Als eines der repräsentativen Materialien für Halbleiter der dritten Generation eignet sich Siliziumkarbid zur Herstellung von integrierten elektronischen Geräten mit hoher Temperatur, hoher Frequenz, Antistrahlung, hoher Leistung und hoher Dichte. Gegenwärtig wird das bei der Herstellung von Bauelementen verwendete Siliziumkarbid-Einkristallsubstratmaterial im Allgemeinen nach dem PVT-Verfahren (Physical Vapor Transport) gezüchtet. Studien haben gezeigt, dass die Reinheit des SiC-Pulvers und andere Parameter wie Partikelgröße und Kristalltyp einen gewissen Einfluss auf die Qualität der nach dem PVT-Verfahren gezüchteten SiC-Einkristalle und sogar auf die Qualität nachfolgender Vorrichtungen haben. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf den Synthesevorgang von hochreinem SiC-Pulver für das Einkristallwachstum nach der PVT-Methode.
SiC-Pulversynthesemethode
Es gibt viele Möglichkeiten, SiC-Pulver zu synthetisieren. Im Allgemeinen kann es grob in drei Methoden unterteilt werden. Das erste Verfahren ist das Festphasenverfahren, zu dem das repräsentative carbothermische Reduktionsverfahren, das sich selbst ausbreitende Hochtemperatursyntheseverfahren und das mechanische Pulverisierungsverfahren gehören; das zweite Verfahren ist das Flüssigphasenverfahren, von dem das repräsentative Verfahren hauptsächlich das Sol-Koagulations-Klebeverfahren und das thermische Zersetzungsverfahren des Polymers ist; Die dritte Methode ist die Gasphasenmethode, einschließlich der chemischen Gasphasenabscheidungsmethode, der Plasmamethode und der Laserinduktionsmethode.
1. Vor- und Nachteile verschiedener Methoden
Das nach dem Festphasenverfahren synthetisierte Siliciumcarbidpulver ist wirtschaftlicher, mit einer breiten Palette von Rohstoffen und niedrigen Preisen und leicht industriell herzustellen. Das nach diesem Verfahren synthetisierte Siliciumcarbidpulver weist jedoch einen hohen Verunreinigungsgehalt und eine geringe Qualität auf; Das Hochtemperatur-Selbstausbreitungsverfahren verwendet Die Hochtemperatur gibt den Reaktanten die anfängliche Wärme, um die chemische Reaktion zu starten, und verwendet dann ihre eigene chemische Reaktionswärme, um die nicht umgesetzten Substanzen dazu zu bringen, die chemische Reaktion weiter zu vervollständigen. Da die chemische Reaktion von Si und C jedoch weniger Wärme abgibt, müssen andere Additive zugesetzt werden, um die sich selbst ausbreitende Reaktion aufrechtzuerhalten, die unvermeidlich Verunreinigungselemente einführt, und dieses Verfahren verursacht leicht eine ungleichmäßige Reaktion.
Gegenwärtig ist die Technologie zur Synthese von Siliciumcarbidpulver nach dem Flüssigphasenverfahren relativ ausgereift. Das durch das Flüssigphasenverfahren synthetisierte Siliciumcarbidpulver ist ein hochreines und feines Pulver in Nanogröße, aber das Verfahren ist komplizierter und es ist leicht, schädliche Substanzen für den menschlichen Körper herzustellen.
Das durch das Gasphasenverfahren synthetisierte Siliciumcarbidpulver weist eine hohe Reinheit und eine kleine Teilchengröße auf, was ein übliches Verfahren zum Synthetisieren von hochreinem Siliciumcarbidpulver ist. Dieses Syntheseverfahren hat jedoch hohe Kosten und geringe Ausbeute und ist nicht für die Massenproduktion geeignet.
2. Siliziumkarbidpulversynthesegeräte
Siliziumkarbidpulversyntheseausrüstung wird verwendet, um Siliziumkarbidpulver herzustellen, das zum Züchten von Siliziumkarbid-Einkristallen erforderlich ist. Hochwertiges Siliciumcarbidpulver spielt eine wichtige Rolle für das anschließende Wachstum von Siliciumcarbid.
Die Synthese von Siliciumcarbidpulver nimmt die direkte Reaktion von hochreinem Kohlenstoffpulver und Siliciumpulver an und wird durch ein Hochtemperatursyntheseverfahren hergestellt. Die technischen Hauptschwierigkeiten von Siliziumkarbidpulversynthesegeräten sind Hochtemperatur- und Hochvakuumversiegelung und -steuerung, Vakuumkammerwasserkühlung, Vakuum- und Messsysteme, elektrische Steuerungssysteme, Pulversynthesetiegelheizung und Kupplungstechnologie.
