СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 Электроконденсационный метод синтеза кремния, углерода и карбида кремния Выявлены и обоснованы преимущества электроконденсационного метода. Авторами проведено исследование вышеуказанного метода, дано его описание, сформулированы характеристики, необходимые для технологического применения. Арсений Брыкин, Арсений Артёмов, Дарья Арсеньева, ОАО «Российская электроника» К АРБИД КРЕМНИЯ : ПРИМЕНЕНИЕ И ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ Карбид кремния (SiC) является одним из распространённых хими- ческих соединений, используемых в силовой и/или экстремальной элек- тронике из-за уникальных сочетаний его электрических и физико-химиче- ских свойств. На базе карбида крем- ния разрабатывается широкий спектр приборов, эксплуатируемых в усло- виях высоких температур, сильно- го воздействия радиации и химиче- ски агрессивных сред. Использование карбида кремния в мощных сило- вых приборах обусловлено высокой электрической прочностью, широ- кой запрещённой зоной и высокой удельной теплопроводностью, кото- рая достигает величины 500 Вт/(м·К) и в несколько раз превосходит ана- логичный показатель для кремния и арсенида галлия. Благодаря уникаль- ному сочетанию физико-химических свойств, верхний предел рабочих тем- ператур приборов на основе SiC может быть увеличен до 700 ° С при сохране- нии малых токов утечки. К таким полу- проводниковым приборам на основе SiC относятся, прежде всего, мощные выпрямительные диоды, диоды Шот- тки, тиристоры, биполярные и поле- вые транзисторы и др., – по большин- ству параметров эти приборы значи- тельно превосходят свои кремниевые аналоги. Разработка элементной базы сило- вой электроники на основе SiC являет- ся основой прогрессивных изменений в области силовой преобразователь- ной и импульсной техники: приборов СВЧ-электроники, детекторов ультра- фиолетового излучения, счётчиков частиц высокой энергии, терморези- сторов (с рабочим интервалом темпе- ратур до 1500 ° С), ионно-селективных датчиков, способных работать в агрес- сивных средах. Перечисленные прибо- ры востребованы авиационной и кос- мической техникой, нефтехимией, гео- физикой и другими отраслями. В настоящее время применение кар- бида кремния всё более и более расши- ряется и находит совершенно новые области использования, например, в охране окружающей среды при соз- дании фильтров для очистки газов дизельных двигателей, в нанотехно- логиях при изготовлении форсунок для субмикрораспыления топливных смесей. Порошковый SiC может найти при- менение для изготовления нелиней- ных полупроводниковых резисто- ров (варисторов), высокотемператур- ных нагревателей, волновых погло- тителей. Варисторы применяются в системах автоматики, вычислитель- ной техники, электроприборострое- нии для стабилизации токов и напря- жений, защиты схем от перенапряже- ния, регулирования и преобразования сигналов. Практический интерес представляет керамика на основе карбида кремния, обладающая одновременно и высокой термостойкостью, и высокой химиче- ской устойчивостью к газовым кисло- родсодержащим средам. Такую кера- мику получают спеканием микрон- ных и субмикронных порошков SiC с небольшими добавками лёгких эле- ментов (В, Ве, Al, С) в интервале тем- ператур 2000–2200 ° С. Изменяя состав шихты и условия спекания, можно регу- лировать удельное сопротивление кера- мики в интервале 1 × 10 –4 –1 × 10 6 Ом·м. Обычно технический карбид крем- ния изготавливают в электрических печах при восстановлении кварцево- го песка углеродом: SiO 2 + 3C → SiC + 2CO. До температуры 2000 ° С образуется кубическая β -модификация SiC, а при более высокой температуре восстанов- ления – гексагональная α -модификация. Обычно синтез ведут при температуре 1600–1700 ° С. При температуре свыше 2700 ° С наблюдается возгонка карбида кремния [1]. Синтез карбида кремния проводят в стационарных печах боль- шого размера. Это позволяет получать карбид кремния более высокого каче- ства в части размера кристаллов, чисто- ты материала и правильности фор- мы по сравнению с осуществлением процесса в небольших передвижных печах. Производство SiC в стационар- ных печах большого размера имеется в Голландии (компания «Коло»), США (компания «Вашингтон Миллс»), ЮАР (компания «Сублайн»). Для повышения чистоты и выхо- да целевого продукта по этому спосо- бу рекомендуется проводить процесс в атмосфере азота под давлением до 0,13МПа или в токе азота со скоростью 0,5–3,3 л/ч [4]. Одной из модификаций этого метода получения карбида крем- ния является использование в качестве сырья (SiO 2 + C) природных углероди- стых пород, включающих равномерно распределённые в матрице углерода кремнийсодержащие компоненты сло- истых алюмосиликатов и кварца разме- рами до 10 мкми не менее 25%неграфи- тируемого углерода с величиной крем- незёмно-углеродного модуля SiO 2 /С не более двух [5]. Такой природной угле- родистой породой являются шунги- ты, залежи которых имеются в Каре- лии. Нагрев этой породы до темпера- туры 1400–2100 ° С со скоростью более 100 град/мин, выдержкой при этой тем- пературе в течение 5–30 мин с последу- ющимохлаждением в инертной среде до температурыне более чем 400 ° С позво- ляет получать с выходом до 85% смесь 16–30% аморфных и/или кристалли- ческих нановолокон карбида кремния диаметром 5–500 нм, длиной 0,1–50 мкм и 18–55% гиперфуллеренового углерода в виде многослойных полиэдрических или сфероидальных частиц и волокон с диаметром 10–400 нм и межслоевым расстоянием 0,342–0,348 нм.