Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου έχουν πλεονεκτήματα όπως μεγάλο διάκενο ζώνης, υψηλή αντοχή πεδίου διάσπασης, γρήγορη κινητικότητα φορέα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Δύο τύποι προϊόντων-ημι-ημιμονωτικών και αγώγιμων-μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες κατασκευής συσκευών ραδιοσυχνοτήτων και ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος και χρησιμοποιούνται ευρέως σε επικοινωνίες 5G, ηλεκτρονικά ραντάρ, οχήματα νέας ενέργειας, αποθήκευση ενέργειας και άλλους τομείς, που επηρεάζουν την εθνική αμυντική ασφάλεια και την οικονομική ανάπτυξη. Ως στρατηγικό υλικό, τα υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου με ανεξάρτητη δυνατότητα ελέγχου είναι το κλειδί για τη διασφάλιση της υλοποίησης των εθνικών βασικών βιομηχανικών αλυσίδων και των μεγάλων εργασιών, και αποτελούν επίσης τον πυρήνα της διασφάλισης της εθνικής οικονομικής ανάπτυξης.
Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου είναι η κύρια πρώτη ύλη για την καλλιέργεια υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου. Επί του παρόντος, η βιομηχανία υιοθετεί κυρίως τη μέθοδο μεταφοράς φυσικού ατμού (PVT) για τη σύνθεση σκόνης καρβιδίου του πυριτίου σε μονοκρυσταλλικά πλινθώματα καρβιδίου του πυριτίου και στη συνέχεια μέσω στρογγυλοποίησης, κοπής, λείανσης, στίλβωσης και καθαρισμού, λαμβάνει μονοκρυσταλλικά υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου με τραχύτητα επιφάνειας μικρότερη από 0.01. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου χωρίζεται με τη χρήση σε σκόνη καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας-και σκόνη καρβιδίου του πυριτίου με πρόσμιξη αζώτου-. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου υψηλής-καθαρότητας χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ημιμονωτικών υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου. Τα ημιμονωτικά υποστρώματα έχουν σχετικά υψηλή ειδική αντίσταση και χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή συσκευών ραδιοσυχνοτήτων μικροκυμάτων, που χρησιμεύουν ως βασικά στοιχεία στον τομέα των ασύρματων επικοινωνιών. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου με προσθήκη αζώτου{13}}χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή αγώγιμων υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου. Τα αγώγιμα υποστρώματα έχουν σχετικά χαμηλή ειδική αντίσταση. Οι επιταξιακές γκοφρέτες καρβιδίου του πυριτίου που αναπτύσσονται από αγώγιμα υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου μπορούν περαιτέρω να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλεκτρικών συσκευών και χρησιμοποιούνται ευρέως σε οχήματα νέας ενέργειας, φωτοβολταϊκά, έξυπνα δίκτυα, σιδηροδρομικές μεταφορές και άλλα πεδία.
Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου παράγεται γενικά με αντίδραση σκόνης άνθρακα και σκόνης πυριτίου σε αναλογία 1:1 σε υψηλή θερμοκρασία 2000 βαθμών για να σχηματιστεί σκόνη καρβιδίου του πυριτίου. Ο βαθμός των ελαττωμάτων κατά την ανάπτυξη των πλινθωμάτων καρβιδίου του πυριτίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου. Επομένως, η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα των κρυστάλλων και των υποστρωμάτων, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους των σωματιδίων, των ακαθαρσιών, της μορφής κρυστάλλου σκόνης και της περιεκτικότητας σε άζωτο της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Μεταξύ αυτών, το μέγεθος των σωματιδίων επηρεάζει τον ρυθμό κρυστάλλωσης και την ποιότητα και η περιεκτικότητα σε στοιχεία ακαθαρσίας έχει σημαντικό αντίκτυπο στις ηλεκτρικές ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου.
01
Επίδραση του μεγέθους σωματιδίων σκόνης στους κρυστάλλους
Το μέγεθος σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου επηρεάζει άμεσα τη μοριακή αναλογία του συστατικού πυριτίου προς το συστατικό άνθρακα στην αέρια φάση, επηρεάζοντας έτσι την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων-. Η συνολική πίεση και η αναλογία πυριτίου-προς-άνθρακα του συστήματος ανάπτυξης αυξάνονται καθώς μειώνεται το μέγεθος των σωματιδίων. Όταν το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται από 2–3 mm σε 0,06 mm, η αναλογία πυριτίου-προς-άνθρακα αυξάνεται από 1,3 σε 4,0. Όταν τα σωματίδια γίνονται μικρά σε κάποιο βαθμό, η μερική πίεση του Si αυξάνεται, σχηματίζοντας ένα φιλμ Si στην αναπτυσσόμενη κρυσταλλική επιφάνεια, προκαλώντας ατμό{12}}υγρού-του στερεού, επηρεάζοντας πολυτύπους κρυστάλλων, σημειακά ελαττώματα και ελαττώματα γραμμής και επηρεάζοντας τον έλεγχο ποιότητας κρυστάλλων.
