Materijali od silicijum karbida imaju prednosti kao što su široki pojas, visoka jačina polja proboja, brza mobilnost nosača i visoka toplotna provodljivost. Dvije vrste proizvoda-polu-izolacionih i provodljivih-mogu zadovoljiti potrebe proizvodnje RF uređaja i energetskih elektronskih uređaja, te se široko koriste u 5G komunikacijama, radarskoj elektronici, novim energetskim vozilima, skladištenju energije i drugim poljima, utječu na sigurnost nacionalne odbrane i ekonomski razvoj. Kao strateški materijal, supstrati od silicijum karbida sa nezavisnom kontrolom su ključni za osiguranje implementacije nacionalnih ključnih industrijskih lanaca i glavnih zadataka, a takođe su i srž očuvanja nacionalnog ekonomskog razvoja.
Silicijum karbid prah je glavna sirovina za uzgoj supstrata silicijum karbida. Trenutno, industrija uglavnom usvaja metodu fizičkog transporta pare (PVT) za sintetizaciju praha silicijum karbida u mono-ingote silicijum karbida, a zatim zaokruživanjem, rezanjem, brušenjem, poliranjem i čišćenjem, dobija silicijum karbid jedno{{2}1} kristalne podloge sa hrapavošću manje od m.0. Silicijum karbid prah se prema upotrebi deli na prah silicijum karbida visoke{5}}čistoće i prah silicijum karbida dopiranog azotom-. Silicijum karbidni prah visoke -čistoće se uglavnom koristi za proizvodnju polu-izolacionih podloga od silicijum karbida. Polu{11}}izolacione podloge imaju relativno visoku otpornost i uglavnom se koriste za proizvodnju mikrotalasnih RF uređaja, koji služe kao osnovne komponente u oblasti bežičnih komunikacija. Prah silicijum karbida dopiranog dušikom- uglavnom se koristi za proizvodnju provodljivih podloga od silicijum karbida. Provodne podloge imaju relativno nisku otpornost. Epitaksijalne pločice od silicijum karbida koje se uzgajaju iz provodljivih supstrata od silicijum karbida mogu se dalje koristiti za izradu energetskih uređaja i naširoko se koriste u novim energetskim vozilima, fotonaponskim sistemima, pametnim mrežama, železničkom tranzitu i drugim poljima.
Silicijum karbid prah se generalno proizvodi reakcijom ugljenog praha i silicijum praha u omjeru 1:1 na visokoj temperaturi od 2000 stepeni da bi se formirao prah silicijum karbida. Stepen defekata tokom rasta ingota silicijum karbida u velikoj meri zavisi od praha silicijum karbida. Stoga, prah silicijum karbida ima važan uticaj na kvalitet kristala i supstrata, uključujući veličinu čestica, nečistoće, oblik kristala praha i sadržaj azota u prahu silicijum karbida. Među njima, veličina čestica utječe na brzinu i kvalitetu kristalizacije, a sadržaj elementa nečistoće ima važan utjecaj na električna svojstva silicijum karbida.
01
Utjecaj veličine čestica praha na kristale
Veličina čestica praha silicijum karbida direktno utiče na molarni odnos silicijumske komponente prema komponenti ugljenika u gasnoj fazi, čime utiče na rast pojedinačnih-kristala. Ukupni pritisak i odnos silicijum-prema-ugljiku sistema rasta rastu kako se veličina čestica smanjuje. Kada se veličina čestica smanji sa 2-3 mm na 0,06 mm, omjer silicija-prema-ugljiku se povećava sa 1,3 na 4,0. Kada čestice postanu male u određenoj mjeri, parcijalni pritisak Si se povećava, formirajući film Si na rastućoj površini kristala, izazivajući rast pare-tečnosti-čvrste tvari, utječući na politipove kristala, tačkaste defekte i defekte linija, te utječući na kontrolu kvaliteta kristala.
