Технология получения порошка карбида кремния высокой чистоты 

Технология получения порошка карбида кремния высокой чистоты: ход исследований и промышленное применение процесса очистки от примесей

В качестве синтетического сырья используется порошок карбида кремния (SiC), и его чистота напрямую влияет на качество роста и электрические свойства монокристаллов карбида кремния. В последние годы получение порошка карбида кремния высокой чистоты постепенно стало горячей точкой исследований в области выращивания монокристаллов карбида кремния.

Для выращивания монокристалла SiC методом PVT требуется высокая чистота порошка SiC, которая обычно достигает уровня 5N (чистота ≥99,999%). Однако в процессе приготовления порошка SiC из-за обработки углеродного порошка, кремниевого порошка и графитового тигля, неполной реакции сырья и процесса последующей обработки порошка легко вводить различные примеси, такие как C, Si, SiO₂, Fe, Al, N и B и другие металлические или неметаллические примеси. Присутствие этих примесей не только повлияет на физические и химические свойства порошка SiC, но также повлияет на качество кристаллов и электрические свойства впоследствии выращенных монокристаллов SiC. Поэтому для обеспечения чистоты синтезированного порошка SiC крайне важно его очистить.

1. Удаление углерода из порошка карбида кремния.

1. Метод окисления заключается в нагреве синтезированного порошка SiC до 700-900 ° C для высокотемпературного прокаливания и использовании реакции между углеродом и кислородом воздуха для образования CO и CO₂, так что свободный C в порошке SiC отделяется от порошка SiC в виде газа, тем самым достигая цели удаления углерода. Для порошка карбида кремния микронного размера с относительно небольшим размером частиц из-за высокой удельной поверхности порошка карбид кремния легче окисляется при высокотемпературном удалении углерода, что приводит к внедрению новых примесей в диоксид кремния. Чтобы решить эту проблему, мы не можем просто полагаться на увеличение времени окисления или повышение температуры окисления для достижения полного удаления углерода.

Удаление окислительного углерода — относительно простой, экономичный, экологически чистый и эффективный метод удаления углерода. Он широко используется для удаления свободного углерода из порошка SiC. Однако необходимо контролировать температуру и время удаления углерода, чтобы избежать таких проблем, как серьезное окисление, вызванное чрезмерной температурой.

2. Метод флотации использует характеристики различных поверхностей различных веществ, смачиваемых жидкими средами, для разделения и флотации минералов на основе различных углов контакта между частицами. Существуют различные формы адгезии между примесным углеродным порошком и порошком SiC в порошке. Один из них основан на поверхностной силе для физического прилипания к частицам SiC. Этот метод адгезии делает взаимодействие между углеродным порошком и порошком SiC слабым. При этом порошок SiC гидрофильен, а углерод гидрофобен. Следовательно, благодаря различной гидрофильности SiC и углерода можно выполнить операцию удаления углерода флотацией.

Рабочий цикл флотационного удаления углерода длительный, и большинство используемых флотореагентов представляют собой химические реагенты, оказывающие определенное вредное воздействие на окружающую среду. Дисперсионная среда также может нанести некоторый потенциальный вред операторам из-за ее высокой токсичности. Более того, из-за небольшого размера частиц порошка карбида кремния порошок карбида кремния захватывается свободным углеродом, что приводит к потере сырья.

3. Основной принцип разделения воздушных потоков основан на разнице в скорости взвешивания материалов и примесей. То есть под действием воздушного потока твердые частицы с большей плотностью имеют более высокую скорость осаждения и движутся ближе, а частицы с меньшей плотностью имеют меньшую скорость осаждения и движутся дальше.

Метод разделения воздушного потока позволяет удалять примеси из порошка карбида кремния в больших количествах. При этом оборудование просто в эксплуатации, стоимость ниже, чем у других методов, отсутствуют экологические проблемы. Однако эффективность удаления углерода невысока. Для получения порошка карбида кремния высокой чистоты необходима дальнейшая обработка.

