Кремний карбиды монокристаллларын үстерү процессында, физик пар транспорты хәзерге вакытта төп индустриализация ысулы булып тора. ПВТ үстерү ысулы өчен,кремний карбиды порошогыүсеш процессына зур йогынты ясый. Барлык параметрлар дакремний карбиды порошогымонокристалл үсеше сыйфатына һәм электр үзлекләренә турыдан-туры тәэсир итә. Хәзерге сәнәгать кушымталарында, еш кулланыла торганкремний карбиды порошогысинтез процессы - үз-үзен таралучы югары температуралы синтез ысулы.
Үз-үзен таралучы югары температуралы синтез ысулы реагентларга химик реакцияләрне башлау өчен башлангыч җылылык бирү өчен югары температураны куллана, аннары үзенең химик реакция җылылыгын кулланып, реакциягә кермәгән матдәләргә химик реакцияне тәмамлауны дәвам итәргә мөмкинлек бирә. Ләкин, Si һәм C химик реакциясе азрак җылылык бүлеп чыгарганлыктан, реакцияне саклап калу өчен башка реагентлар өстәргә кирәк. Шуңа күрә күп галимнәр бу нигездә үз-үзен таралучы синтез ысулын яхшырттылар, активатор керттеләр. Үз-үзен таралучы ысулны гамәлгә ашыру чагыштырмача җиңел, һәм төрле синтез параметрларын тотрыклы контрольдә тоту җиңел. Зур күләмле синтез индустриализация ихтыяҗларын канәгатьләндерә.
1999 елда ук Бриджпорт үз-үзен таралучы югары температуралы синтез ысулын синтезлау өчен кулланганSiC порошогы, ләкин ул чимал буларак этоксисилан һәм фенол сумаласын кулланган, бу кыйммәткә төшкән. Гао Пан һәм башкалар синтезлау өчен чимал буларак югары сафлыклы Si порошогын һәм C порошогын кулланганнар.SiC порошогыаргон атмосферасында югары температуралы реакция ярдәмендә. Нин Лина зур кисәкчәләр әзерләдеSiC порошогыикенчел синтез ярдәмендә.
Кытай электроника технологияләре төркеме корпорациясенең Икенче тикшеренү институты тарафыннан эшләнгән урта ешлыклы индукцион җылыту миче билгеле бер стехиометрик нисбәттә кремний порошогын һәм углерод порошогын тигез куша һәм аларны графит тигельгә урнаштыра.графит тигелеҗылыту өчен урта ешлыклы индукцион җылыту миченә урнаштырыла, һәм температура үзгәреше түбән температуралы фазаны һәм югары температуралы фазаны кремний карбидын синтезлау һәм үзгәртү өчен кулланыла. Түбән температуралы фазада β-SiC синтез реакциясенең температурасы Si-ның очу температурасыннан түбәнрәк булганлыктан, югары вакуум астында β-SiC синтезы үз-үзен таралуны яхшы тәэмин итә ала. α-SiC синтезына аргон, водород һәм HCl газын кертү ысулы таркалуны булдырмый.SiC порошогыюгары температура этабында, һәм α-SiC порошогындагы азот күләмен нәтиҗәле рәвештә киметә ала.
Шаньдун Тяньюэ синтез миче проектлаган, анда кремний чималы буларак силан газы һәм углерод порошогы углерод чималы буларак кулланылган. Кертелгән чимал газы күләме ике этаплы синтез ысулы белән көйләнгән, һәм синтезланган кремний карбиды кисәкчәләренең соңгы зурлыгы 50 дән 5000 мкм га кадәр булган.
