Sebagai salah satu bahan perwakilan semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida cocok untuk produksi perangkat elektronik terintegrasi bersuhu tinggi, frekuensi tinggi, anti-radiasi, berdaya tinggi dan kepadatan tinggi. Saat ini, bahan substrat kristal tunggal karbida silikon yang digunakan dalam produksi perangkat umumnya ditanam dengan metode PVT (Physical Vapor Transport). Penelitian telah menunjukkan bahwa kemurnian bubuk SiC dan parameter lain seperti ukuran partikel dan jenis kristal memiliki dampak tertentu pada kualitas kristal tunggal SiC yang ditanam oleh metode PVT dan bahkan kualitas perangkat berikutnya. Artikel ini terutama berfokus pada proses sintesis bubuk SiC kemurnian tinggi untuk pertumbuhan kristal tunggal dengan metode PVT.
Metode sintesis bubuk SiC
Ada banyak cara untuk mensintesis bubuk SiC. Secara umum, itu dapat dibagi secara kasar menjadi tiga metode. Metode pertama adalah metode fase padat, di antaranya metode pengurangan karbotermal perwakilan, metode sintesis suhu tinggi yang merambat sendiri dan metode pulverisasi mekanis; metode kedua adalah metode fase cair, di mana metode perwakilan terutama metode Lem koagulasi sol dan metode dekomposisi termal polimer; metode ketiga adalah metode fase gas, termasuk metode pengendapan uap kimia, metode plasma dan metode induksi laser.
1. Keuntungan dan kerugian dari berbagai metode
Bubuk karbida silikon yang disintesis oleh metode fase padat lebih ekonomis, dengan berbagai bahan baku dan harga rendah, dan mudah diproduksi secara industri. Namun, bubuk karbida silikon yang disintesis oleh metode ini memiliki kandungan ketidakmungharan yang tinggi dan kualitas rendah; metode self-propagating suhu tinggi menggunakan Suhu tinggi memberikan reaktan panas awal untuk memulai reaksi kimia, dan kemudian menggunakan panas reaksi kimia mereka sendiri untuk membuat zat yang tidak direaksi terus menyelesaikan reaksi kimia. Namun, karena reaksi kimia Si dan C memancarkan lebih sedikit panas, aditif lain harus ditambahkan untuk mempertahankan reaksi yang merambat sendiri, yang pasti memperkenalkan elemen ketidakberniagaan, dan metode ini dengan mudah menyebabkan reaksi yang tidak merata.
Saat ini, teknologi untuk mensintesis bubuk karbida silikon dengan metode fase cair relatif matang. Bubuk karbida silikon yang disintesis oleh metode fase cair sangat murni dan bubuk halus berukuran nano, tetapi prosesnya lebih rumit dan mudah untuk menghasilkan zat berbahaya bagi tubuh manusia.
Bubuk karbida silikon yang disintesis oleh metode fase gas memiliki kemurnian tinggi dan ukuran partikel kecil, yang merupakan metode umum untuk mensintesis bubuk karbida silikon kemurnian tinggi. Namun, metode sintesis ini memiliki biaya tinggi dan hasil rendah, dan tidak cocok untuk produksi massal.
2. Peralatan sintesis bubuk karbida silikon
Peralatan sintesis bubuk karbida silikon digunakan untuk menyiapkan bubuk karbida silikon yang diperlukan untuk menumbuhkan kristal tunggal karbida silikon. Bubuk karbida silikon berkualitas tinggi memainkan peran penting dalam pertumbuhan karbida silikon berikutnya.
Sintesis bubuk karbida silikon mengadopsi reaksi langsung dari bubuk karbon kemurnian tinggi dan bubuk silikon, dan diproduksi dengan metode sintesis suhu tinggi. Kesulitan teknis utama peralatan sintesis bubuk karbida silikon adalah suhu tinggi dan penyegelan dan kontrol vakum tinggi, pendinginan air ruang vakum, sistem vakum dan pengukuran, sistem kontrol listrik, sintesis bubuk crucible heating dan teknologi konektor.
