуваат истовремено. Правот од силициум карбид ќе се распадне и ќе формира јаглерод во гасна фаза и цврста фаза како што се Si, Si2C, SiC2, што резултира со сериозна карбонизација на поликристалниот прав и формирање на јаглеродни инклузии во кристалот; од друга страна, кога стапката на распаѓање на правот е релативно брза, кристалната структура на одгледуваниот монокристал од SiC е склона кон промени, што го отежнува контролирањето на квалитетот на одгледуваниот монокристал од SiC.
1.2 Ефект на формата на прашкаст кристал врз растот на кристалите
Растот на монокристал од SiC со PVT метод е процес на сублимација-рекристализација на висока температура. Кристалната форма на суровината од SiC има важно влијание врз растот на кристалите. Во процесот на синтеза на прав, главно ќе се произведува фазата на синтеза на ниска температура (β-SiC) со кубна структура на единичната ќелија и фазата на синтеза на висока температура (α-SiC) со хексагонална структура на единичната ќелија. Постојат многу кристални форми на силициум карбид и тесен опсег на 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 монокристали, кога β-SiC прав се користи за одгледување кристали, моларниот однос силициум-јаглерод е поголем од 5,5, додека кога α-SiC прав се користи за одгледување кристали, моларниот однос силициум-јаглерод е 1,2. Кога температурата се зголемува, во садот се јавува фазен премин. Во овој момент, моларниот однос во гасната фаза станува поголем, што не е погодно за раст на кристалите. Покрај тоа, други нечистотии во гасната фаза, вклучувајќи јаглерод, силициум и силициум диоксид, лесно се генерираат за време на процесот на фазен премин. Присуството на овие нечистотии предизвикува кристалот да создава микроцевки и празнини. Затоа, формата на прашкастиот кристал мора прецизно да се контролира.
1.3 Влијание на нечистотиите во прав врз растот на кристалите
Содржината на нечистотии во SiC правот влијае на спонтаното нуклеирање за време на растот на кристалите. Колку е поголема содржината на нечистотии, толку е помала веројатноста кристалот спонтано да се нуклеира. За SiC, главните метални нечистотии вклучуваат B, Al, V и Ni, кои можат да бидат внесени со алатки за обработка за време на обработката на силициумски прав и јаглероден прав. Меѓу нив, B и Al се главните нечистотии за плитки акцептори на енергетско ниво во SiC, што резултира со намалување на отпорноста на SiC. Други метални нечистотии ќе внесат многу енергетски нивоа, што резултира со нестабилни електрични својства на SiC монокристалите на високи температури и имаат поголемо влијание врз електричните својства на полуизолационите монокристални подлоги со висока чистота, особено на отпорноста. Затоа, силициум карбидниот прав со висока чистота мора да се синтетизира што е можно повеќе.
1.4 Влијание на содржината на азот во правот врз растот на кристалите
Нивото на содржина на азот ја одредува отпорноста на монокристалната подлога. Главните производители треба да ја прилагодат концентрацијата на допир со азот во синтетичкиот материјал според процесот на раст на зрелите кристали за време на синтезата на прав. Високочистотините полуизолациони монокристални подлоги од силициум карбид се најперспективните материјали за електронски компоненти со воено јадро. За одгледување полуизолациони монокристални подлоги со висока чистота со висока отпорност и одлични електрични својства, содржината на главниот нечистотија азот во подлогата мора да се контролира на ниско ниво. Проводливите монокристални подлоги бараат содржината на азот да се контролира на релативно висока концентрација.
