Vật liệu cacbua silic có những ưu điểm như khoảng cách rộng, cường độ trường phân hủy cao, tính di động của chất mang nhanh và độ dẫn nhiệt cao. Hai loại sản phẩm-bán-cách điện và dẫn điện-có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất thiết bị RF và thiết bị điện tử công suất, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong truyền thông 5G, điện tử radar, phương tiện sử dụng năng lượng mới, lưu trữ năng lượng và các lĩnh vực khác, ảnh hưởng đến an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế. Là một vật liệu chiến lược, chất nền cacbua silic có khả năng kiểm soát độc lập là chìa khóa để đảm bảo thực hiện các nhiệm vụ chính và chuỗi công nghiệp trọng điểm quốc gia, đồng thời cũng là cốt lõi của việc bảo vệ sự phát triển kinh tế quốc gia.
Bột cacbua silic là nguyên liệu chính để phát triển chất nền cacbua silic. Hiện tại, ngành này chủ yếu áp dụng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT) để tổng hợp bột cacbua silic thành các thỏi tinh thể cacbua silic đơn{1}}, sau đó thông qua việc làm tròn, cắt, mài, đánh bóng và làm sạch sẽ thu được chất nền tinh thể cacbua silic đơn-có độ nhám bề mặt dưới 0,1 nm. Bột cacbua silic được chia theo mục đích sử dụng thành bột cacbua silic có độ tinh khiết cao và bột cacbua silic pha tạp nitơ-. Bột cacbua silic có độ tinh khiết cao-chủ yếu được sử dụng để sản xuất chất nền cacbua silic bán{9}}cách điện. Chất nền bán cách điện có điện trở suất tương đối cao và chủ yếu được sử dụng để sản xuất các thiết bị RF vi sóng, đóng vai trò là thành phần cơ bản trong lĩnh vực truyền thông không dây. Bột cacbua silic pha tạp nitơ{13}}chủ yếu được sử dụng để sản xuất chất nền cacbua silic dẫn điện. Chất nền dẫn điện có điện trở suất tương đối thấp. Tấm epiticular silicon cacbua được trồng từ chất nền cacbua silic dẫn điện có thể được sử dụng tiếp để chế tạo các thiết bị điện và được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện năng lượng mới, quang điện, lưới điện thông minh, vận tải đường sắt và các lĩnh vực khác.
Bột cacbua silic thường được sản xuất bằng cách cho bột cacbon và bột silic phản ứng với tỷ lệ 1:1 ở nhiệt độ cao 2000 độ để tạo thành bột cacbua silic. Mức độ khuyết tật trong quá trình phát triển của thỏi cacbua silic phụ thuộc rất nhiều vào bột cacbua silic. Do đó, bột cacbua silic có tác động quan trọng đến chất lượng của tinh thể và chất nền, bao gồm kích thước hạt, tạp chất, dạng tinh thể bột và hàm lượng nitơ của bột cacbua silic. Trong số này, kích thước hạt ảnh hưởng đến tốc độ và chất lượng kết tinh, hàm lượng nguyên tố tạp chất có tác động quan trọng đến tính chất điện của cacbua silic.
01
Ảnh hưởng của kích thước hạt bột đến tinh thể
Kích thước hạt của bột cacbua silic ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ mol của thành phần silicon với thành phần cacbon trong pha khí, do đó ảnh hưởng đến sự phát triển-tinh thể đơn. Tổng áp suất và tỷ lệ silic-trên-cacbon của hệ thống tăng trưởng tăng lên khi kích thước hạt giảm. Khi kích thước hạt giảm từ 2–3 mm xuống 0,06 mm, tỷ lệ silicon-trên-carbon tăng từ 1,3 lên 4,0. Khi các hạt trở nên nhỏ đến một mức nhất định, áp suất riêng phần Si tăng lên, tạo thành màng Si trên bề mặt tinh thể đang phát triển, tạo ra sự phát triển rắn-lỏng{13}}hơi, ảnh hưởng đến đa dạng tinh thể, khuyết điểm và khuyết tật đường cũng như ảnh hưởng đến việc kiểm soát chất lượng tinh thể.