1 Порошок синтезы процессының контроль факторлары
1.1 Кристалл үсешенә порошок кисәкчәләре зурлыгының йогынтысы
Кремний карбиды порошогы кисәкчәләренең зурлыгы монокристалл үсешенә бик мөһим йогынты ясый. PVT ысулы белән SiC монокристаллы үсеше, нигездә, газ фазасы компонентындагы кремний һәм углеродның моляр нисбәтен үзгәртү юлы белән ирешелә, һәм газ фазасы компонентындагы кремний һәм углеродның моляр нисбәте кремний карбиды порошогы кисәкчәләренең зурлыгы белән бәйле. Үсеш системасының гомуми басымы һәм кремний-углерод нисбәте кисәкчәләренең зурлыгы кимү белән арта. Кисәкчәләрнең зурлыгы 2-3 мм дан 0,06 мм га кадәр кимегәндә, кремний-углерод нисбәте 1,3 дан 4,0 га кадәр арта. Кисәкчәләр билгеле бер дәрәҗәдә кечкенә булганда, Si парциал басымы арта, һәм үсүче кристалл өслегендә Si пленкасы катламы барлыкка килә, бу газ-сыеклык-каты матдә үсешен стимуллаштыра, бу кристаллдагы полиморфизмга, нокта дефектларына һәм сызык дефектларына тәэсир итә. Шуңа күрә югары чисталыклы кремний карбиды порошогы кисәкчәләренең зурлыгын яхшы контрольдә тотарга кирәк.
Моннан тыш, SiC порошок кисәкчәләренең зурлыгы чагыштырмача кечкенә булганда, порошок тизрәк таркала, нәтиҗәдә SiC монокристалларының артык үсүенә китерә. Бер яктан, SiC монокристаллары үсешенең югары температуралы мохитендә синтез һәм таркалуның ике процессы бер үк вакытта башкарыла. Кремний карбиды порошогы таркала һәм Si, Si2C, SiC2 кебек газ фазасында һәм каты фазада углерод барлыкка китерә, нәтиҗәдә поликристалл порошокның җитди карбонлашуы һәм кристаллда углерод кушылмалары барлыкка килә; икенче яктан, порошокның таркалу тизлеге чагыштырмача тиз булганда, үстерелгән SiC монокристалының кристалл структурасы үзгәрергә мөмкин, бу үстерелгән SiC монокристалының сыйфатын контрольдә тотуны катлауландыра.
1.2 Кристалл үсешенә порошок кристалл формасының йогынтысы
SiC монокристаллын PVT ысулы белән үстерү югары температурада сублимация-рекристаллизация процессы булып тора. SiC чималның кристалл формасы кристалл үсешенә мөһим йогынты ясый. Порошок синтезы процессында, нигездә, берәмлек күзәнәгенең куб структурасы булган түбән температуралы синтез фазасы (β-SiC) һәм берәмлек күзәнәгенең алты почмаклы структурасы булган югары температуралы синтез фазасы (α-SiC) җитештереләчәк. Күп кенә кремний карбиды кристалл формалары һәм тар температура контроле диапазоны бар. Мәсәлән, 3C-SiC 1900°C тан югары температураларда алты почмаклы кремний карбиды полиморфына, ягъни 4H/6H-SiC га әйләнәчәк.
Монокристалл үсеш процессында, β-SiC порошогы кристалллар үстерү өчен кулланылганда, кремний-углерод моляр нисбәте 5,5 тән зуррак, ә α-SiC порошогы кристалллар үстерү өчен кулланылганда, кремний-углерод моляр нисбәте 1,2 тәшкил итә. Температура күтәрелгәндә, тигельдә фаза күчүе була. Бу вакытта газ фазасындагы моляр нисбәте зурая, бу кристалл үсешенә уңайсызлык тудыра. Моннан тыш, фаза күчү процессында башка газ фазасындагы катнашмалар, шул исәптән углерод, кремний һәм кремний диоксиды, җиңел барлыкка килә. Бу катнашмалар булу кристаллда микротүбәләр һәм бушлыклар барлыкка килүенә китерә. Шуңа күрә порошок кристалл формасын төгәл контрольдә тотарга кирәк.