Saat ini, produsen asing utama termasuk Cree, Aymont, dll., dan kemurnian bubuk sintetis bisa mencapai 99,9995%. Unit domestik utama termasuk Second China Electric Power Research Institute, Shandong Tianyue, Tianke Heda dan Chinese Academy of Sciences Institute of Ceramics. Kemurnian umumnya bisa mencapai 99,999%, dan beberapa unit bisa mencapai 99,9995%.
Metode sintesis bubuk SiC kemurnian tinggi
1. Metode CVD
Saat ini, metode sintesis bubuk SiC kemurnian tinggi yang digunakan untuk menumbuhkan kristal tunggal terutama termasuk: metode CVD dan metode sintesis propagating mandiri yang ditingkatkan (juga disebut metode sintesis suhu tinggi atau metode pembakaran).
Di antaranya, sumber Si untuk sintesis CVD bubuk SiC umumnya mencakup silan dan silikon tetrachloride, sedangkan sumber C umumnya menggunakan karbon tetrachloride, metana, etilen, asetilen, dan propana, sedangkan dimethyldichlorosilane dan tetramethylsilane Dan sebagainya dapat menyediakan sumber Si dan sumber C pada saat yang sama.
SashiroEzaki dkk menggunakan metode CVD, menggunakan grafit serpihan sebagai substrat, metil kloroettan/ hidrogen sebagai gas reaksi dan gas pembawa, dan menyimpan film SiC pada 1250 ~ 1350 ° C, dan kemudian melalui proses oksidasi, acar dan pulverisasi, partikel diperoleh. Bubuk SiC dengan diameter 200 ~ 1200μm.
Meskipun metode ini menghasilkan bubuk SiC kemurnian tinggi, proses berikutnya rumit, bahan bakunya mahal, dan hasilnya rendah.
W.Z.Zhu dkk menggunakan metode CVD, menggunakan silan dan asetilen sebagai gas reaksi, dan hidrogen sebagai gas pembawa, untuk mensintesis bubuk SiC ultra-halus dan kemurnian tinggi pada 1200-1400 ° C.
AparnaGupta dkk menggunakan hexamethylsilane sebagai sumber reaksi, hidrogen dan argon sebagai gas pembawa, dan juga mensintesis bubuk SiC ultra-halus dan kemurnian tinggi pada 1050 hingga 1250 ° C menggunakan metode CVD.
Anggota dari dua kelompok penelitian di atas telah menggunakan metode CVD untuk mensintesis bubuk SiC kemurnian tinggi menggunakan sumber gas organik. Namun, bubuk yang disintesis adalah bubuk ultra-halus tingkat nano. Meskipun memiliki kemurnian tinggi, tidak mudah untuk mengumpulkan dan tidak cocok untuk produksi volume tinggi skala besar. Sintesis bubuk SiC murni tidak kondusif untuk pengembangan industrialisasi nantinya.
2. Sintesis propagating sendiri
Metode sintesis propagating sendiri sebelumnya adalah metode menyalakan tubuh reaktif dengan sumber pemanas eksternal, dan kemudian menggunakan panas reaksi kimia dari zatnya sendiri untuk membuat proses reaksi kimia berikutnya berlanjut secara spontan, sehingga mensintesis bahan.
Sebagian besar metode ini menggunakan bubuk silikon dan karbon hitam sebagai bahan baku, dan menambahkan aktivator lain untuk langsung bereaksi pada kecepatan signifikan pada 1000-1150 ° C untuk menghasilkan bubuk SiC. Pengenalan aktivator pasti akan mempengaruhi kemurnian dan kualitas produk yang disintesis.
Oleh karena itu, banyak peneliti telah mengusulkan metode sintesis penyebar diri yang ditingkatkan atas dasar ini. Peningkatan terutama untuk menghindari pengenalan aktivator, dan untuk memastikan kemajuan reaksi sintesis yang berkelanjutan dan efektif dengan meningkatkan suhu sintesis dan terus memasok pemanasan.
Pada awal 1999, Perusahaan Bridgestone Jepang menggunakan tetraethoxysilane sebagai sumber silikon dan resin fenol sebagai sumber karbon. Menggunakan metode pembakaran pada kisaran 1700-2000 °C, disintesis ukuran partikel 10-500μm, kualitas kandungan ketidakakuratan bubuk SiC dengan pecahan lebih rendah dari 0,5×10-6.
