Materiały z węglika krzemu mają zalety, takie jak szeroka przerwa wzbroniona, wysokie natężenie pola przebicia, szybka mobilność nośnika i wysoka przewodność cieplna. Dwa rodzaje produktów-pół-izolacyjnych i przewodzących- mogą zaspokoić potrzeby produkcyjne urządzeń RF i urządzeń energoelektronicznych i są szeroko stosowane w komunikacji 5G, elektronice radarowej, pojazdach nowych źródeł energii, magazynowaniu energii i innych dziedzinach, mających wpływ na bezpieczeństwo obronne kraju i rozwój gospodarczy. Jako materiał strategiczny, podłoża z węglika krzemu o niezależnej sterowalności są kluczem do zapewnienia realizacji krajowych kluczowych łańcuchów przemysłowych i głównych zadań, a także stanowią rdzeń zabezpieczenia krajowego rozwoju gospodarczego.
Proszek węglika krzemu jest głównym surowcem do uprawy podłoży z węglika krzemu. Obecnie w przemyśle stosuje się głównie metodę fizycznego transportu pary (PVT) w celu syntezy proszku węglika krzemu we wlewki z pojedynczego-krystalicznego węglika krzemu, a następnie poprzez zaokrąglanie, cięcie, szlifowanie, polerowanie i czyszczenie, otrzymuje się podłoża z pojedynczego-krystalicznego węglika krzemu o chropowatości powierzchni mniejszej niż 0,1 nm. Proszek węglika krzemu dzieli się według zastosowania na proszek węglika krzemu-o wysokiej czystości i proszek węglika krzemu-domieszkowany azotem. Proszek węglika krzemu-o wysokiej czystości używany jest głównie do produkcji półizolacyjnych podłoży z węglika krzemu. Podłoża półizolacyjne-mają stosunkowo wysoką rezystywność i są wykorzystywane głównie do produkcji mikrofalowych urządzeń RF, służących jako podstawowe elementy w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej. Proszek węglika krzemu domieszkowany azotem{{13}jest używany głównie do produkcji przewodzących podłoży z węglika krzemu. Podłoża przewodzące mają stosunkowo niską rezystywność. Płytki epitaksjalne z węglika krzemu wyhodowane z przewodzących podłoży z węglika krzemu mogą być dalej wykorzystywane do wytwarzania urządzeń zasilających i są szeroko stosowane w nowych pojazdach energetycznych, fotowoltaice, inteligentnych sieciach, transporcie kolejowym i innych dziedzinach.
Proszek węglika krzemu jest zwykle wytwarzany przez reakcję proszku węgla i proszku krzemu w stosunku 1:1 w wysokiej temperaturze 2000 stopni w celu wytworzenia proszku węglika krzemu. Stopień defektów podczas wzrostu wlewków węglika krzemu zależy w dużym stopniu od proszku węglika krzemu. Dlatego proszek węglika krzemu ma istotny wpływ na jakość kryształów i podłoży, w tym na wielkość cząstek, zanieczyszczenia, postać kryształów proszku i zawartość azotu w proszku węglika krzemu. Wśród nich wielkość cząstek wpływa na szybkość i jakość krystalizacji, a zawartość pierwiastków zanieczyszczających ma istotny wpływ na właściwości elektryczne węglika krzemu.
01
Wpływ wielkości cząstek proszku na kryształy
Wielkość cząstek proszku węglika krzemu wpływa bezpośrednio na stosunek molowy składnika krzemu do składnika węglowego w fazie gazowej, wpływając w ten sposób na wzrost pojedynczych-kryształów. Całkowite ciśnienie i stosunek krzemu-do-węgla w systemie wzrostu rosną wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek. Gdy wielkość cząstek zmniejsza się z 2–3 mm do 0,06 mm, stosunek krzemu-do-węgla wzrasta z 1,3 do 4,0. Kiedy cząstki stają się do pewnego stopnia małe, ciśnienie cząstkowe Si wzrasta, tworząc warstwę Si na powierzchni rosnącego kryształu, wywołując wzrost pary-ciekłej-stałej substancji, co wpływa na politypy kryształów, defekty punktowe i defekty liniowe oraz wpływa na kontrolę jakości kryształów.
