Разработка технологии синтеза порошкового карбида кремния высокой чистоты для использования в качестве шихты в процессах выращивания полупроводникового монокристаллического карбида кремния

Цель проекта. Создание технологических маршрутов получения высокочистых порошков карбида кремния контролируемого гранулометрического состава из сырья не попадающего под санкционные ограничения для использования в технологии роста монокристаллического карбида кремния. Задачи проекта. Общей задачей проекта является создание промышленной технологии полного цикла получения монокристаллов карбида кремния (4H-SiC) для нужд силовой электроники. В ходе выполнения НИР будут решаться следующие практико-ориентированные задачи: - разработка технологии получения порошкового карбида кремния высокой чистоты методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме объемного горения с использованием импортных и отечественных микропорошков кремния (Si) и графита (C). - разработка технологии получения порошкового карбида кремния высокой чистоты методом карботермического синтеза с использованием отечественных и импортных микропорошков диоксида кремния (SiO2) и графита (C). - разработка технологии получения порошкового карбида кремния высокой чистоты методом 2-х стадийного карботермического синтеза с использованием отечественных компонентов, из которых нанопорошки общей формулы SiHhOz используются в качестве кремнийсодержащих компонентов, а углеводы общей формулы Cn(H2O)m в качестве углеродсодержащих компонентов. Актуальность и научно-практическая значимость проекта. Актуальность проекта определена необходимостью локализации производства ключевых компонентов для обеспечения процессов роста объемных монокристаллов карбида кремния (SiC) в условиях жестких санкционных ограничений. Важным компонентом для получения качественных монокристаллов SiC является шихта – порошок карбида кремния высокой чистоты (выше 99,999% (5N)) и определенного гранулометрического состава. Требуемая чистота шихты достигается главным образом за счет использования высокочистых кремнийсодержащих и углеродсодержащих сырьевых компонентов. На данный момент наиболее эффективным методом синтеза карбида кремния высокой чистоты можно считать самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Реализация метода заключается в том что смесь высокочистых порошков кремния и графита в стехиометрическом соотношении нагревается в инертной атмосфере до температуры 1350 – 1450 oC при которой происходит химическая реакция синтеза карбида кремния с выходом готового продукта порядка 90 – 98%. Реакция синтеза проходит во всем предварительно нагретом объеме смеси с выделением дополнительной тепловой энергии – режим объемного горения СВС. В результате реакции часть содержащихся в смеси примесей покидает объем реакционной ячейки в результате чего конечный продукт, при корректно подобранных режимах синтеза, может иметь чистоту выше чистоты исходного сырья. Ранее в НИЛ «Синтез и обработка монокристаллов карбида кремния» проводились тестовые процессы получения шихты карбида кремния методом СВС в режиме объемного горения в ростовых установках Basic-T. В качестве сырья использовались высокочистые микропорошки кремния (Wacker polysilicon - Германия) и графита (AMG GK - Германия). Были получены порошки карбида кремния различного гранулометрического состава, которые впоследствии успешно использовались в качестве шихты при выращивании объемных монокристаллов карбида кремния. В апреле 2024 г. партия полученного в НИЛ порошка карбида кремния с бимодальным распределением размеров частиц и наибольшей насыпной плотностью была передана на испытания в ПАО «Светлана-Электронприбор». В июне 2024 г. в ПАО «Светлана-Электронприбор» из переданного порошка был выращен монокристалл карбида кремния. На предприятии было высоко оценено качество порошка карбида кремния и отмечена перспективность применения порошков с бимодальным распределением размеров частиц для роста монокристаллов. Однако, указанный способ синтеза требует использования только порошка кремния высокой чистоты (> 5N) с размером частиц < 100 мкм. Известно, что порошковый кремний такой чистоты может быть получен только из высокочистых газообразных кремнийводородных соединений (силанов). В свою очередь производством высокочистых силанов и продуктов на их основе занимаются компании-гиганты