Là một trong những vật liệu đại diện của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, cacbua silicon phù hợp để sản xuất các thiết bị điện tử tích hợp nhiệt độ cao, tần số cao, chống bức xạ, công suất cao và mật độ cao. Hiện tại, vật liệu chất nền tinh thể đơn cacbua silicon được sử dụng trong sản xuất các thiết bị thường được trồng bằng phương pháp PVT (Vận chuyển hơi vật lý). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ tinh khiết của bột SiC và các thông số khác như kích thước hạt và loại tinh thể có tác động nhất định đến chất lượng của các tinh thể đơn SiC được trồng bằng phương pháp PVT và thậm chí cả chất lượng của các thiết bị tiếp theo. Bài viết này chủ yếu tập trung vào quá trình tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao để tăng trưởng tinh thể đơn bằng phương pháp PVT.
Phương pháp tổng hợp bột SiC
Có nhiều cách để tổng hợp bột SiC. Nói chung, nó có thể được chia thành ba phương pháp. Phương pháp đầu tiên là phương pháp pha rắn, trong đó phương pháp giảm nhiệt điện đại diện, phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao tự nhân rộng và phương pháp nghiền cơ học; phương pháp thứ hai là phương pháp pha lỏng, trong đó phương pháp đại diện chủ yếu là phương pháp keo đông máu hòa tan và phương pháp phân hủy nhiệt polymer; phương pháp thứ ba là phương pháp pha khí, bao gồm phương pháp lắng đọng hơi hóa học, phương pháp plasma và phương pháp cảm ứng laser.
1. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp khác nhau
Bột cacbua silicon được tổng hợp bằng phương pháp pha rắn tiết kiệm hơn, với một loạt các nguyên liệu thô và giá thấp, và dễ sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, bột cacbua silicon được tổng hợp bằng phương pháp này có hàm lượng tạp chất cao và chất lượng thấp; phương pháp tự nhân giống nhiệt độ cao sử dụng Nhiệt độ cao cung cấp cho các chất phản ứng nhiệt ban đầu để bắt đầu phản ứng hóa học, sau đó sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của riêng họ để làm cho các chất chưa được phản ứng tiếp tục hoàn thành phản ứng hóa học. Tuy nhiên, vì phản ứng hóa học của Si và C phát ra ít nhiệt hơn, các chất phụ gia khác phải được thêm vào để duy trì phản ứng tự nhân giống, điều này chắc chắn giới thiệu các yếu tố tạp chất và phương pháp này dễ dàng gây ra phản ứng không đồng đều.
Hiện nay, công nghệ tổng hợp bột cacbua silicon bằng phương pháp pha lỏng tương đối trưởng thành. Bột cacbua silicon được tổng hợp bằng phương pháp pha lỏng có độ tinh khiết cao và bột mịn có kích thước nano, nhưng quá trình này phức tạp hơn và dễ dàng sản xuất các chất có hại cho cơ thể con người.
Bột cacbua silicon được tổng hợp bằng phương pháp pha khí có độ tinh khiết cao và kích thước hạt nhỏ, đây là một phương pháp phổ biến để tổng hợp bột cacbua silicon có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp này có chi phí cao và năng suất thấp, và không phù hợp để sản xuất hàng loạt.
2. Thiết bị tổng hợp bột cacbua silicon
Thiết bị tổng hợp bột cacbua silicon được sử dụng để chuẩn bị bột cacbua silicon cần thiết để phát triển tinh thể đơn cacbua silicon. Bột cacbua silicon chất lượng cao đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển tiếp theo của cacbua silicon.
Việc tổng hợp bột cacbua silicon thông qua phản ứng trực tiếp của bột carbon có độ tinh khiết cao và bột silicon, và được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao. Những khó khăn kỹ thuật chính của thiết bị tổng hợp bột cacbua silicon là nhiệt độ cao và niêm phong và kiểm soát chân không cao, làm mát nước buồng chân không, hệ thống chân không và đo lường, hệ thống điều khiển điện, công nghệ sưởi ấm và khớp nối tổng hợp bột.
