En tant que l'un des matériaux représentatifs des semi-conducteurs de troisième génération, le carbure de silicium convient à la production de dispositifs électroniques intégrés à haute température, haute fréquence, anti-rayonnement, haute puissance et haute densité. Actuellement, le matériau de substrat monocristallin de carbure de silicium utilisé dans la production de dispositifs est généralement mis à croître par la méthode PVT (Physical Vapor Transport). Des études ont montré que la pureté de la poudre de SiC et d'autres paramètres tels que la taille des particules et le type de cristal ont un certain impact sur la qualité des monocristaux de SiC cultivés par la méthode PVT et même sur la qualité des dispositifs ultérieurs. Cet article se concentre principalement sur le processus de synthèse de poudre de SiC de haute pureté pour la croissance monocristalline par la méthode PVT.
Méthode de synthèse de poudre de SiC
Il existe de nombreuses façons de synthétiser la poudre de SiC. D'une manière générale, il peut être divisé en trois méthodes. La première méthode est la méthode en phase solide, parmi lesquelles la méthode de réduction carbothermique représentative, la méthode de synthèse auto-propagée à haute température et la méthode de pulvérisation mécanique; la deuxième méthode est la méthode en phase liquide, dont la méthode représentative est principalement la méthode de coagulation sol-colle et la méthode de décomposition thermique des polymères; la troisième méthode est la méthode en phase gazeuse, y compris la méthode de dépôt chimique en phase vapeur, la méthode au plasma et la méthode d'induction laser.
1. Avantages et inconvénients des diverses méthodes
La poudre de carbure de silicium synthétisée par le procédé en phase solide est plus économique, avec une large gamme de matières premières et des prix bas, et est facile à produire industriellement. Cependant, la poudre de carbure de silicium synthétisée par ce procédé a une teneur élevée en impuretés et une qualité médiocre; la méthode d'auto-propagation à haute température utilise La température élevée donne aux réactifs la chaleur initiale pour démarrer la réaction chimique, puis utilise leur propre chaleur de réaction chimique pour que les substances n'ayant pas réagi continuent à compléter la réaction chimique. Cependant, étant donné que la réaction chimique de Si et C émet moins de chaleur, d'autres additifs doivent être ajoutés pour maintenir la réaction d'auto-propagation, qui introduit inévitablement des éléments d'impureté, et ce procédé provoque facilement une réaction inégale.
À l'heure actuelle, la technologie de synthèse de la poudre de carbure de silicium par le procédé en phase liquide est relativement mature. La poudre de carbure de silicium synthétisée par la méthode en phase liquide est une poudre fine très pure et de taille nanométrique, mais le processus est plus compliqué et il est facile de produire des substances nocives pour le corps humain.
La poudre de carbure de silicium synthétisée par le procédé en phase gazeuse a une grande pureté et une petite taille de particules, qui est un procédé courant pour synthétiser une poudre de carbure de silicium de haute pureté. Cependant, ce procédé de synthèse a un coût élevé et un faible rendement et ne convient pas à une production de masse.
2. Équipement de synthèse de poudre de carbure de silicium
Un équipement de synthèse de poudre de carbure de silicium est utilisé pour préparer la poudre de carbure de silicium nécessaire à la croissance de monocristaux de carbure de silicium. La poudre de carbure de silicium de haute qualité joue un rôle important dans la croissance ultérieure du carbure de silicium.
La synthèse de la poudre de carbure de silicium adopte la réaction directe de la poudre de carbone de haute pureté et de la poudre de silicium, et est produite par un procédé de synthèse à haute température. Les principales difficultés techniques des équipements de synthèse de poudre de carbure de silicium sont le scellage et le contrôle à haute température et sous vide poussé, le refroidissement par eau de la chambre à vide, les systèmes de vide et de mesure, les systèmes de contrôle électrique, le chauffage du creuset de synthèse de poudre et la technologie de couplage.