Namun, reaktif metode ini menggunakan zat organik, sehingga biaya bahan baku relatif tinggi, yang tidak kondusif untuk produksi massal bubuk SiC.
Para peneliti dari Institute of Silicon Research of the Chinese Academy of Sciences menggunakan bubuk Si dan bubuk C dengan fraksi massa bahan baku sebesar 99,9% atau lebih untuk mensintesis pecahan massa 99,999% dari bubuk SiC yang cocok untuk pertumbuhan kristal tunggal dengan reaksi suhu tinggi di atmosfer Ar.
Ning Lina dari Universitas Shandong dan lainnya secara seragam mencampur bubuk Si dan bubuk C dengan rasio molar 1:1. Menggunakan metode reaksi sekunder, bubuk SiC disintesis pada suhu tinggi.
LiWANG dan lainnya menggunakan karbon aktif (ukuran partikel 20-100μm) dan grafit serpihan (ukuran partikel 5-25μm) sebagai sumber karbon (fraksi massa 99,9%), dan silikon kemurnian tinggi sebagai sumber silikon (ukuran partikel 10-270μm, fraksi massa 99,999%) ).
Bubuk SiC kemurnian tinggi disiapkan dalam tungku sintering suhu tinggi vakum di bawah atmosfer argon pada 1900 ° C.
LihuanWANG dkk menggunakan bubuk silikon (fraksi massa 99,999%, partikel 5-10μm) dan bubuk karbon (fraksi massa 99,999%, partikel 5-20μm) untuk mensintesis bubuk SiC kemurnian tinggi dengan metode sintesis pembakaran pemanas menengah frekuensi.
Li Bin dari Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation menggunakan metode self-propagating untuk mensintesis bubuk karbida silikon untuk pertumbuhan kristal tunggal. Dalam percobaan, ditemukan bahwa kemurnian bubuk karbida silikon yang disintesis dalam kondisi vakum tinggi lebih baik daripada bubuk karbida silikon yang disintesis di bawah kondisi gas pembawa terbuka. Secara khusus, kondisi vakum yang tinggi membantu mengurangi konsentrasi N dalam bubuk karbida silikon.
Selain itu, kristal tunggal silikon karbida ditanam menggunakan bubuk karbida silikon yang disintesis dalam kondisi vakum tinggi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kristal tunggal karbida silikon yang ditanam memiliki kemurnian tinggi dan sifat semi-isolasi yang sangat baik, yang memenuhi persyaratan perangkat terkait untuk substrat semi-isolasi. Persyaratan listrik. Dapat dilihat bahwa bubuk karbida silikon yang disintesis dalam kondisi vakum tinggi bermanfaat bagi pertumbuhan kristal tunggal karbida semi-isolasi kemurnian tinggi.
Prospek Proses Sintesis Bubuk SiC Kemurnian Tinggi
Metode penyebar diri yang ditingkatkan untuk mensintesis SiC memiliki bahan baku yang relatif rendah dan prosedur yang relatif sederhana. Saat ini adalah metode umum yang digunakan di laboratorium untuk menumbuhkan kristal tunggal untuk mensintesis bubuk SiC. Selama proses sintesis, ditemukan bahwa parameter proses sintesis yang berbeda memiliki pengaruh tertentu pada produk yang disintesis. .
Ke depannya, penelitian perlu diperkuat di bidang-bidang berikut:
1. Penelitian mendalam tentang mekanisme proses sintesis bubuk SiC kemurnian tinggi, terutama memperkuat penelitian teoritis dasar tentang kontrol efektif ukuran partikel bubuk, bentuk, distribusi ukuran partikel, dan kemurnian.
2. Lebih lanjut memperkuat penelitian tentang peningkatan proses spesifik sintesis self-propagating bubuk SiC, untuk menyiapkan bubuk SiC kemurnian tinggi yang cocok untuk pertumbuhan SiC kristal tunggal dengan kualitas yang baik dan kemurnian tinggi atas dasar biaya rendah dan proses sederhana Oleh karena itu, dapat secara efektif meningkatkan kualitas pertumbuhan substrat kristal tunggal SiC dan mempromosikan pengembangan industri perangkat berbasis SiC negara saya.