Osim toga, kada je veličina čestica praha silicijum karbida relativno mala, prah se relativno brzo raspada, uzrokujući prebrzu stopu rasta monokristala silicijum karbida. S jedne strane, u visoko-temperaturnom okruženju rasta SiC monokristala{2}}, procesi sinteze i razgradnje odvijaju se istovremeno. Prašak silicijum karbida će se razgraditi i formirati gasne faze kao što su Si, Si2C i SiC2, kao i ugljenik u čvrstoj-fazi, što će rezultirati relativno teškom karbonizacijom polikristalnog praha i formiranjem ugljičnih inkluzija u kristalu. S druge strane, kada je brzina raspadanja praha relativno brza, kristalna struktura rastućeg SiC monokristala je sklona promjenama, što otežava kontrolu kvalitete uzgojenog SiC monokristala.
02
Utjecaj nečistoća na kristale
Sadržaj nečistoća u prahu silicijum karbida utiče na spontanu nukleaciju tokom rasta kristala. Što je veći sadržaj nečistoća, to je manja mogućnost spontane nukleacije kristala. Glavne metalne nečistoće uključuju B, Al, V i Ni. Osim toga, B i Al su glavne akceptorske nečistoće plitkog{3}}nivoa u SiC-u, što uzrokuje smanjenje otpornosti silicijum karbida. Ostale metalne nečistoće unose višestruke energetske nivoe, uzrokujući da električna svojstva monokristala silicijum karbida na visokim temperaturama budu nestabilna i imaju relativno veliki uticaj na električna svojstva, posebno otpornost, polu-čistoće polu-izolacionih mono-podloga.
03
Utjecaj kristalnog oblika praha na kristale
PVT rast SiC monokristala je proces sublimacije-rekristalizacije koji se izvodi na visokoj temperaturi. Kristalni oblik sirovine SiC ima važan utjecaj na rast kristala. Tokom sinteze praha, uglavnom se proizvode niskotemperaturna faza sinteze sa strukturom kubične jedinične ćelije (-SiC) i visokotemperaturna-faza sinteze sa heksagonalnom strukturom jedinične ćelije (-SiC). Silicijum karbid ima mnogo kristalnih oblika, a opseg kontrole temperature je relativno uzak. Na primjer, 3C-SiC će se transformisati u heksagonalne politipove silicijum karbida, odnosno 4H/6H-SiC, iznad 1900 stepeni.
Tokom rasta jednog-kristala, kada se -SiC prah koristi za uzgoj kristala, molarni omjer silicija-prema-ugljiku je veći od 5,5, dok kada se -SiC prah koristi za uzgoj kristala, silicijum-prema{7}}molarni omjer ugljika je 1.2. Kada temperatura poraste, dolazi do fazne transformacije u lončiću. U tom trenutku molarni odnos u gasnoj fazi postaje veći, što je nepovoljno za rast kristala. Osim toga, tokom procesa fazne transformacije, lako se stvaraju druge nečistoće u plinskoj{11}}fazi, uključujući ugljik, silicijum, silicijum dioksid, itd. Prisustvo ovih nečistoća uzrokuje stvaranje defekata kao što su mikrocijevi i šupljine u kristalu. Stoga se kristalni oblik praha mora precizno kontrolisati.
04
Utjecaj sadržaja dušika u prahu na kristale
Nivo sadržaja azota određuje otpornost monokristalne podloge-. Glavni proizvođači moraju prilagoditi koncentraciju dopinga dušika u sintetiziranom prahu prema procesima rasta zrelih kristala tokom sinteze praha. Visoke{3}}polu-izolacione silicijum-karbidne monokristalne podloge{5}}visoke čistoće su materijali koji najviše obećavaju za elektronske komponente vojnih jezgara. Za uzgoj polu-izolacionih monokristalnih supstrata visoke{7}}čistoće- visoke otpornosti i odličnih električnih svojstava, sadržaj azota glavne nečistoće u supstratu mora biti kontroliran na relativno niskom nivou. Konduktivne monokristalne podloge zahtijevaju kontrolu sadržaja dušika u relativno visokoj koncentraciji.