Actuellement, les principaux fabricants étrangers comprennent Cree, Aymont, etc., et la pureté de la poudre synthétique peut atteindre 99,9995%. Les principales unités nationales comprennent le deuxième Institut chinois de recherche sur l'énergie électrique, Shandong Tianyue, Tianke Heda et l'Institut chinois de la céramique de l'Académie des sciences. La pureté peut généralement atteindre 99,999% et certaines unités peuvent atteindre 99,9995%.
Méthode de synthèse de poudre de SiC haute pureté
1. Méthode CVD
À l'heure actuelle, les méthodes de synthèse de poudre de SiC de haute pureté utilisées pour la croissance de monocristaux comprennent principalement: la méthode CVD et la méthode de synthèse à auto-propagation améliorée (également appelée méthode de synthèse à haute température ou méthode de combustion).
Parmi eux, la source de Si pour la synthèse CVD de poudre de SiC comprend généralement du silane et du tétrachlorure de silicium, tandis que la source C utilise généralement du tétrachlorure de carbone, du méthane, de l'éthylène, de l'acétylène et du propane, tandis que le diméthyldichlorosilane et le tétraméthylsilane Et ainsi de suite peuvent fournir une source de Si et C source en même temps.
SashiroEzaki et coll. utilisé la méthode CVD, en utilisant du graphite en paillettes comme substrat, du méthylchloroéthane / hydrogène comme gaz de réaction et gaz porteur, et déposé un film de SiC à 1250 ～ 1350 ℃, puis à travers les processus d'oxydation, de décapage et de pulvérisation, les particules ont été obtenues . Poudre de SiC d'un diamètre de 200 ～ 1200μm.
Bien que ce procédé produise une poudre de SiC de haute pureté, le processus ultérieur est compliqué, les matières premières sont chères et le rendement est faible.
WZZhu et coll. a utilisé la méthode CVD, utilisant du silane et de l'acétylène comme gaz de réaction et de l'hydrogène comme gaz porteur, pour synthétiser une poudre de SiC ultra-fine et de haute pureté à 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et coll. utilisé de l'hexaméthylsilane comme source de réaction, de l'hydrogène et de l'argon comme gaz porteur, et également synthétisé de la poudre de SiC ultra-fine et de haute pureté à 1050 à 1250 ° C en utilisant la méthode CVD.
Les membres des deux groupes de recherche ci-dessus ont utilisé la méthode CVD pour synthétiser de la poudre de SiC de haute pureté en utilisant des sources de gaz organiques. Cependant, la poudre synthétisée est une poudre ultra-fine de niveau nanométrique. Bien qu'il ait une grande pureté, il n'est pas facile à collecter et ne convient pas à la production à grande échelle et à grand volume. La synthèse de poudre de SiC pure n'est pas propice au développement d'une industrialisation ultérieure.
2. Synthèse auto-propagée
La précédente méthode de synthèse auto-propagée est une méthode d'allumage du corps réactif avec une source de chauffage externe, puis en utilisant la chaleur de réaction chimique de sa propre substance pour faire continuer le processus de réaction chimique suivant spontanément, synthétisant ainsi des matériaux.
La plupart de cette méthode utilise de la poudre de silicium et du noir de carbone comme matières premières, et ajoute d'autres activateurs pour réagir directement à une vitesse significative à 1000-1150 ° C pour produire de la poudre de SiC. L'introduction d'activateurs affectera inévitablement la pureté et la qualité des produits synthétisés.
Par conséquent, de nombreux chercheurs ont proposé une méthode de synthèse auto-propagée améliorée sur cette base. L'amélioration consiste principalement à éviter l'introduction d'activateurs, et à assurer la progression continue et efficace de la réaction de synthèse en augmentant la température de synthèse et en apportant en permanence un chauffage.
Dès 1999, la société japonaise Bridgestone a utilisé du tétraéthoxysilane comme source de silicium et de la résine phénolique comme source de carbone. En utilisant la méthode de combustion dans la gamme de 1700-2000 ℃, a synthétisé la taille des particules de 10-500μm, la qualité de la poudre de SiC de teneur en impuretés avec une fraction inférieure à 0,5 × 10-6.