Hiện nay, các nhà sản xuất nước ngoài lớn bao gồm Cree, Aymont, v.v., và độ tinh khiết của bột tổng hợp có thể đạt 99,9995%. Các đơn vị nội địa chính bao gồm Viện nghiên cứu điện Trung Quốc thứ hai, Sơn Đông Tianyue, Tianke Heda và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc về gốm sứ. Độ tinh khiết thường có thể đạt 99,999% và một số đơn vị có thể đạt 99,9995%.
Phương pháp tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao
1. Phương pháp CVD
Hiện nay, các phương pháp tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao được sử dụng để trồng các tinh thể đơn chủ yếu bao gồm: phương pháp CVD và cải thiện phương pháp tổng hợp tự nhân giống (còn được gọi là phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao hoặc phương pháp đốt cháy).
Trong số đó, nguồn Si để tổng hợp CVD bột SiC thường bao gồm silane và silicon tetrachloride, trong khi nguồn C thường sử dụng carbon tetrachloride, metan, ethylene, acetylene và propane, trong khi dimethyldichlorosilane và tetramethylsilane Và như vậy có thể cung cấp nguồn Si và nguồn C cùng một lúc.
SashiroEzaki et al. đã sử dụng phương pháp CVD, sử dụng than chì vảy làm chất nền, methyl chloroethane / hydro làm khí phản ứng và khí mang, và lắng đọng màng SiC ở 1250 ~ 1350 ° C, và sau đó thông qua các quá trình oxy hóa, ngâm và nghiền, các hạt đã thu được. Bột SiC có đường kính 200 ~ 1200μm.
Mặc dù phương pháp này tạo ra bột SiC có độ tinh khiết cao, quá trình tiếp theo rất phức tạp, nguyên liệu thô đắt tiền và năng suất thấp.
W.Z.Zhu et al. đã sử dụng phương pháp CVD, sử dụng silane và acetylene làm khí phản ứng và hydro làm khí mang, để tổng hợp bột SiC siêu mịn và có độ tinh khiết cao ở 1200-1400 ° C.
AparnaGupta et al. đã sử dụng hexamethylsilane làm nguồn phản ứng, hydro và argon làm khí mang, và cũng tổng hợp bột SiC siêu mịn và có độ tinh khiết cao ở 1050 đến 1250 ° C bằng phương pháp CVD.
Các thành viên của hai nhóm nghiên cứu trên đã sử dụng phương pháp CVD để tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao bằng cách sử dụng các nguồn khí hữu cơ. Tuy nhiên, bột tổng hợp là bột siêu mịn cấp nano. Mặc dù nó có độ tinh khiết cao, nhưng không dễ thu thập và không phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn. Việc tổng hợp bột SiC tinh khiết không có lợi cho sự phát triển của công nghiệp hóa sau này.
2. Tổng hợp tự tuyên truyền
Phương pháp tổng hợp tự nhân giống trước đó là một phương pháp đốt cháy cơ thể phản ứng bằng nguồn nóng bên ngoài, sau đó sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của chất của chính nó để làm cho quá trình phản ứng hóa học tiếp tục tự phát, do đó tổng hợp các vật liệu.
Hầu hết phương pháp này sử dụng bột silicon và carbon đen làm nguyên liệu thô, và thêm các chất kích hoạt khác phản ứng trực tiếp với tốc độ đáng kể ở 1000-1150 ° C để sản xuất bột SiC. Sự ra đời của các chất kích hoạt chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến độ tinh khiết và chất lượng của các sản phẩm tổng hợp.
Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp tổng hợp tự nhân giống được cải thiện trên cơ sở này. Sự cải tiến chủ yếu là để tránh sự ra đời của các chất kích hoạt, và để đảm bảo tiến trình liên tục và hiệu quả của phản ứng tổng hợp bằng cách tăng nhiệt độ tổng hợp và liên tục cung cấp hệ thống sưởi.
Ngay từ năm 1999, Công ty Bridgestone của Nhật Bản đã sử dụng tetraethoxysilane làm nguồn silicon và nhựa phenol làm nguồn carbon. Sử dụng phương pháp đốt ở khoảng 1700-2000 °C, tổng hợp kích thước hạt 10-500μm, chất lượng hàm lượng tạp chất Bột SiC với phần nhỏ hơn 0,5×10-6.
