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.

В учебном пособии [2] приводится описание метода Лели. Метод Лели – это процесс получения чистого карбида кремния из технических с использованием процесса сублимации и конденсации. Полый цилиндр, изготовленный из технического карбида кремния, помещается в графитовый тигель и отделяется от внешней поверхности цилиндра, где максимальная температура составляет 2500 ° C. После нагревания карбид сублимируется и оседает на внутренней поверхности, где температура ниже. Этот метод позволяет выращивать как очень чистые (полуизолирующие) кристаллы, так и легированные кристаллы n- и p-типа (общее содержание примесей можно снизить до 10, введя лигатуры в газообразную атмосферу.10^18...10^19 см^3).

Рис.4. Метод Лели. Слева – оригинальный ростовой тигель, справа – тигель с внутренним пористым графитовым цилиндром: 1 – отложения SiC; 2 – графитовая ячейка; 3 – монокристаллы SiC; 4 – исходный спеченный порошок SiC; 5 – углеродный остаток после процесса роста; 6 – высокопористый графитовый цилиндр

С открытием ценных свойств карбида кремния в качестве полупроводника исследование оптимального метода выращивания кристаллического SiC стало актуальной темой в материаловедении. Так появился метод ЛЭТИ.

Глава 2. Метод лэти

2.1. Первые результаты

Особенно активная работа по производству монокристаллов карбида кремния велась в СССР в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) [1]. Этот метод обеспечивает сравнительную управляемость процессом образования кристаллов и постепенно увеличивает скорость их роста. Также, данный метод позволил нам получить гексагональные монокристаллы со средним размером до 20 мм.

Первые результаты, касающиеся выращивания объемных монокристаллов слиток, были получены сотрудниками ЛЕТИ Ю. M.Таировым и В. Ф. Цветковым на первой Европейской конференции по выращиванию кристаллов из газовой фазы в 1976 г. (Цюрих) [1].

Рис. 5. Монокристаллы SiC диаметром 75 мм, выращенные «методом ЛЭТИ»: а – слитки SiC (вид сверху и сбоку); б – подложки SiC

В основу этого метода легли:

• классическая схема конденсации перенасыщенного пара в монокристаллических зародышах (для контроля процесса зародышеобразования);

• ограничение скорости роста на начальной стадии кристаллизации из-за реализации этой стадии в атмосфере инертного газа (для подавления спонтанного зародышеобразования и образования поликристаллов);

• закачка инертных газов из помещения в вакуум (для обеспечения постепенного увеличения скорости роста до нескольких миллиметров в час).

В качестве затравки использовался монокристаллический кристалл Лели, а в качестве источника – поликристаллический карбид кремния, предварительно синтезированный из кремния и полупроводникового углерода [1].

Рис. 6. Экспериментальный образец слитка SiC диаметром более 100 мм (вид сверху)