Шмариович Василий Михайлович. Реферат. Методы выращивания монокристаллов карбида кремния (SiC)

Введение

Монокристаллы карбида кремния (SiC) представляют собой ключевой и важный материал, широко используемый в различных отраслях современной технологии, таких как электроника, энергетика, авиация и другие, из-за их уникальных свойств – высокая термостойкость, химическая инертность и электронные характеристики.

Процесс выращивания монокристаллов SiC является сложным и требует применения специальных технологий. Существуют различные методы выращивания монокристаллов карбида кремния: метод Ачесона, Лели, ЛЭТИ, высокотемпературный синтез, плазмохимический метод, золь-гель способ. Каждый из этих методов имеет свои особенности, позволяя получать монокристаллы SiC с определенными характеристиками. Постоянные исследования и разработки в этой области направлены на улучшение процессов выращивания монокристаллов SiC с целью расширения их применения в различных технологических сферах.

Как утверждается в сборнике [1], наиболее распространенным методом синтеза является метод сублимации. Он применяется как для получения абразивного материала, так и для выращивания монокристаллов, предназначенных для полупроводниковой электроники. Метод основан на переносе материала от горячего источника к затравке, находящейся при более низкой температуре.

Глава 1. Методы выращивания монокристаллов карбида кремния

На настоящий момент существует множество способов синтеза карбида кремния., а получение наноразмерных порошков карбида кремния возможно несколькими методами, например, такими как методы Ачесона, Лели, высокотемпературного синтеза, микроволнового спекания, Золь-гель метод, CVD. Однако сегодня существуют значительные проблемы, не позволяющие применять данные методы в промышленных масштабах и связанные, в зависимости от метода синтеза, чаще всего с высокой стоимостью прекурсоров, энергозатратностью технологий, недостаточной дисперсностью и широким распределением по размерам.

1.1.Метод Ачесона

Вучебном пособии [2] авторы пишут, что технический карбид кремния в промышленности получают по методу Ачесона. В соответствии с этим методом карбид кремния синтезируют в электрической печи с нагревательным элементом в виде графитового стержня, без изоляции камеры от атмосферы.

Рис.1. Метод Ачесона. Сверху: установка перед началом процесса синтеза. Снизу: установка после процесса синтеза: 1 – непрореагировавшая смесь; 2 – кристаллы SiC в

полостях вблизи графитового стержня;

3 – графитовый стержень с электродами; 4 – аморфный SiC

Смесью углерода (графита, кокса), кварцевого песка (SiO2) с добавлением опилок и поваренной соли обкладывают нагревательный стержень, после чего температуру в печи поднимают примерно до 2700 °С. После кратковременной выдержки температуру несколько снижают и при 2000 °С выдерживают печь в течение нескольких суток.

Общая схема процесса производства приведена на рисунке 2 [3].

Рис.2. – Технологическая схема получения порошков карбида кремния методом Ачесона

Общими недостатками такого метода, как утверждает автор работы [3], является:

–сильное загрязнение получаемого продукта, малый выход SiC;

–неконтролируемое структуро- и формообразование кристаллов;

–выброс в атмосферу огромного количества моно- и диоксида углерода;

–ручная разбраковка продуктов реакции осуществляется в условиях очень высокой запыленности рабочего пространства;

–быстрый износ элементов электропечи;

–высокая продолжительность процесса получения продукта во времени. Сегодня активно развиваются пути избавления от выявленных недостатков

процесса синтеза методом Ачесона.

1.2. Высокотемпературный синтез

Автор работы [3] считает, что высокотемпературный синтез (CS – combustion synthesis) является эффективным методом для производства широкого спектра материалов, включая порошки и чистые продукты из керамики, интерметаллидов, композитов и функционально градуированных материалов. Есть два режима высокотемпературного синтеза: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС или SHS – self-propagating hightemperature synthesis) и синтез объемного горения (VCS – volume combustion synthesis).

Рис.3. – Два режима высокотемпературного синтеза СВС и VCS

При режиме СВС (рисунок 3, а), в момент локального начала самостоятельная реакция мгновенно распространяется сквозь гетерогенную среду смеси реагентов в виде волны посредством экзотермических химических реакций, приводящих к синтезу желаемого продукта. Температура волнового фронта имеет, как правило, довольно высокие значения (2000-4000 К) [3].

Во время синтеза объемного сгорания (VCS) (рисунок 3, б), весь образец нагревается равномерно в управляемом режиме, пока реакция происходит одновременно во всем объеме. Этот режим синтеза больше подходит для слабо

экзотермических реакций, которые требуют подогрева перед зажиганием, и иногда его называют режимом теплового взрыва [3].

Также, существует множество разновидностей этого метода, которые решают проблемы, например, с реакционной способностью. Так зарубежные авторы описывают оптимизацию предварительного нагрева реактивной смеси, а также предлагают использовать электрический ток для подогрева. Также существует большая проблема с опасностью возгорания, которую тоже стараются решить.

Таким образом, можно выделить следующие преимущества СВС:

–короткое время синтеза (порядка нескольких минут);

–малые потери энергии (внутренняя химическая энергия системы преимущественно расходуется для производства продукта);

–простота технологического оборудования; - возможность синтеза продукта высокой чистоты;

–возможность получения продукта наноразмерной дисперсности.

В работе [3] делается вывод, что соответствие состава и структуры получаемого продукта заданным значения может быть достигнуто путем рационального подбора пропорций компонентов и режима синтеза. Но чаще всего продукт получается грубодисперсным, а значит не имеет преимуществ перед смесью, которая синтезирована традиционными методами.

Кроме того, для метода СВС чаще всего используется более дорогое сырье, в системе Si-C нелегко провести независимый процесс СВС, и необходимо повышать реакционную способность прекурсоров различными способами, а также требуется дополнительная энергия.

1.3. Плазмодинамический (плазмохимический) метод и микроволновое спекание

Как утверждается в работе [3], для данного метода используется плазма низкой температуры (4000 – 10000 К) и соответствующего фазового состава.

При высоких температурах плазмы все исходные материалы переходят в газообразное состояние ионизации. Присутствие ионов приводит к более высокой скорости взаимодействия. На следующем этапе в результате процесса тушения выделяются продукты взаимодействия. Изменяя место и скорость закалки, можно получить порошок с заданным составом, формой и размером частиц [4].

Основным недостатком химического синтеза в плазме, как утверждается в работе [3], является широкое распределение частиц по размерам (от 5 нм до 5000 нм), как следствие, наличие довольно крупных (до 1-5микрон) частиц, то есть низкая селективность процесса и высокое содержание примесей в порошке. Особенно это заметно, когда используются дуговые плазменные реакторы, из-за загрязнения продуктами эрозии электродов.

1.4. Метод Лели

Для получения более чистого продукта был разработан новый метод синтеза в 1955 году Яном Лели. Этот метод позволяет получать изделия в виде монокристаллов с неправильными шестиугольными чешуйками. Впервые метод Лели или PVT был реализован в атмосфере аргона при температуре окружающей среды около 2500 °С в графитовом контейнере, что привело к ограничению размера кристаллов карбида кремния. На основании SiC кристалла, синтезированного этим методом, стало возможным изучить его основные фундаментальные свойства, и к тому времени стало ясно, что данный метод не подходит для серийного производства, особенно электронных устройств.