Технология получения порошка карбида кремния высокой чистоты: обзор исследований процессов удаления примесей и областей промышленного применения 

Чистота порошка карбида кремния (SiC), используемого в качестве синтетического сырья, напрямую влияет на качество роста и электрофизические свойства монокристаллов SiC. В последние годы получение порошка SiC высокой чистоты стало одним из ключевых направлений исследований в области выращивания монокристаллов SiC.
Выращивание монокристаллов SiC методом физического переноса пара (PVT) предъявляет жесткие требования к чистоте исходного сырья SiC; как правило, необходима чистота уровня «5N» (≥99,999%). Однако в процессе получения материала легко могут возникать различные металлические и неметаллические примеси, такие как C, Si, SiO₂, Fe, Al, N и B. Источниками загрязнения служат операции по обработке порошков углерода и кремния, использование графитовых тиглей, неполное протекание реакций синтеза, а также этапы последующей обработки. Присутствие этих примесей влияет не только на физико-химические свойства исходного порошка SiC, но и на качество и электрофизические характеристики выращиваемых из него монокристаллов. Поэтому очистка имеет решающее значение для обеспечения требуемой чистоты синтезированного порошка SiC.
I. Удаление углерода из порошка карбида кремния
1. Метод окисления заключается в прокаливании синтезированного порошка SiC при высоких температурах (700–900°C). В ходе этого процесса используется реакция углерода с кислородом воздуха с образованием CO и CO₂, что позволяет удалить свободный углерод из порошка SiC в газообразной форме. Однако в случае порошков SiC микронного размера с большой удельной площадью поверхности сам карбид кремния становится более склонным к окислению при высоких температурах удаления углерода, что приводит к появлению новых примесей диоксида кремния (SiO₂). Следовательно, простое увеличение времени или температуры окисления не является эффективным решением для полного удаления углерода.
Окисление — это относительно простой, экономичный, экологически безопасный и высокоэффективный метод удаления свободного углерода из исходного сырья SiC. Тем не менее, необходим точный контроль температуры и продолжительности процесса, чтобы избежать таких проблем, как чрезмерное окисление, вызванное слишком высокими температурами. 2. Метод флотации основан на различиях в степени смачиваемости поверхностей различных веществ жидкой средой и позволяет разделять минералы на основе разницы краевых углов смачивания частиц. Углеродные примеси и порошок карбида кремния (SiC) демонстрируют различные механизмы адгезии; один из них основан на физическом сцеплении с частицами SiC под действием поверхностных сил, что обусловливает относительно слабое взаимодействие между углеродом и карбидом кремния. Кроме того, порошок SiC обладает гидрофильными свойствами, тогда как углерод — гидрофобными. Различие в смачиваемости SiC и углерода позволяет удалять углерод методом флотации.
Однако процесс флотации для удаления углерода характеризуется длительным циклом и обычно требует применения химических реагентов, способных нанести вред окружающей среде. Используемые дисперсионные среды также могут представлять опасность для здоровья операторов из-за своей токсичности. Кроме того, из-за мелкодисперсности порошка карбида кремния частицы SiC могут захватываться свободным углеродом, что приводит к потерям сырья.
3. В основе принципа воздушной классификации (или воздушной сепарации) лежит различие в поведении материалов и примесей (взвешивании и осаждении) в потоке воздуха: под воздействием воздушного потока более плотные твердые частицы оседают быстрее и перемещаются на меньшие расстояния, тогда как менее плотные частицы оседают медленнее и перемещаются на большие расстояния.
Воздушная классификация позволяет удалять примеси из порошка карбида кремния в промышленных масштабах; оборудование отличается простотой в эксплуатации, затраты на процесс относительно невелики по сравнению с другими методами, а экологические риски отсутствуют. Однако эффективность удаления углерода невысока, и для получения порошка карбида кремния высокой чистоты требуется дополнительная обработка.
Использование только одного метода удаления углерода из порошка SiC, как правило, недостаточно; предпочтителен комбинированный подход. Сначала порошок измельчают для полного высвобождения инкапсулированного углерода. Затем для удаления свободного углерода применяют простую флотацию с использованием деионизированной воды. Наконец, после сушки материал подвергают термическому окислению для эффективного устранения остаточных углеродных примесей. Синергетический эффект от сочетания этих методов значительно повышает эффективность удаления примесей и чистоту порошка SiC. II. Удаление других примесей из порошка карбида кремния
Такие процессы, как обращение с порошками углерода и кремния, использование графитовых тиглей, а также измельчение исходного сырья SiC, неизбежно приводят к попаданию в материал металлических примесей (например, Al, Fe, Mn). Эти примеси присутствуют в порошке SiC в виде оксидов или ионов металлов и существенно влияют на электрические свойства материала. Это особенно важно для сырья, используемого при выращивании кристаллов SiC, где примеси напрямую сказываются на качестве кристаллов; Поэтому удаление металлических примесей имеет первостепенное значение.
1. Магнитная сепарация основана на использовании магнитных свойств металлов: к порошку прикладывается магнитная сила для смещения и извлечения металлических примесей из материала SiC. Этот метод применяется преимущественно для удаления железосодержащих примесей и магнитных минералов. Электромагнитная очистка от железа отличается высокой эффективностью и степенью автоматизации, отвечая потребностям промышленного производства; однако она менее эффективна в отношении примесей с низким содержанием железа или слабыми магнитными свойствами.
2. Высокотемпературный метод использует тот факт, что SiC не является летучим веществом при высоких температурах. В процессе высокотемпературного прокаливания легкоплавкие металлические или неметаллические примеси испаряются и удаляются, обеспечивая тем самым очистку порошка SiC. Хотя этот метод широко распространен при синтезе порошка SiC высокой чистоты, он требует тщательного контроля температуры обработки для минимизации потерь самого порошка SiC.
3. Кислотное выщелачивание предполагает взаимодействие кислых растворителей с металлическими и оксидными примесями в порошке SiC с образованием растворимых солей, за чем следуют промывка водой и сушка для достижения чистоты. Такие примеси, как элементарное железо, оксиды железа и SiO₂, могут быть удалены путем взаимодействия с такими реагентами, как соляная кислота, серная кислота, гидроксид натрия или плавиковая кислота.
Кислотное выщелачивание весьма эффективно для удаления металлических примесей; однако процесс требует промывки порошка SiC водой до нейтральной реакции, что влечет за собой значительный расход воды. Кроме того, использование различных кислот при очистке может создавать экологические проблемы. 4. Метод хлорирующего обжига для удаления примесей заключается в подаче определенных газов, вступающих в реакцию с примесями в порошке карбида кремния и образующих вещества (например, хлориды) с более низкими температурами плавления и кипения; затем эти примеси удаляются путем испарения в условиях высокой температуры и низкого давления. Этот метод обладает такими преимуществами, как низкое энергопотребление и высокая эффективность удаления примесей, что делает его пригодным для глубокой очистки порошков, уже прошедших предварительную обработку. Однако его широкое применение затруднено из-за значительного повреждения оборудования хлоридами, нестабильности процесса и сопутствующего сильного загрязнения окружающей среды.
Получение порошка карбида кремния высокой чистоты является важнейшим звеном в производственной цепочке выращивания монокристаллов карбида кремния. Постоянное повышение чистоты порошка карбида кремния (SiC) за счет синергетической оптимизации различных процессов удаления примесей создаст надежную основу для выращивания высококачественных монокристаллов карбида кремния, тем самым способствуя качественному развитию индустрии полупроводников третьего поколения.