1.3 Кристалл үсешенә порошок катнашмаларының йогынтысы
SiC порошогындагы катнашма күләме кристалл үсү вакытында үзеннән-үзе барлыкка килүгә тәэсир итә. Катнашма күләме югарырак булган саен, кристаллның үзеннән-үзе барлыкка килү ихтималы азрак. SiC өчен төп металл катнашмаларына B, Al, V һәм Ni керә, алар кремний порошогын һәм углерод порошогын эшкәртү вакытында эшкәртү кораллары белән кертелергә мөмкин. Алар арасында B һәм Al SiCдагы төп энергия дәрәҗәсендәге акцептор катнашмалары булып тора, бу SiC каршылыгының кимүенә китерә. Башка металл катнашмалары күп энергия дәрәҗәләрен кертә, бу SiC монокристалларының югары температурада тотрыксыз электр үзлекләренә китерә һәм югары чисталыклы ярымизоляцияле монокристалл субстратларының электр үзлекләренә, бигрәк тә каршылыкка зуррак йогынты ясый. Шуңа күрә югары чисталыклы кремний карбиды порошогын мөмкин кадәр күбрәк синтезларга кирәк.
1.4 Порошок составындагы азот күләменең кристалл үсешенә йогынтысы
Азот күләме дәрәҗәсе монокристалл субстратның каршылыгын билгели. Зур җитештерүчеләргә синтетик материалдагы азот легирлау концентрациясен порошок синтезы вакытында өлгергән кристалл үсеш процессына туры китереп көйләргә кирәк. Югары сафлыклы ярымизоляцияле кремний карбиды монокристалл субстратлары хәрби үзәк электрон компонентлары өчен иң өметле материаллар булып тора. Югары каршылыкка һәм искиткеч электр үзлекләренә ия югары сафлыклы ярымизоляцияле монокристалл субстратлар үстерү өчен, субстраттагы төп катнашма азотның күләме түбән дәрәҗәдә контрольдә тотылырга тиеш. Үткәргеч монокристалл субстратлар азот күләмен чагыштырмача югары концентрациядә контрольдә тотарга тиеш.
2 Порошок синтезы өчен төп контроль технологиясе
Кремний карбиды субстратларының төрле куллану мохите аркасында, үстерү порошокларын синтезлау технологиясе дә төрле процессларга ия. N-типтагы үткәргеч монокристалл үстерү порошоклары өчен югары катнашма сафлыгы һәм бер фазалылык таләп ителә; ә ярымизоляцияле монокристалл үстерү порошоклары өчен азот күләмен катгый контрольдә тоту таләп ителә.
2.1 Порошок кисәкчәләренең зурлыгын контрольдә тоту
2.1.1 Синтез температурасы
Башка процесс шартлары үзгәрешсез калып, 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃ һәм 2200 ℃ синтез температураларында барлыкка килгән SiC порошокларыннан үрнәк алынды һәм анализланды. 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, 1900 ℃ температурада кисәкчәләрнең зурлыгы 250 ~ 600 мкм, ә кисәкчәләрнең зурлыгы 2000 ℃ температурада 600 ~ 850 мкм га кадәр арта, һәм кисәкчәләрнең зурлыгы сизелерлек үзгәрә. Температура 2100 ℃ га кадәр күтәрелүен дәвам иткәндә, SiC порошогының кисәкчәләрнең зурлыгы 850 ~ 2360 мкм, һәм арту еш кына була. 2200 ℃ температурада SiC кисәкчәләренең зурлыгы якынча 2360 мкм да тотрыклы. 1900 ℃ тан синтез температурасының артуы SiC кисәкчәләренең зурлыгына уңай йогынты ясый. Синтез температурасы 2100 ℃ тан артуын дәвам иткәндә, кисәкчәләрнең зурлыгы сизелерлек үзгәрми. Шуңа күрә, синтез температурасы 2100 ℃ итеп куелганда, энергияне азрак сарыф итеп, зуррак кисәкчәләр зурлыгын синтезларга мөмкин.
