книги из ГПНТБ / Аммер, С. А. Нитевидные кристаллы (получение, механизмы и кинетика роста) учеб. пособие
.pdf1 2 0 _
акции взаимодействия кремний- и углеродосодержащих газооораз-
ных веществ и термическое разложение сложных соединений (.пи-
ролиз).
Широкое применение для выращивания НК SiC нашли различные
варианты |
метода Лели |
[462] |
. Гамильтон [463 ] , например, вырас |
|
тил |
НК М М - S t О , испаряя |
исходный кароид кремния в графитовой |
||
печи |
при |
температуре |
выше |
250и°0 в среде водорода или аргона. |
При столь высокой температуре SiO оОразует газовую фазу,
в основном состоящую из паров кремния и неустойчивых кароидов
SiC2 и S * 2 C [46з] . Газовые компоненты диффундируют в
ооласти с оолее низкой температурой и, взаимодействуя между
сооой, ооразуют при конденсации НК S i 0 . Так как над карби
дом давление паров кремния преобладает под давлением паров уг
лерода, то |
общее уравнение переноса можно 8аписать (37[ : |
|||||||
Si |
I*n С — |
$'С ' «- |
n b i |
|
|
(50) |
||
Термодинамический анализ процессов, приводящих к росту |
||||||||
кристаллов |
S IС |
по |
методу Лели, был проведен |
Юдиным и Борисо |
||||
вым [465] |
. Они показали, что |
газообразные |
компоненты |
|||||
и 3 i 0 q в |
интервале |
температур |
2350-2650°С |
могут быть продук |
||||
ции реакций: |
|
|
|
|
|
|
|
|
S i C (T) |
■= |
Ь ' е ^ с г ) |
^ |
|
|
|
(51) |
|
|
3i0(f) |
^ |
|
* Strove,г) |
|
(52) |
||
При температурах еще более высоких |
( 2700°С) |
карбид кремния |
||||||
полностью возгоняется: |
|
|
|
|
|
|||
|
Ь Ю ( Т) . |
Si (! (г) |
|
|
|
(53) |
||
В области ниже 2300°0 возможно |
его |
разложение: |
|
|||||
|
Ь1С (т) |
(г) |
*-0(т> |
|
|
(54) |
Таким образом, наиболее |
приемлемой для роста кристаллов |
|||
следует считать температурную |
область |
2300-2700°С. Именно в |
||
этой области и удавалось получать нитевидные и пластинчатые |
||||
кристаллы (А- Si С многим исследователям |
[405,463,466-471] . |
|||
Процесс проводят в атмосфере водорода, |
аргона |
или азота |
( 1атц). |
|
За 3-12 час на графитовых подложках вырастают |
кристаллы |
длиной |
в несколько миллиметров. На рис.15 показана схема эксперимен
тальной |
установки |
и характер распределения кристаллов S i С . |
Для |
получения |
НК Si О используется и другой вариант ме |
тода Лели, так называемый Нортон-процесс, заключающийся в том,
что исходными продуктами в нем служат кремний и углерод, а
синтез карбида кремния происходит непосредственно в печи на
месте роста кристаллов [472] . Гамильтон [473] для этого заг
ружал смесь порошков кремния и графита в цилиндрический графи товый стакан, разделенный на 2 камеры пористой перегородкой.
При нагреве исходной смеси в одной из камер до 2700°С газооб разные продукты кремния и углерода в атмосфере водорода прони кали через перегородку во вторую камеру и реагировали между со
бой при более низкой температуре (вдоль стакана перепад тем ператур составлял 700°С). При этом на стенках сосуда наблю далось образование пластинчатых кристаллов o(-S iC . Попереч
ные размеры их были 5-50 мкм, длина 10-15 мм и направление
роста <001) . Выращивание кристаллов можно также проводить и в атмосфере инертного газа например, аргона или в среде водо рода, разбавленного на 0,01-0,05 хлором (хлор можйо вводить ввиде НО? или о 00ц ) [474] .
122
Рис. 15
Схема эскпериментальной установки и распределение
кристаллов, |
выращиваемых |
по методу 1ели |
[405J |
||
I - |
тпеловые экраны; 2 - |
графитовый нагреватель; |
|||
3 - угольный тигель; Ч- |
тепловая изоляция; |
||||
А- |
конденсат |
углерода, |
образовавшегося |
при диссоциации |
|
SiO |
; Б - |
плотный слой |
; В - бесцветные прозрачные |
||
пластинки; |
Г - |
зеленоватые гексагональные пластинки; |
|||
Д - |
бесцветные |
усы. |
|
|
- 123 -
Условия роста и морфология НК ji-SiO подробно исследо валась в работах [475-476] . В качестве исходной шихты исполь зовалась мелкодисперсная смесь порошков спектрально чистых кремния и углерода стехиометрического состава. Эксперименты
проводились в проточной системе на установке радиационного наг рева такого же типа, как и показанная на рис.В. Реакционным со судом служили фарфоровая или корундовая трубки с внутренним диаметром 20 мм. Шихта загружалась в лодочки из фарфоровой или корундовой керамики. Распределение температуры внутри реакцион ной зоны представлено на рис.16. Исследовался рост в потоке водорода или аргона, подаваемых в реакционную зону со скорости-
ми от 10 до 1000 ил/мин, при влажности от 2,8 до 4600 мГ/м .