Удаление углерода из порошка SiC не должно основываться исключительно на одном методе. Для комбинированной обработки можно использовать несколько процессов: сначала порошок измельчают, чтобы полностью обнажить обернутый углерод; затем деионизированную воду используют для простой флотации для первоначального удаления свободного углерода; после сушки его нагревают и окисляют для эффективного удаления остаточных примесей углерода. Синергия нескольких методов может помочь значительно повысить эффективность удаления примесей и повысить чистоту порошка SiC.

2. Удаление других примесей из порошка карбида кремния.

Обработка углеродного порошка, кремниевого порошка и графитовых тиглей, а также измельчение порошка SiC неизбежно приводит к появлению некоторых металлических примесей, таких как Al, Fe и Mn. Эти примеси существуют в виде оксидов или ионов металлов в порошке SiC и оказывают большое влияние на электрические свойства SiC. Примеси напрямую влияют на качество роста кристаллов, особенно в порошках, используемых для выращивания кристаллов SiC. Поэтому удаление металлических примесей особенно важно.

1. Метод магнитной сепарации — это метод, который использует магнетизм металла для приложения магнитной силы к порошку для перемещения металлических примесей и отделения их от порошка SiC. В основном используется для удаления железосодержащих примесей и магнитных минералов. Электромагнитное обезжелезивание имеет высокую эффективность и автоматизацию, что отвечает потребностям промышленного производства. Однако эффект электромагнитного удаления железа не идеален для примесей с низким содержанием железа или слабым магнетизмом.

2. Высокотемпературный метод в основном использует высокотемпературные энергонезависимые характеристики SiC. Посредством высокотемпературного прокаливания легкоплавкие металлические или неметаллические примеси из порошка SiC выводятся в виде газификации, тем самым очищая порошок SiC. Высокотемпературный метод является распространенным методом удаления примесей, который в настоящее время используется для синтеза порошка SiC высокой чистоты. Однако необходимо уделять внимание контролю температуры удаления примесей во время процесса удаления примесей, чтобы избежать потери порошка SiC.

3. В методе травления используется кислотный растворитель для реакции с примесями металлов и оксидов в порошке SiC с образованием растворимых солей, которые затем промываются и сушатся водой для достижения эффекта удаления примесей. Например, элементарное железо, оксиды железа, SiO₂ и т. д. из порошка SiC можно удалить реакцией с соляной кислотой, серной кислотой, гидроксидом натрия или плавиковой кислотой.

Метод травления обладает высокой эффективностью удаления металлических примесей, но после травления порошок SiC необходимо промыть водой до нейтрального состояния. Для этого этапа требуется большое количество воды, а различные кислоты, образующиеся в процессе удаления примесей, могут вызвать проблемы с окружающей средой.

4. Удаление примесей методом хлорирующего обжига заключается во введении специального газа для реакции с примесями в порошке карбида кремния с образованием хлорида и других примесей с более низкой температурой плавления и кипения, а затем в улетучении этих примесей в условиях высокой температуры и низкого давления для достижения эффекта очистки. Метод хлорирующего обжига имеет преимущества низкого энергопотребления и высокой эффективности удаления примесей, а также позволяет проводить глубокую очистку от примесей на очищенных порошках более высокой чистоты. Однако, поскольку присутствие хлоридов наносит большой ущерб очистному оборудованию, процесс недостаточно стабилен, а загрязнение окружающей среды серьезно, этот метод в настоящее время трудно применять в больших масштабах.

Получение порошка карбида кремния высокой чистоты является ключевым звеном в производственной цепочке выращивания монокристаллов карбида кремния. Благодаря совместной оптимизации процессов удаления многочисленных примесей постоянное улучшение чистоты порошка SiC обеспечит надежную гарантию роста высококачественных монокристаллов карбида кремния и поможет качественному развитию полупроводниковой промышленности третьего поколения.