2.1.2 Синтез вакыты
Башка процесс шартлары үзгәрешсез кала, һәм синтез вакыты 4 сәгать, 8 сәгать һәм 12 сәгать итеп билгеләнә. Алынган SiC порошок үрнәкләрен алу анализы 2 нче рәсемдә күрсәтелгән. Синтез вакытының SiC кисәкчәләренең зурлыгына зур йогынты ясавы ачыкланган. Синтез вакыты 4 сәгать булганда, кисәкчәләр зурлыгы, нигездә, 200 мкм да бүленә; синтез вакыты 8 сәгать булганда, синтетик кисәкчәләр зурлыгы сизелерлек арта, нигездә, якынча 1000 мкм да бүленә; синтез вакыты арткан саен, кисәкчәләр зурлыгы тагын да арта, нигездә, якынча 2000 мкм да бүленә.
2.1.3 Чимал кисәкчәләре зурлыгының йогынтысы
Эчке кремний материалы җитештерү чылбыры әкренләп яхшырган саен, кремний материалларының сафлыгы да тагын да яхшыра. Хәзерге вакытта синтезда кулланыла торган кремний материаллары, нигездә, гранулалы кремний һәм порошоклы кремнийга бүленә, 3 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә.
Кремний карбиды синтезы экспериментларын үткәрү өчен төрле кремний чималы кулланылган. Синтетик продуктларны чагыштыру 4 нче рәсемдә күрсәтелгән. Анализ күрсәткәнчә, блок кремний чималын кулланганда, продуктта күп күләмдә Si элементлары була. Кремний блогы икенче тапкыр вакланганнан соң, синтетик продукттагы Si элементы сизелерлек кими, ләкин ул барыбер бар. Ниһаять, синтез өчен кремний порошогы кулланыла, һәм продуктта бары тик SiC гына була. Чөнки җитештерү процессында зур күләмле гранулалы кремний башта өслек синтезы реакциясен үтәргә тиеш, һәм өслектә кремний карбиды синтезлана, бу эчке Si порошогы белән C порошогы белән кушылуга комачаулый. Шуңа күрә, чимал буларак блок кремний кулланылса, аны вакларга һәм аннары кристалл үсү өчен кремний карбиды порошогы алу өчен икенчел синтез процессына дучар итәргә кирәк.
2.2 Порошок кристалл формасын контрольдә тоту
2.2.1 Синтез температурасының йогынтысы
Башка процесс шартлары үзгәрешсез сакланып, синтез температурасы 1500℃, 1700℃, 1900℃ һәм 2100℃, һәм барлыкка килгән SiC порошогы үрнәк итеп алына һәм анализлана. 5 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, β-SiC туфраксыман сары төстә, ә α-SiC ачык төстә. Синтезланган порошокның төсен һәм морфологиясен күзәтеп, синтезланган продуктның 1500℃ һәм 1700℃ температурада β-SiC булуын билгеләргә мөмкин. 1900℃ температурада төс ачыграк була, һәм алты почмаклы кисәкчәләр барлыкка килә, бу температура 1900℃ ка күтәрелгәннән соң фаза күчүе булуын һәм β-SiCның бер өлеше α-SiC га әйләнүен күрсәтә; температура 2100℃ ка күтәрелгәндә, синтезланган кисәкчәләрнең үтә күренмәле булуы һәм α-SiC нигездә әйләнүе ачыклана.
2.2.2 Синтез вакытының йогынтысы
Башка процесс шартлары үзгәрешсез кала, һәм синтез вакыты 4 сәгать, 8 сәгать һәм 12 сәгать итеп билгеләнә. Алынган SiC порошогы дифрактометр (XRD) ярдәмендә үрнәк алына һәм анализлана. Нәтиҗәләр 6 нчы рәсемдә күрсәтелгән. Синтез вакыты SiC порошогы белән синтезланган продуктка билгеле бер йогынты ясый. Синтез вакыты 4 сәгать һәм 8 сәгать булганда, синтетик продукт, нигездә, 6H-SiC була; синтез вакыты 12 сәгать булганда, продуктта 15R-SiC барлыкка килә.