Επιπλέον, όταν το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου είναι σχετικά μικρό, η σκόνη αποσυντίθεται σχετικά γρήγορα, με αποτέλεσμα ο ρυθμός ανάπτυξης του μονοκρυστάλλου καρβιδίου του πυριτίου να είναι πολύ γρήγορος. Από τη μια πλευρά, στο περιβάλλον υψηλής{1}}θερμοκρασίας της μονοκρυσταλλικής ανάπτυξης SiC-, οι διαδικασίες σύνθεσης και αποσύνθεσης προχωρούν ταυτόχρονα. Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου θα αποσυντεθεί και θα σχηματίσει αέριες φάσεις όπως Si, Si2C και SiC2, καθώς και άνθρακα στερεάς{{6} φάσης, με αποτέλεσμα τη σχετικά σοβαρή ενανθράκωση της πολυκρυσταλλικής σκόνης και σχηματισμό εγκλείσεων άνθρακα στον κρύσταλλο. Από την άλλη πλευρά, όταν ο ρυθμός αποσύνθεσης της σκόνης είναι σχετικά γρήγορος, η κρυσταλλική δομή του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου SiC είναι επιρρεπής σε αλλαγές, καθιστώντας δύσκολο τον έλεγχο της ποιότητας του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου SiC.
02
Επίδραση ακαθαρσιών στους κρυστάλλους
Η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες στη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου επηρεάζει τον αυθόρμητο σχηματισμό πυρήνων κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα αυθόρμητου σχηματισμού κρυστάλλων. Οι κύριες ακαθαρσίες μετάλλων περιλαμβάνουν B, Al, V και Ni. Επιπλέον, το B και το Al είναι οι κύριες ακαθαρσίες αποδέκτη ρηχού{3}} επιπέδου στο SiC, προκαλώντας μείωση της ειδικής αντίστασης του καρβιδίου του πυριτίου. Άλλες ακαθαρσίες μετάλλων εισάγουν πολλαπλά επίπεδα ενέργειας, με αποτέλεσμα οι ηλεκτρικές ιδιότητες των μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου σε υψηλές θερμοκρασίες να είναι ασταθείς και να έχουν σχετικά μεγάλο αντίκτυπο στις ηλεκτρικές ιδιότητες, ιδιαίτερα στην ειδική ειδική αντίσταση, των ημι{6}}μονωτικών-υποστρωμάτων υψηλής καθαρότητας.
03
Επίδραση της μορφής κρυστάλλου σκόνης στους κρυστάλλους
Η ανάπτυξη PVT μονοκρυστάλλων SiC είναι μια διαδικασία-εξάχνωσης ανακρυστάλλωσης που πραγματοποιείται σε υψηλή θερμοκρασία. Η κρυσταλλική μορφή της πρώτης ύλης SiC έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ανάπτυξη των κρυστάλλων. Κατά τη σύνθεση σκόνης, παράγεται κυρίως μια φάση σύνθεσης χαμηλής-θερμοκρασίας με δομή κυβικής μονάδας κυψέλης (-SiC) και μια φάση σύνθεσης υψηλής-θερμοκρασίας με δομή εξαγωνικής μονάδας κυψέλης (-SiC). Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολλές κρυσταλλικές μορφές και το εύρος ελέγχου θερμοκρασίας είναι σχετικά στενό. Για παράδειγμα, το 3C-SiC θα μετατραπεί σε εξαγωνικούς πολυτύπους καρβιδίου του πυριτίου, συγκεκριμένα 4H/6H-SiC, πάνω από 1900 βαθμούς .
Κατά την ανάπτυξη απλών-κρυστάλλων, όταν χρησιμοποιείται -σκόνη SiC για την ανάπτυξη κρυστάλλων, η γραμμομοριακή αναλογία-προς-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από 5,5, ενώ όταν η -σκόνη SiC χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων, το πυρίτιο-προς{17} bon. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, λαμβάνει χώρα ένας μετασχηματισμός φάσης στο χωνευτήριο. Αυτή τη στιγμή, η μοριακή αναλογία στην αέρια φάση γίνεται μεγαλύτερη, κάτι που είναι δυσμενές για την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Επιπλέον, κατά τη διαδικασία μετασχηματισμού φάσης, δημιουργούνται εύκολα άλλες ακαθαρσίες{11}}αέριας φάσης, όπως άνθρακας, πυρίτιο, διοξείδιο του πυριτίου κ.λπ. Η παρουσία αυτών των ακαθαρσιών προκαλεί ελαττώματα όπως μικροσωλήνες και κενά στον κρύσταλλο. Επομένως, η κρυσταλλική μορφή της σκόνης πρέπει να ελέγχεται με ακρίβεια.
04
Επίδραση της περιεκτικότητας σε άζωτο σε σκόνη στους κρυστάλλους
Το επίπεδο περιεκτικότητας σε άζωτο καθορίζει την ειδική αντίσταση του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος-. Οι μεγάλοι κατασκευαστές πρέπει να προσαρμόσουν τη συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου στη συντιθέμενη σκόνη σύμφωνα με τις διαδικασίες ανάπτυξης ώριμων κρυστάλλων κατά τη σύνθεση σκόνης. Υψηλής-καθαρότητας ημι-μονωτικών υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου μονο-κρυστάλλου είναι τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά για ηλεκτρονικά εξαρτήματα στρατιωτικού πυρήνα. Για να αναπτυχθούν υποστρώματα μονοκρύσταλλων-ημι-ημιμονωτικών-υψηλής καθαρότητας με υψηλή ειδική αντίσταση και εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, η περιεκτικότητα του βασικού αζώτου ακαθαρσιών στο υπόστρωμα πρέπει να ελέγχεται σε σχετικά χαμηλό επίπεδο. Τα αγώγιμα μονοκρυσταλλικά υποστρώματα απαιτούν τον έλεγχο της περιεκτικότητας σε άζωτο σε σχετικά υψηλή συγκέντρωση.