Derzeit gehören zu den wichtigsten ausländischen Herstellern Cree, Aymont usw., und die Reinheit von synthetischem Pulver kann 99,9995% erreichen. Zu den wichtigsten inländischen Einheiten gehören das Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda und das Institut für Keramik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Die Reinheit kann im Allgemeinen 99,999% erreichen, und einige Einheiten können 99,9995% erreichen.
Hochreines SiC-Pulversynthesemethode
1. CVD-Methode
Gegenwärtig umfassen die Synthesemethoden für hochreines SiC-Pulver, das zum Züchten von Einkristallen verwendet wird, hauptsächlich: CVD-Methode und verbesserte selbstausbreitende Synthesemethode (auch als Hochtemperatursynthesemethode oder Verbrennungsmethode bezeichnet).
Unter diesen umfasst die Si-Quelle für die CVD-Synthese von SiC-Pulver im Allgemeinen Silan und Siliciumtetrachlorid, während die C-Quelle im Allgemeinen Tetrachlorkohlenstoff, Methan, Ethylen, Acetylen und Propan verwendet, während Dimethyldichlorsilan und Tetramethylsilan und so weiter Si-Quelle und C bereitstellen können Quelle zur gleichen Zeit.
SashiroEzaki et al. verwendeten das CVD-Verfahren unter Verwendung von Flockengraphit als Substrat, Methylchlorethan / Wasserstoff als Reaktionsgas und Trägergas und lagerten einen SiC-Film bei 1250 bis 1350 ab, und dann wurden durch die Prozesse der Oxidation, Beizung und Pulverisierung die Partikel erhalten . SiC-Pulver mit einem Durchmesser von 200 bis 1200 um.
Obwohl dieses Verfahren hochreines SiC-Pulver erzeugt, ist das nachfolgende Verfahren kompliziert, die Rohstoffe sind teuer und die Ausbeute ist gering.
WZZhu et al. verwendeten das CVD-Verfahren unter Verwendung von Silan und Acetylen als Reaktionsgas und Wasserstoff als Trägergas, um ultrafeines und hochreines SiC-Pulver bei 1200-1400ºC zu synthetisieren.
AparnaGupta et al. verwendeten Hexamethylsilan als Reaktionsquelle, Wasserstoff und Argon als Trägergas und synthetisierten auch ultrafeines und hochreines SiC-Pulver bei 1050 bis 1250 ° C unter Verwendung des CVD-Verfahrens.
Die Mitglieder der beiden oben genannten Forschungsgruppen haben die CVD-Methode verwendet, um hochreines SiC-Pulver unter Verwendung organischer Gasquellen zu synthetisieren. Das synthetisierte Pulver ist jedoch ultrafeines Pulver auf Nanoebene. Obwohl es eine hohe Reinheit aufweist, ist es nicht leicht zu sammeln und eignet sich nicht für die Massenproduktion in großem Maßstab. Die Synthese von reinem SiC-Pulver ist der Entwicklung einer späteren Industrialisierung nicht förderlich.
2. Selbstausbreitende Synthese
Das bisherige selbstausbreitende Syntheseverfahren ist ein Verfahren zum Zünden des Reaktantenkörpers mit einer externen Heizquelle und anschließendes Verwenden der chemischen Reaktionswärme seiner eigenen Substanz, um den nachfolgenden chemischen Reaktionsprozess spontan fortzusetzen und dadurch Materialien zu synthetisieren.
Die meisten dieser Verfahren verwenden Siliziumpulver und Ruß als Rohstoffe und fügen andere Aktivatoren hinzu, um direkt mit einer signifikanten Geschwindigkeit bei 1000 bis 1150 ° C zu reagieren und SiC-Pulver herzustellen. Die Einführung von Aktivatoren wird unweigerlich die Reinheit und Qualität der synthetisierten Produkte beeinflussen.
Daher haben viele Forscher auf dieser Basis eine verbesserte selbstausbreitende Synthesemethode vorgeschlagen. Die Verbesserung besteht hauptsächlich darin, die Einführung von Aktivatoren zu vermeiden und den kontinuierlichen und wirksamen Fortschritt der Synthesereaktion durch Erhöhen der Synthesetemperatur und kontinuierliche Zufuhr von Wärme sicherzustellen.
Bereits 1999 verwendete die japanische Bridgestone Company Tetraethoxysilan als Siliziumquelle und Phenolharz als Kohlenstoffquelle. Unter Verwendung des Verbrennungsverfahrens im Bereich von 1700 bis 2000 um synthetisierte die Partikelgröße von 10 bis 500 um die Qualität des SiC-Pulvers mit Verunreinigungsgehalt mit einem Anteil von weniger als 0,5 · 10 & supmin; & sup6;.