Tuy nhiên, các chất phản ứng của phương pháp này sử dụng các chất hữu cơ, vì vậy chi phí nguyên liệu tương đối cao, không có lợi cho việc sản xuất hàng loạt bột SiC.
Các nhà nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Silicon của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã sử dụng bột Si và bột C với phần khối lượng nguyên liệu từ 99,9% trở lên để tổng hợp một phần khối lượng 99,999% bột SiC thích hợp cho sự tăng trưởng tinh thể đơn bằng phản ứng nhiệt độ cao trong bầu khí quyển Ar.
Ning Lina của Đại học Sơn Đông và những người khác đồng nhất trộn bột Si và bột C với tỷ lệ mol là 1: 1. Sử dụng phương pháp phản ứng thứ cấp, bột SiC được tổng hợp ở nhiệt độ cao.
LiWANG và những người khác sử dụng than hoạt tính (kích thước hạt 20-100μm) và than chì vảy (kích thước hạt 5-25μm) làm nguồn carbon (phần khối lượng 99,9%), và silicon có độ tinh khiết cao làm nguồn silicon (kích thước hạt 10-270μm, phần khối lượng 99,999%).
Bột SiC có độ tinh khiết cao được chuẩn bị trong lò thiêu kết nhiệt độ cao chân không trong bầu khí quyển argon ở 1900 ° C.
LihuanWANG et al. đã sử dụng bột silicon (phần khối lượng 99,999%, hạt 5-10μm) và bột carbon (phần khối lượng 99,999%, hạt 5-20μm) để tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao bằng phương pháp tổng hợp đốt nóng tần số trung gian.
Li Bin của Viện nghiên cứu thứ hai của Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc đã sử dụng phương pháp tự nhân giống để tổng hợp bột cacbua silicon để tăng trưởng tinh thể đơn. Trong các thí nghiệm, người ta thấy rằng độ tinh khiết của bột cacbua silicon được tổng hợp trong điều kiện chân không cao tốt hơn so với bột cacbua silicon được tổng hợp trong điều kiện khí mang mở. Đặc biệt, điều kiện chân không cao giúp giảm nồng độ N trong bột cacbua silicon.
Ngoài ra, tinh thể đơn cacbua silicon được trồng bằng bột cacbua silicon được tổng hợp trong điều kiện chân không cao. Kết quả cho thấy các tinh thể đơn cacbua silicon phát triển có độ tinh khiết cao và đặc tính bán cách điện tuyệt vời, đáp ứng các yêu cầu của các thiết bị liên quan cho chất nền bán cách điện. Yêu cầu về điện. Có thể thấy rằng bột cacbua silicon được tổng hợp trong điều kiện chân không cao có lợi cho sự phát triển của các tinh thể đơn cacbua silicon bán cách nhiệt có độ tinh khiết cao.
Triển vọng của quá trình tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao
Phương pháp tự nhân giống được cải tiến để tổng hợp SiC có nguyên liệu tương đối thấp và các thủ tục tương đối đơn giản. Nó hiện là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để trồng các tinh thể đơn để tổng hợp bột SiC. Trong quá trình tổng hợp, người ta thấy rằng các tham số quá trình tổng hợp khác nhau có ảnh hưởng nhất định đến sản phẩm tổng hợp. .
Trong tương lai, nghiên cứu cần được tăng cường trong các lĩnh vực sau:
1. Nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế của quá trình tổng hợp bột SiC có độ tinh khiết cao, đặc biệt là tăng cường nghiên cứu lý thuyết cơ bản về việc kiểm soát hiệu quả kích thước hạt bột, hình dạng, phân bố kích thước hạt và độ tinh khiết.
2. Tăng cường hơn nữa nghiên cứu về việc cải thiện quá trình tổng hợp bột SiC cụ thể, để chuẩn bị bột SiC có độ tinh khiết cao phù hợp với sự phát triển sic tinh thể đơn với chất lượng tốt và độ tinh khiết cao trên cơ sở chi phí thấp và quy trình đơn giản Do đó, nó có thể cải thiện hiệu quả chất lượng tăng trưởng của chất nền tinh thể đơn SiC và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị dựa trên SiC của nước tôi.