Cependant, les réactifs de ce procédé utilisent des substances organiques, de sorte que le coût des matières premières est relativement élevé, ce qui n'est pas propice à la production de masse de poudre de SiC.
Des chercheurs de l'Institut de recherche sur le silicium de l'Académie chinoise des sciences ont utilisé de la poudre de Si et de la poudre C avec des fractions massiques de matière première de 99,9% ou plus pour synthétiser une fraction massique de 99,999% de poudre de SiC adaptée à la croissance monocristalline par réaction à haute température dans un Atmosphère Ar.
Ning Lina de l'Université du Shandong et d'autres ont uniformément mélangé de la poudre de Si et de la poudre C avec un rapport molaire de 1: 1. En utilisant le procédé de réaction secondaire, la poudre de SiC a été synthétisée à haute température.
LiWANG et d'autres utilisent du charbon actif (granulométrie 20-100 μm) et du graphite en flocons (granulométrie 5-25 μm) comme source de carbone (fraction massique 99,9%) et du silicium de haute pureté comme source de silicium (granulométrie 10-270 μm, fraction massique 99,999%)).
Une poudre de SiC de haute pureté a été préparée dans un four de frittage à haute température sous vide sous atmosphère d'argon à 1900 ° C.
LihuanWANG et coll. utilisé de la poudre de silicium (fraction massique 99,999%, particules 5-10 μm) et de la poudre de carbone (fraction massique 99,999%, particules 5-20 μm) pour synthétiser de la poudre SiC haute pureté par un procédé de synthèse de combustion par chauffage à fréquence intermédiaire.
Li Bin du deuxième institut de recherche de China Electronics Technology Group Corporation a utilisé une méthode d'auto-propagation pour synthétiser de la poudre de carbure de silicium pour la croissance monocristalline. Dans des expériences, on a trouvé que la pureté de la poudre de carbure de silicium synthétisée dans des conditions de vide poussé est meilleure que celle de la poudre de carbure de silicium synthétisée dans des conditions de gaz porteur ouvert. En particulier, des conditions de vide poussé aident à réduire la concentration de N dans la poudre de carbure de silicium.
De plus, des monocristaux de carbure de silicium ont été cultivés en utilisant de la poudre de carbure de silicium synthétisée dans des conditions de vide poussé. Les résultats ont montré que les monocristaux de carbure de silicium cultivés avaient une grande pureté et d'excellentes propriétés semi-isolantes, ce qui répondait aux exigences des dispositifs associés pour les substrats semi-isolants. Exigences électriques. On peut voir que la poudre de carbure de silicium synthétisée dans des conditions de vide poussé est bénéfique pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium semi-isolants de haute pureté.
Perspective du processus de synthèse de poudre de SiC haute pureté
Le procédé d'auto-propagation amélioré pour synthétiser SiC a des matières premières relativement faibles et des procédures relativement simples. Il s'agit actuellement d'une méthode couramment utilisée dans les laboratoires pour faire pousser des monocristaux afin de synthétiser de la poudre de SiC. Au cours du processus de synthèse, on constate que différents paramètres du processus de synthèse ont une certaine influence sur le produit synthétisé. .
À l'avenir, la recherche doit être renforcée dans les domaines suivants:
1. Recherche approfondie sur le mécanisme du processus de synthèse de poudre de SiC de haute pureté, renforçant en particulier la recherche théorique de base sur le contrôle efficace de la taille, de la forme, de la distribution granulométrique et de la pureté des particules de poudre.
2. Renforcer davantage la recherche sur l'amélioration du processus spécifique de synthèse auto-propagée de la poudre de SiC, afin de préparer une poudre de SiC de haute pureté adaptée à la croissance de SiC monocristallin avec une bonne qualité et une grande pureté sur la base d'un processus simple et à faible coût Par conséquent, il peut améliorer efficacement la qualité de croissance des substrats monocristallins de SiC et promouvoir le développement de l # 39; industrie des dispositifs à base de SiC de mon pays.