2 Клучна технологија за контрола за синтеза на прав
Поради различните употребни средини на силициум карбидни супстрати, технологијата на синтеза за прашоци за раст исто така има различни процеси. За N-тип спроводливи монокристални прашоци за раст, потребна е висока чистота на нечистотии и монофазен состав; додека за полуизолациони монокристални прашоци за раст, 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, беа земени мостри и анализирани SiC прашоци генерирани на температури на синтеза од 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ и 2200 ℃. Како што е прикажано на Слика 1, може да се види дека големината на честичките е 250~600 μm на 1900 ℃, а големината на честичките се зголемува на 600~850 μm на 2000 ℃, а големината на честичките значително се менува. Кога температурата продолжува да расте до 2100 ℃, големината на честичките на SiC прашокот е 850~2360 μm, а зголемувањето има тенденција да биде благо. Големината на честичките на SiC на 2200 ℃ е стабилна на околу 2360 μm. Зголемувањето на температурата на синтеза од 1900 ℃ има позитивен ефект врз големината на честичките на SiC. Кога температурата на синтеза продолжува да се зголемува од 2100 ℃, големината на честичките повеќе не се менува значително. Затоа, кога температурата на синтеза 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 на земање примероци од SiC прав 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 честичките е главно распределена на 200 μm; кога времето на синтеза е 8 часа, големината на синтетичките честички 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 од суровината
Со постепеното подобрување на домашниот синџир на производство на силиконски материјали, чистотата на силиконските материјали е исто така дополнително подобрена. Во моментов, силиконските материјали што се користат во синтезата се поделени главно на грануларен силикон и силикон во прав, како што е прикажано на Слика 3.
За спроведување на експерименти за синтеза на силициум карбид беа користени различни силициумски суровини. Споредбата на синтетичките производи е прикажана на Слика 4. Анализата покажува дека кога се користат блок силициумски суровини, во производот е присутна голема количина на Si елементи. Откако силициумскиот блок ќе се смачка по втор пат, Si елементот во синтетичкиот производ е значително намален, но сепак постои. Конечно, за синтеза се користи силициумски прав, а во производот е присутен само SiC. Ова е затоа што во процесот на производство, големиот грануларен силициум прво треба да помине низ површинска синтетизирачка реакција, а силициум карбидот се синтетизира на површината, што го спречува внатрешниот Si прав понатамошно соединување со C прав. Затоа, ако блок силициум се користи како суровина, тој треба да се смачка, а потоа да се подложи на секундарен процес на синтеза за да се добие силициум карбиден прав за раст на кристали.
2.2 Контрола на форма на прашкаст кристал
2.2.1 Влијание на температурата на синтеза
Доколку другите услови на процесот останат непроменети, температурата на синтеза е 1500℃, 1700℃, 1900℃ и 2100℃, а генерираниот SiC прав се зема како примерок и се анализира. Како што е прикажано на Слика 5, β-SiC е земјено жолт, а α-SiC е посветла по 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 шестоаголни честички, што укажува дека откако температурата ќе се искачи на 1900℃, се јавува фазен премин и дел од β-SiC се претвора во α-SiC; кога температурата продолжува да се зголемува до 2100℃, се открива дека синтетизираните честички се транспарентни и α-SiC е во основа конвертиран.
2.2.2 Ефект на времето на синтеза
Другите услови на процесот остануваат непроменети, а времето на синтеза е поставено на 4 часа, 8 часа и 12 часа, соодветно. Генерираниот SiC прав се зема како примерок и се анализира со дифрактометар (XRD). Резултатите се прикажани на Слика 6. Времето на синтеза има одредено влијание врз производот синтетизиран од SiC прав. 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 суровини
Другите процеси остануваат непроменети, се анализира количината на силициум-јаглеродни супстанции, а соодносите се 1,00, 1,05, 1,10 и 1,15 соодветно за експериментите за синтеза. Резултатите се прикажани на Слика 7.
Од XRD спектарот, може да се види дека кога односот силициум-јаглерод е поголем од 1,05, во производот се појавува вишок Si, а кога односот силициум-јаглерод е помал од 1,05, се појавува вишок C. Кога односот силициум-јаглерод е 1,05, слободниот јаглерод во синтетичкиот производ е во основа елиминиран и не се појавува слободен силициум. Затоа, односот на количините на односот силициум-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 силициумски прав со висока чистота со среден дијаметар од 20 μm. Поради нивната мала големина на честичките и големата специфична површина, тие лесно го апсорбираат N2 во воздухот. При синтетизирање на правот, тој ќе се доведе во кристална форма на прав. За раст на кристали од N-тип, нерамномерното допирање на N2 во правот доведува до нееднаков отпор на кристалот, па дури и промени во кристалната форма. Содржината на азот во синтетизираниот прав по воведувањето на водород е значително ниска. Ова е затоа што волуменот на молекулите на водород е мал. Кога N2 адсорбиран во јаглеродниот прав и силициумскиот прав се загрева и се распаѓа од површината, H2 целосно дифундира во јазот помеѓу правот со својот мал волумен, заменувајќи ја позицијата на N2, а N2 излегува од садот за време на вакуумскиот процес, постигнувајќи ја целта за отстранување на содржината на азот.