Ponadto, gdy wielkość cząstek proszku węglika krzemu jest stosunkowo mała, proszek rozkłada się stosunkowo szybko, powodując zbyt dużą szybkość wzrostu monokryształu węglika krzemu. Z jednej strony, w-wysokotemperaturowym środowisku wzrostu pojedynczego-kryształu SiC procesy syntezy i rozkładu przebiegają jednocześnie. Proszek węglika krzemu ulegnie rozkładowi i utworzy fazy gazowe, takie jak Si, Si2C i SiC2, a także węgiel w fazie stałej, co spowoduje stosunkowo silne zwęglenie proszku polikrystalicznego i utworzenie wtrąceń węgla w krysztale. Z drugiej strony, gdy szybkość rozkładu proszku jest stosunkowo duża, struktura krystaliczna rosnącego monokryształu SiC jest podatna na zmiany, co utrudnia kontrolę jakości hodowanego monokryształu SiC.
02
Wpływ zanieczyszczeń na kryształy
Zawartość zanieczyszczeń w proszku węglika krzemu wpływa na spontaniczne zarodkowanie podczas wzrostu kryształów. Im wyższa zawartość zanieczyszczeń, tym mniejsza możliwość spontanicznego zarodkowania kryształów. Główne zanieczyszczenia metaliczne obejmują B, Al, V i Ni. Ponadto B i Al są głównymi płytkimi-domieszkami akceptorowymi w SiC, powodującymi spadek rezystywności węglika krzemu. Inne zanieczyszczenia metaliczne wprowadzają wiele poziomów energii, powodując, że właściwości elektryczne monokryształów węglika krzemu w wysokich temperaturach są niestabilne i mają stosunkowo duży wpływ na właściwości elektryczne, zwłaszcza na rezystywność, pół-izolacyjnych podłoży monokrystalicznych o wysokiej-pół{6}}izolacyjnej-podłożach.
03
Wpływ postaci kryształów proszku na kryształy
Wzrost PVT monokryształów SiC to proces-sublimacji i rekrystalizacji przeprowadzany w wysokiej temperaturze. Postać krystaliczna surowca SiC ma istotny wpływ na wzrost kryształów. Podczas syntezy proszku wytwarzana jest głównie faza syntezy w niskiej-temperaturze o sześciennej strukturze komórek elementarnych (-SiC) i faza syntezy w wysokiej-temperaturze o heksagonalnej strukturze komórek elementarnych (-SiC). Węglik krzemu ma wiele postaci krystalicznych, a zakres kontroli temperatury jest stosunkowo wąski. Na przykład 3C-SiC przekształci się w sześciokątne politypy węglika krzemu, mianowicie 4H/6H-SiC, powyżej 1900 stopni.
Podczas wzrostu pojedynczych-kryształów, gdy do hodowli kryształów używany jest -proszek SiC, stosunek molowy krzemu-do-węgla jest większy niż 5,5, natomiast gdy do hodowli kryształów używa się -proszku SiC, stosunek molowy krzemu-do-węgla wynosi 1,2. Wraz ze wzrostem temperatury w tyglu następuje przemiana fazowa. W tym czasie stosunek molowy w fazie gazowej staje się większy, co jest niekorzystne dla wzrostu kryształów. Ponadto podczas procesu przemiany fazowej łatwo powstają inne zanieczyszczenia-fazy gazowej, w tym węgiel, krzem, dwutlenek krzemu itp. Obecność tych zanieczyszczeń powoduje powstawanie w krysztale defektów, takich jak mikrorurki i puste przestrzenie. Dlatego należy dokładnie kontrolować postać krystaliczną proszku.
04
Wpływ zawartości azotu w proszku na kryształy
Poziom zawartości azotu określa rezystywność podłoża monokrystalicznego. Główni producenci muszą dostosować stężenie domieszki azotu w syntetyzowanym proszku zgodnie z procesami wzrostu dojrzałych kryształów podczas syntezy proszku. Podłoża z pojedynczego-krystalicznego węglika krzemu o wysokiej-czystości, półizolacyjne-to najbardziej obiecujące materiały na podstawowe komponenty elektroniczne dla wojska. Aby wyhodować-pół-izolacyjne podłoża monokrystaliczne o wysokiej-czystości,-o wysokiej rezystywności i doskonałych właściwościach elektrycznych, zawartość głównego azotu domieszkującego w podłożu musi być kontrolowana na stosunkowo niskim poziomie. Przewodzące podłoża monokrystaliczne-wymagają kontrolowania zawartości azotu przy stosunkowo wysokim stężeniu.