Рост кристаллов наблюдался в интервале температур 13001650°С, причем обязательно требовалось наличие вдоль реакцион ной трубы температурного градиента 30 град/см"*. Кристаллы с
нитевидным габитусом формировались на стенках лодочек и трубки только в зонах I и Ш, где температура на 100-200° ниже макси мальной (рис.16). Убывание шихты в зоне П свидетельствует о
том, что важным процессом при росте НК SiC является транспорт летучих компонентов в области с более низкой температурой.
На скорость роста НК, их количество и морфологию оказыва ют влияние следующие факторы: температура, состав шихты, мате
риал реакционных сосудов, состар газового потока, скорость егс подачи и т. д.
Оптимальными были температура 1550-1620°С. При температуре
ниже 1300°С рост кристаллов |
прекращался. При прочих равных усло |
||
виях наилучшие результаты давало |
использование |
фарфоровых |
|
Ш в0у-&|0*) лодочек и трубок, |
чем |
корундовых ( |
) , угольных |
- L3# -
Рис. 16
Распределение температуры в реакционной
камере
Р ис.17
ПК карбида кремния
а) общий вид в лодочке; б) выделения s.Cg на НК
(х5000).
- 125
или графитовых подложек. Увеличение содержания кремния в ших те по сравнении со стехиометрическим приводит к возрастанию
количества £>Ю,2 в зоне кристаплиэации. При недостатке кремния сокращается выход кристаллов.
Благоприятные условия для зарождения и роста НК SIC
создаются в потоке аргона. Использование водорода дает резуль
таты хуке: |
кристаллы в |
небольшом количестве зарождаются |
лишь |
|||||
в фарфоровом реакторе |
[475] |
. Наибольший выход НК был получен |
||||||
при скорости |
потока аргона |
25 мл/мин и влажности |
|
|
О |
|||
200 мГ/м |
||||||||
(точка росы |
|
t P -35°С). Высокая влажность газа |
приводила к |
|||||
образованию |
в |
основном |
поликристаллического |
осадка |
на |
стенках |
||
лодочки и фарфорового |
реактора. При влажности |
нике |
200 |
uF / mj |
образовывались пуховидные сплетения из прозрачных усиков бледно-
желтого цвета толщиной ~ ю Ч.
При оптимальных условиях за 4 часа на поликристаллическом
осадке £. г с формировались НК в форме пластинок длиной 5-10 мм,
толщиной 1-5 мкм и шириной 10-15 мки. Распределение их в лодоч
ке показано на рис.17а. Как и в работе , почти все
выросшие усы имели локальные шарообразные утолщения (рис.176),
подобные тем, что наблюдались на НК Hlq,Oi (рис.Ю ). Химичес
кий и электроннографический анализы показали, |
что они представ |
|
ляют |
собой аморфную двуокись кремния. Иногда |
НК по всей длине |
были |
покрыты слоем Si0,2 • |
|
|
Учитывая данные эксперименты [475,47б] , |
а также данные |
[477-479] можно предположить в системе 0 *■Si |
f НаО *-ДецО$ |
(корундовая керамика) протекание следующих химических реакций:
С(г, 1-Н*С( г ) ’ С О ( г) '-t-k ( Г ) |
(55) |
^Ч-Ж) И2°(г) = S ‘-°(0 И -|П г) |
(56) |
- 126 -
20(Г) |
|
- S i C (Tj |
♦■СО(Г) |
|
|
(57) |
|
|||
3Q(T) *-BSiO(r)=2SiO |
Ю О г1г) |
|
|
(58) |
|
|||||
З Ь ц * * ) |
♦ |
2C 0(r) = 2 S i O(r) |
4-SiOe(;r ) |
|
(59) |
|
||||
3 Si'O(r) |
f |
|
= SiO jT) f |
2 6 iC clT) |
|
(60) |
|
|||
2 b i 0 ( r ) |
♦ QCOfr) |
Si(?(r)B < 0 . 2 (f) |
C O j ( r) |
(61) |
|
|||||
St (ovc) ♦- C?tr) = SiC’irJ |
|
|
|
|
(62) |
|
||||
Реакции |
(55) |
и |
(56) |
имеют место в зоне П, |
остальные - |
в зонах |
||||
с более |
низкой температурой |
- I |
и Ш (рис.16). |
|
|
|||||
Расчеты |
температурной |
зависимости ^ |
КР |
, а такие парци |
||||||
альных давлений |
СО |
и Si0 |
(рис. 18 |
и таблицы |
И и 15) |
показа |
ли, что реакции (55) и (56) вероятны в выбранном интервале температур.