Ngoài ra, khi kích thước hạt của bột cacbua silic tương đối nhỏ, bột sẽ bị phân hủy tương đối nhanh, khiến tốc độ tăng trưởng của tinh thể đơn cacbua silic quá nhanh. Một mặt, trong môi trường-nhiệt độ cao của sự phát triển đơn tinh thể SiC-, các quá trình tổng hợp và phân hủy diễn ra đồng thời. Bột cacbua silic sẽ phân hủy và tạo thành các pha khí như Si, Si2C và SiC2 cũng như cacbon pha -rắn, dẫn đến quá trình cacbon hóa tương đối nghiêm trọng của bột đa tinh thể và hình thành các thể vùi cacbon trong tinh thể. Mặt khác, khi tốc độ phân hủy bột tương đối nhanh, cấu trúc tinh thể của đơn tinh thể SiC đang phát triển dễ bị thay đổi, gây khó khăn cho việc kiểm soát chất lượng của đơn tinh thể SiC phát triển.
02
Ảnh hưởng của tạp chất lên tinh thể
Hàm lượng tạp chất trong bột cacbua silic ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm tự phát trong quá trình phát triển tinh thể. Hàm lượng tạp chất càng cao thì khả năng tạo mầm tinh thể tự phát càng thấp. Các tạp chất kim loại chính bao gồm B, Al, V và Ni. Ngoài ra, B và Al là các tạp chất nhận-nông chính trong SiC, làm giảm điện trở suất của cacbua silic. Các tạp chất kim loại khác tạo ra nhiều mức năng lượng, làm cho tính chất điện của các tinh thể đơn silicon cacbua ở nhiệt độ cao không ổn định và có tác động tương đối lớn đến các tính chất điện, đặc biệt là điện trở suất, của các chất nền tinh thể đơn-bán tinh khiết-cách điện cao.
03
Ảnh hưởng của dạng tinh thể bột lên tinh thể
Sự tăng trưởng PVT của các tinh thể đơn SiC là một quá trình kết tinh lại thăng hoa{0}}được thực hiện ở nhiệt độ cao. Dạng tinh thể của nguyên liệu thô SiC có tác động quan trọng đến sự phát triển của tinh thể. Trong quá trình tổng hợp bột, chủ yếu là pha tổng hợp ở nhiệt độ-thấp với cấu trúc ô đơn vị khối ( -SiC) và pha tổng hợp ở nhiệt độ-cao với cấu trúc ô đơn vị lục giác ( -SiC) được tạo ra. Cacbua silic có nhiều dạng tinh thể và phạm vi kiểm soát nhiệt độ tương đối hẹp. Ví dụ: 3C-SiC sẽ chuyển đổi thành nhiều loại cacbua silic lục giác, cụ thể là 4H/6H-SiC, trên 1900 độ .
Trong quá trình phát triển-tinh thể đơn, khi -bột SiC được sử dụng để phát triển tinh thể, tỷ lệ mol silicon-trên-cacbon lớn hơn 5,5, trong khi khi -bột SiC được sử dụng để phát triển tinh thể, tỷ lệ mol silicon-trên-cacbon là 1,2. Khi nhiệt độ tăng lên, sự biến đổi pha xảy ra trong nồi nấu kim loại. Lúc này, tỷ lệ mol trong pha khí trở nên lớn hơn, không thuận lợi cho sự phát triển của tinh thể. Ngoài ra, trong quá trình biến đổi pha, các tạp chất khí{11}}khác ở pha có thể dễ dàng được tạo ra, bao gồm carbon, silicon, silicon dioxide, v.v. Sự hiện diện của các tạp chất này gây ra các khuyết tật như vi ống và khoảng trống hình thành trong tinh thể. Vì vậy, dạng tinh thể của bột phải được kiểm soát chính xác.
04
Ảnh hưởng của hàm lượng nitơ trong bột đến tinh thể
Mức hàm lượng nitơ xác định điện trở suất của chất nền đơn tinh thể. Các nhà sản xuất lớn cần điều chỉnh nồng độ pha tạp nitơ trong bột tổng hợp theo quá trình phát triển tinh thể trưởng thành trong quá trình tổng hợp bột. Chất nền tinh thể silicon cacbua đơn-bán tinh khiết-cách điện cao là vật liệu hứa hẹn nhất cho các linh kiện điện tử lõi quân sự. Để phát triển các chất nền tinh thể đơn-bán{8}}cách điện có độ tinh khiết cao với điện trở suất cao và tính chất điện tuyệt vời, hàm lượng nitơ tạp chất chính trong chất nền phải được kiểm soát ở mức tương đối thấp. Chất nền đơn tinh thể dẫn điện yêu cầu phải kiểm soát hàm lượng nitơ ở nồng độ tương đối cao.