2.2.3 Чимал нисбәтенең йогынтысы
Башка процесслар үзгәрешсез кала, кремний-углерод матдәләренең күләме анализлана, һәм синтез экспериментлары өчен нисбәтләр 1,00, 1,05, 1,10 һәм 1,15 тәшкил итә. Нәтиҗәләр 7 нче рәсемдә күрсәтелгән.
Рентген-күмер спектрыннан күренгәнчә, кремний-углерод нисбәте 1,05 тан артык булганда, продуктта артык Si барлыкка килә, ә кремний-углерод нисбәте 1,05 тан ким булганда, артык C барлыкка килә. Кремний-углерод нисбәте 1,05 булганда, синтетик продуктта ирекле углерод нигездә юкка чыга, һәм ирекле кремний барлыкка килми. Шуңа күрә югары чисталыктагы SiC синтезлау өчен кремний-углерод нисбәтенең күләм нисбәте 1,05 булырга тиеш.
2.3 Порошоктагы азот күләмен контрольдә тоту
2.3.1 Синтетик чимал
Бу экспериментта кулланылган чимал - югары сафлыктагы углерод порошогы һәм югары сафлыктагы кремний порошогы, аларның уртача диаметры 20 мкм. Кечкенә кисәкчәләр зурлыгы һәм зур чагыштырма өслек мәйданы аркасында, алар һавада N2 ны җиңел сеңдерә. Порошокны синтезлаганда, ул порошокның кристалл формасына китереләчәк. N-типтагы кристаллар үсүе өчен, порошокта N2 ның тигез булмаган катнашмасы кристаллның тигез булмаган каршылыгына һәм хәтта кристалл формасының үзгәрүенә китерә. Водород кертелгәннән соң синтезланган порошокның азот күләме шактый түбән. Бу водород молекулаларының күләме аз булу сәбәпле. Углерод порошогында һәм кремний порошогында адсорбцияләнгән N2 җылытылганда һәм өслектән таркалгач, H2 үзенең кечкенә күләме белән порошоклар арасындагы бушлыкка тулысынча тарала, N2 урынын алыштыра, һәм N2 вакуум процессында тигельдән чыга, азот күләмен бетерү максатына ирешә.
2.3.2 Синтез процессы
Кремний карбиды порошогын синтезлау барышында, углерод атомнары һәм азот атомнарының радиусы охшаш булганлыктан, азот кремний карбидындагы углерод вакансияләрен алыштырачак, шуның белән азот күләмен арттырачак. Бу эксперименталь процесс H2 кертү ысулын куллана, һәм H2 синтез тигелендә углерод һәм кремний элементлары белән реакциягә кереп, C2H2, C2H һәм SiH газларын барлыкка китерә. Углерод элементлары күләме газ фазасы аша арта, шуның белән углерод вакансияләре кими. Азотны бетерү максатына ирешелә.
2.3.3 Процесс фонындагы азот күләмен контрольдә тоту
Зур мәсамәле графит тигельләре газ фазасы компонентларында Si парын сеңдерү, газ фазасы компонентларында Si киметү һәм шулай итеп C/Si арттыру өчен өстәмә C чыганаклары буларак кулланылырга мөмкин. Шул ук вакытта, графит тигельләре Si атмосферасы белән реакциягә кереп, Si2C, SiC2 һәм SiC барлыкка китерә ала, бу Si атмосферасының C чыганагын графит тигельдән үсеш атмосферасына китерүенә, C нисбәтен арттыруына һәм шулай ук углерод-кремний нисбәтен арттыруына тиң. Шуңа күрә, углерод-кремний нисбәтен зур мәсамәле графит тигельләрен кулланып, углерод вакансияләрен киметеп һәм азотны бетерү максатына ирешеп арттырырга мөмкин.