Реакции (57-59) и (62) такие термодинамически вероятны,
но они могут протекать только на поверхйости или в объеме ших
ты, т .к . парциальноедавление |
углерода и кремния очень малы да |
|||
же при температуре 1600°С |
(3,5 «Ю-12» |
3,7*К Г 6атм соответствен |
||
но). Так как на поверхности |
и в объеме |
шихты образуется лишь |
||
незначительное |
количество S•G |
, зти реакции не могут быть |
||
доминирующими. |
Однако реакция |
(99), судя по образованию |
на поверхности шихты, вое же должна иметь место и может накла дывать некоторое ограничение на ход реакций (55) и (56).
1 2 7 -
Таблица 14.
Данные парциальных давлений СО по реакции (55)
н |
Т°К |
‘Л |
V o o |
пп |
|
||
I. |
1500 |
2,778 |
3,8936 |
2. |
' 1600 |
3,066 |
2,186 |
3. |
1700 |
3,2338 |
2,3541 |
4. |
1800 |
3,562 |
2,6727 |
5. |
1900 |
3,7553 |
2,8757 |
6. |
2000 |
3,9376 |
1,0569 |
Данные парциальных давлений
Рсо |
|
Примечание |
|
ым рт.ст. |
|
|
|
5,9479 |
|
значения по. |
|
I I , 667 |
|
чены для |
|
f t * *02 /о*(^= |
|
||
17,165 |
|
||
35,764 |
к = (кЛе. |
|
|
57,082 |
|
1 |
& |
86,897 |
^ |
U0 --(gkp-fy |
|
|
Пи, |
||
____________ |
|
|
Таблица 15.
к Опо реакции (.56)
- 128
|
т о |
/во е ' 17 0 0 /9 С 0 ~ *900 7900 Т*К |
Рис.16 Температурная |
зависимость Ц КР реакций |
|
I - (60). |
2 -(59). 3-(61), 4 -(58), 5 -(62), |
|
6 -(57), |
7-(56). 8 -(55). |
%*ч
3 0 *
Рис.19 Температурная зависимость ^ |
реакций |
I-(6 5 ). 2 -(64), 3- (63), 4-(66). |
5,6(72-78) |
|
- 129 - |
|
|
Из ри с.18 |
также видно, что наиболее |
вероятными |
реакци |
ями являются (60) и (61). Наряду с карбидом кремния |
они долж-? |
||
ны приводить к образованию в зонах I и 1 двуокиси кремния, ко |
|||
торая и наблюдается в экспериментах в виде |
капель, конденсиру |
||
ющихся на НК. |
|
|
|
В фарфоровой керамике, помимо рассмотренных в зоне П, |
|||
возможны также |
реакции: |
|
|
Si |
t-SiO glrj -2 .SiO (r) |
(63) |
|
C (rj |
е S iOjj =C0(r) t-SiO (r) |
(64) |
|
20(.r) |
f SiO.^cr) = 2(?0(r) eSi i-ж) |
(65) |
Они могут в равной степени протекать как в аргоне так и в водороде (рис.19). Ранее было показано (см.рост НК корунда,
реакция 15), |
что |
SiOg. может восстанавливаться водородом с |
образованием |
S i 0 |
• Ото дает еще один путь образования карби |
да кремния. |
И действительно, при использовании лодочек и тру |
|
бок из фарфоровой |
керамики,кристаллов S i0 образуется больше |
|
почти на порядок. |
|
|
Ножно также |
попытаться объяснить, почему в корундовой ке |
рамике в атмосфере водорода кристаллы растут хуже, чем в фарфо ровой. Отрицательная роль водорода, видимо," сводится здесь к
его |
влиянию на равновесие реакций |
(55) |
и (56), |
в результате |
|||
чего образуется меньше летучих компонентов. |
|
||||||
|
Таким образом, |
и теоретически |
и экспериментально показано |
||||
что |
образование Si С |
в |
системах |
Si |
«-0 |
или |
Si *-0 +-SiOg |
должно сопровождаться |
выделением |
SiOz |
. Двуокись кремния, ад |