Die Reaktanten dieses Verfahrens verwenden jedoch organische Substanzen, so dass die Rohstoffkosten relativ hoch sind, was der Massenproduktion von SiC-Pulver nicht förderlich ist.
Forscher des Instituts für Siliziumforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendeten Si-Pulver und C-Pulver mit Rohmaterialmassenanteilen von 99,9% oder mehr, um einen 99,999% igen Massenanteil von SiC-Pulver zu synthetisieren, der für das Einkristallwachstum durch Hochtemperaturreaktion in einem geeignet ist Ar Atmosphäre.
Ning Lina von der Shandong University und andere mischten Si-Pulver und C-Pulver gleichmäßig mit einem Molverhältnis von 1: 1. Unter Verwendung des Sekundärreaktionsverfahrens wurde SiC-Pulver bei hoher Temperatur synthetisiert.
LiWANG und andere verwenden Aktivkohle (Partikelgröße 20-100 μm) und Flockengraphit (Partikelgröße 5-25 μm) als Kohlenstoffquelle (Massenanteil 99,9%) und hochreines Silizium als Siliziumquelle (Partikelgröße 10-270 μm, Massenanteil) 99,999%)).
Hochreines SiC-Pulver wurde in einem Vakuum-Hochtemperatur-Sinterofen unter Argonatmosphäre bei 1900 ° C hergestellt.
LihuanWANG et al. verwendeten Siliziumpulver (Massenanteil 99,999%, Partikel 5-10 um) und Kohlenstoffpulver (Massenanteil 99,999%, Partikel 5-20 um), um hochreines SiC-Pulver durch ein Zwischenfrequenz-Heizverbrennungssyntheseverfahren zu synthetisieren.
Li Bin vom zweiten Forschungsinstitut der Electronics Technology Group Corporation in China verwendete ein Selbstausbreitungsverfahren, um Siliciumcarbidpulver für das Einkristallwachstum zu synthetisieren. In Experimenten wurde gefunden, dass die Reinheit des unter Hochvakuumbedingungen synthetisierten Siliciumcarbidpulvers besser ist als die des unter Open-Carrier-Gas-Bedingungen synthetisierten Siliciumcarbidpulvers. Insbesondere Hochvakuumbedingungen tragen dazu bei, die N-Konzentration in Siliciumcarbidpulver zu verringern.
Zusätzlich wurden Siliciumcarbid-Einkristalle unter Verwendung von Siliciumcarbidpulver gezüchtet, das unter Hochvakuumbedingungen synthetisiert wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die gewachsenen Siliciumcarbid-Einkristalle eine hohe Reinheit und ausgezeichnete halbisolierende Eigenschaften aufwiesen, die die Anforderungen verwandter Vorrichtungen für halbisolierende Substrate erfüllten. Elektrische Anforderungen. Es ist ersichtlich, dass das unter Hochvakuumbedingungen synthetisierte Siliciumcarbidpulver für das Wachstum von hochreinen halbisolierenden Siliciumcarbid-Einkristallen vorteilhaft ist.
Aussicht auf den Synthesevorgang von hochreinem SiC-Pulver
Das verbesserte Selbstausbreitungsverfahren zur Synthese von SiC weist relativ geringe Rohstoffe und relativ einfache Verfahren auf. Es ist derzeit eine übliche Methode, die in Laboratorien zum Züchten von Einkristallen zur Synthese von SiC-Pulver verwendet wird. Während des Synthesevorgangs zeigt sich, dass unterschiedliche Parameter des Synthesevorgangs einen gewissen Einfluss auf das synthetisierte Produkt haben. .
In Zukunft muss die Forschung in folgenden Bereichen verstärkt werden:
1. Eingehende Forschung zum Mechanismus des hochreinen SiC-Pulversyntheseverfahrens, insbesondere zur Stärkung der theoretischen Grundlagenforschung zur wirksamen Kontrolle von Partikelgröße, Form, Partikelgrößenverteilung und Reinheit des Pulvers.
2. Die Forschung zur Verbesserung des spezifischen Prozesses der selbstausbreitenden Synthese von SiC-Pulver weiter verstärken, um hochreines SiC-Pulver herzustellen, das für das Einkristall-SiC-Wachstum mit guter Qualität und hoher Reinheit auf der Grundlage kostengünstiger und einfacher Verfahren geeignet ist Daher kann es die Wachstumsqualität von SiC-Einkristallsubstraten effektiv verbessern und die Entwicklung der SiC-basierten Bauindustrie meines Landes fördern.