в странах с развитой полупроводниковой промышленностью. В России, не смотря на некоторые попытки, производство силанов и кремниевой шихты для роста монокристаллов так и не было налажено, а с введением всесторонних санкций, особенно запрет на поставки материалов для микроэлектроники, импортные кремниевые материалы (в частности порошковый кремний Wacker polysilicon) оказались недоступны. С другой стороны, порошковый высокочистый графит (ОСЧ 8-4) с суммарным содержанием примесей < 1 ppm (частиц на миллион) производится в РФ и вполне доступен (13 000 руб/кг на июнь 2024 г.). Коммерчески доступными импортными и отечественными кремнийсодержащими продуктами можно считать: кремний металлический Кр00, диоксид кремния (SiO2) аморфный (аэросил, ковелос и пр.), кремниевая кислота (ОСЧ), этилсиликаты (токсичны), крупка диоксида кремния (ОСЧ 12-4), аморфный диоксид кремния (ОСЧ 7-5 ПАО «ПНППК»), синтетический кристобалит (ПАО «ПНППК»). Нужно отметить, что материалы ПАО «ПНППК» для производства оптического волокна имеют чистоту 0,6 ppm суммарного содержания микропримесей металлов, что сравнимо с материалами для микроэлектроники, но цена такого сырья превышает 60 000 руб/кг, а выход карбида кремния после реакции синтеза, оценочно, не будет превышать 50%. Другие указанные материалы на порядок дешевле, но менее чистые. Однако, аморфный диоксид кремния (аэросил и аналоги) – нанодисперсный и его использование может обеспечить так называемый ближний порядок в смеси при протекании реакции синтеза, что в свою очередь приведет к интенсификации очистки и получению карбида кремния высокой чистоты с выходом > 70% (оценочно). Таким образом, можно заключить, что разработка различных технологических маршрутов получения порошка карбида кремния высокой чистоты из различного типа сырья представляет научный и практический интерес, для дальнейшего масштабирования производства востребованного продукта. Предполагаемые результаты. Результаты, полученные в ходе реализации проекта, станут основой для масштабирования технологии получения коммерческих высокочистых порошков карбида кремния для использования в качестве шихты в процессах роста объемных монокристаллов карбида кремния 4Н политипа. Получение качественных высокочистых порошков карбида кремния в рамках общей технологической направленности НИЛ «Синтез и обработка монокристаллов карбида кремния» будет важным (стратегическим) этапом локализации всей технологии получения монокристаллического карбида кремния. Предполагается получить следующие высокочистые порошки из различного сырья по соответствующим технологическим маршрутам: 1) Порошок карбида кремния (1,5 кг) полученный методом СВС в режиме объемного горения должен состоять из следующих фаз: гексагональный карбид кремния (α-SiC) > 92%, кремний остаточный < 2%, диоксид кремния < 2%, графит остаточный < 4%. Порошок карбида кремния полученный из импортного и отечественного сырья методом СВС в режиме объемного горения должен иметь чистоту > 99,9995% (5N5) для фазы α-SiC. 2) Порошок карбида кремния (1,5 кг) полученный методом карботермического синтеза должен состоять из следующих фаз: гексагональный карбид кремния (α-SiC) > 70%, диоксид кремния < 25%, кремний остаточный < 2%, графит остаточный < 3%. Порошок карбида кремния полученный из импортного и отечественного сырья методом карботермического синтеза должен иметь чистоту > 99,999% (5N) для фазы α-SiC. 3) Порошок карбида кремния (1,5 кг) полученный методом 2-х стадийного карботермического синтеза должен состоять из следующих фаз: гексагональный карбид кремния (α-SiC) > 80%, диоксид кремния < 15%, кремний остаточный < 2%, графит остаточный < 3%. Порошок карбида кремния полученный из импортного и отечественного сырья методом 2-х стадийного карботермического синтеза должен иметь чистоту > 99,999% (5N) для фазы α-SiC. 4) Разработанные технологические маршруты должны иметь возможность масштабирования для проведения процессов синтеза в больших реакционных ячейках установок типа Basic-T и/или в вакуумных печах с камерами больших размеров для получения коммерческих объемов порошков карбида кремния. 5) Технологические маршруты получения высокочистых порошков карбида кремния должны содержать технологические операции, предпочтительно обеспечивающие локализацию в МГУ им. Н.П. Огарева с наименьшим привлечением сторонних организаций.