3 Монокристалл порошок синтезы процессын анализлау һәм проектлау
3.1 Синтез процессы принцибы һәм дизайны
Порошок синтезының кисәкчәләр зурлыгын, кристалл формасын һәм азот микъдарын контрольдә тоту буенча югарыда телгә алынган комплекслы тикшеренү аша синтез процессы тәкъдим ителә. Югары чисталыктагы C порошогы һәм Si порошогы сайлана, алар тигез кушыла һәм 1,05 кремний-углерод нисбәте буенча графит тигельгә тутырыла. Процесс этаплары, нигездә, дүрт этапка бүленә:
1) Түбән температуралы денитрификация процессы, 5×10-4 Па га кадәр вакуум белән чистарту, аннары водород кертү, камера басымын якынча 80 кПа итү, 15 минут дәвамында саклап тору һәм дүрт тапкыр кабатлау. Бу процесс углерод порошогы һәм кремний порошогы өслегендәге азот элементларын бетерә ала.
2) Югары температуралы денитрификация процессы, 5 × 10-4 Па га кадәр вакуум белән чистарту, аннары 950 ℃ га кадәр җылыту, аннары водород кертү, камера басымын якынча 80 кПа итү, 15 минут дәвамында саклау һәм дүрт тапкыр кабатлау. Бу процесс углерод порошогы һәм кремний порошогы өслегендәге азот элементларын бетерә һәм җылылык кырында азотны кузгата ала.
3) Түбән температуралы фаза синтезы процессы, 5 × 10-4 Па га кадәр бушату, аннары 1350℃ га кадәр җылыту, 12 сәгать тоту, аннары камера басымын якынча 80 кПа итү өчен водород кертү, 1 сәгать тоту. Бу процесс синтез процессында парга әйләнгән азотны бетерә ала.
4) Югары температуралы фаза процессын синтезлау, билгеле бер газ күләме агымы нисбәте белән югары сафлыклы водород һәм аргон катнаш газын тутыру, камера басымын якынча 80 кПа итү, температураны 2100℃ кадәр күтәрү, 10 сәгать тоту. Бу процесс кремний карбиды порошогын β-SiC дан α-SiC га үзгәртүне тәмамлый һәм кристалл кисәкчәләренең үсешен тәмамлый.
Ниһаять, камера температурасы бүлмә температурасына кадәр суынганчы көтегез, атмосфера басымына кадәр тутырыгыз һәм порошокны алыгыз.
3.2 Порошокны эшкәртүдән соңгы процесс
Порошок югарыда күрсәтелгән процесс белән синтезланганнан соң, аны ирекле углерод, кремний һәм башка металл катнашмаларын бетерү һәм кисәкчәләрнең зурлыгын тикшерү өчен эшкәртү кирәк. Башта синтезланган порошок шарлы тегермәнгә ваклау өчен урнаштырыла, ә вакланган кремний карбиды порошогы муфель миченә урнаштырыла һәм кислород белән 450°C кадәр җылытыла. Порошоктагы ирекле углерод җылылык белән оксидлаша һәм камерадан чыккан углерод диоксиды газын барлыкка китерә, шулай итеп ирекле углеродны бетерүгә ирешелә. Аннары кислоталы чистарту сыекчасы әзерләнә һәм синтез процессында барлыкка килгән углерод, кремний һәм калдык металл катнашмаларын бетерү өчен чистарту өчен кремний карбиды кисәкчәләрен чистарту машинасына урнаштырыла. Шуннан соң калдык кислота саф суда юыла һәм киптерелә. Киптерелгән порошок кристалл үсеше өчен кисәкчәләрнең зурлыгын сайлау өчен тибрәнү экранында тикшерелә.
Бастырылган вакыты: 2024 елның 8 августы