2.3.2 Процес на синтеза
За време на синтезата на силициум карбиден прав, бидејќи радиусот на јаглеродните атоми и азотните атоми е сличен, азотот ќе ги замени јаглеродните празнини во силициум карбидот, со што ќе се зголеми содржината на азот. Овој експериментален процес го усвојува методот на воведување на H2, а H2 реагира со јаглеродни и силициумски елементи во садот за синтеза за да генерира гасови C2H2, C2H и SiH. Содржината на јаглеродните елементи се зголемува преку пренос во гасна фаза, со што се намалуваат јаглеродните празнини. Целта на отстранување на азот е постигната.
2.3.3 Контрола на содржината на азот во позадина на процесот
Графитните садници со голема порозност можат да се користат како дополнителни извори на јаглерод за апсорпција на пареата на Si во компонентите на гасна фаза, намалување на Si во компонентите на гасна 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 Si атмосфера која го носи изворот на јаглерод од графитниот сад во атмосферата за раст, зголемувајќи го односот C, а исто така зголемувајќи го и односот јаглерод-силициум. Затоа, односот јаглерод-силициум може да се зголеми со користење на графитни садници со голема порозност, намалувајќи ги празнините на јаглерод и постигнувајќи ја целта за отстранување на азот.
3 Анализа и дизајн на процесот на синтеза на монокристален прав
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 прав со висока чистота и Si прав, се мешаат рамномерно и се ставаат во графитен сад за печење според однос силициум-јаглерод од 1,05. Чекорите на процесот се главно поделени во четири фази:
1) Процес на денитрификација на ниска температура, вакуумирање до 5×10-4 Pa, потоа воведување на водород, зголемување на притисокот во комората на околу 80 kPa, одржување 15 минути и повторување четири пати. Овој процес може да ги отстрани азотните елементи од површината на јаглеродниот прав и силициумскиот прав.
2) Процес на денитрификација на висока температура, вакуумирање до 5×10-4 Pa, потоа загревање до 950 ℃, а потоа воведување на водород, зголемување на притисокот во комората на околу 80 kPa, одржување 15 минути и повторување четири пати. Овој процес може да ги отстрани азотните елементи на површината на јаглеродниот прав и силициумскиот прав и да го внесе азот во топлинското поле.
3) Синтеза на процес на ниска температура, евакуирајте до 5×10-4 Pa, потоа загрејте до 1350℃, оставете 12 часа, потоа внесете водород за да го направите притисокот во комората околу 80 kPa, оставете 1 час. Овој процес може да го отстрани азотот испарен за време на процесот на синтеза.
4) Синтеза на процес на фаза на висока температура, полнење со одреден сооднос на проток на гас од мешан гас од водород и аргон со висока чистота, зголемување на притисокот во комората на околу 80 kPa, зголемување на температурата на 2100℃, држење 10 часа. Овој процес ја завршува трансформацијата на силициум карбиден прав од β-SiC во α-SiC и го завршува растот на кристалните честички.
Конечно, 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 дополнително да се обработи за да се отстранат слободниот јаглерод, силициумот и другите метални нечистотии и да се процени големината на честичките. Прво, синтетизираниот прав се става во топчеста мелница за дробење, а смачканиот прав од силициум карбид се става во муфелна печка и се загрева до 450°C со кислород. Слободниот јаглерод во правот се оксидира со топлина за да се генерира гас од јаглерод диоксид кој излегува од комората, со што се постигнува отстранување на слободниот јаглерод. Потоа, се подготвува кисела течност за чистење и се става во машина за чистење на честички од силициум карбид за чистење за да се отстранат јаглеродот, силициумот и преостанатите метални нечистотии генерирани за време на процесот на синтеза. После тоа, преостанатата киселина се мие во чиста вода и се суши. Исушениот прав се цеди во вибрирачко сито за избор на големина на честички за раст на кристалите.
Време на објавување: 08.08.2024