Silīcija karbīda struktūra un augšanas tehnoloģija (Ⅱ)

Ceturtkārt, Fizikālā tvaika pārneses metode

Fiziskā tvaika transportēšanas (PVT) metode radās no tvaiku fāzes sublimācijas tehnoloģijas, ko Lely izgudroja 1955. gadā. SiC pulveri ievieto grafīta caurulē un karsē līdz augstai temperatūrai, lai sadalītos un sublimētu SiC pulveri, un pēc tam grafīta caurule tiek atdzesēta.Pēc SiC pulvera sadalīšanās tvaika fāzes komponenti tiek nogulsnēti un kristalizēti SiC kristālos ap grafīta cauruli.Lai gan ar šo metodi ir grūti iegūt liela izmēra SiC monokristālus un nogulsnēšanās procesu grafīta caurulē ir grūti kontrolēt, tā sniedz idejas nākamajiem pētniekiem.
Ym Terairov et al.Krievijā uz šī pamata ieviesa sēklu kristālu jēdzienu un atrisināja SiC kristālu nekontrolējamas kristāla formas un kodola stāvokļa problēmu.Turpmākie pētnieki turpināja uzlabot un beidzot izstrādāja fiziskās gāzes fāzes transportēšanas (PVT) metodi rūpnieciskajā lietošanā mūsdienās.

Fiziskā tvaiku pārneses metode kā agrākā SiC kristālu augšanas metode ir visizplatītākā SiC kristālu augšanas metode.Salīdzinot ar citām metodēm, metodei ir zemas prasības augšanas iekārtām, vienkāršam augšanas procesam, spēcīgai vadāmībai, rūpīgai izstrādei un izpētei, kā arī ir realizēta rūpnieciska pielietošana.Ar pašreizējo galveno PVT metodi audzēto kristālu struktūra ir parādīta attēlā.

Aksiālos un radiālos temperatūras laukus var kontrolēt, kontrolējot grafīta tīģeļa ārējos siltumizolācijas apstākļus.SiC pulveris tiek novietots grafīta tīģeļa apakšā ar augstāku temperatūru, un SiC sēklu kristāls tiek fiksēts grafīta tīģeļa augšpusē ar zemāku temperatūru.Attālums starp pulveri un sēklām parasti tiek kontrolēts līdz desmitiem milimetru, lai izvairītos no saskares starp augošo monokristālu un pulveri.Temperatūras gradients parasti ir diapazonā no 15-35℃/cm.Lai palielinātu konvekciju, krāsnī tiek turēta inerta gāze 50-5000 Pa.Tādā veidā pēc tam, kad SiC pulveris tiek uzkarsēts līdz 2000–2500 ℃ ar indukcijas karsēšanu, SiC pulveris sublimēsies un sadalīsies Si, Si2C, SiC2 un citās tvaiku komponentēs un tiks transportēts uz sēklas galu ar gāzes konvekciju, un SiC kristāls tiek kristalizēts uz sēklu kristāla, lai panāktu monokristālu augšanu.Tās tipiskais augšanas ātrums ir 0,1-2 mm/h.

PVT process koncentrējas uz augšanas temperatūras, temperatūras gradienta, augšanas virsmas, materiāla virsmas atstatuma un augšanas spiediena kontroli, tā priekšrocība ir tā, ka tā process ir salīdzinoši nobriedis, izejvielas ir viegli ražot, izmaksas ir zemas, bet augšanas process PVT metodi ir grūti ievērot, kristālu augšanas ātrums 0,2-0,4mm/h, grūti izaudzēt kristālus ar lielu biezumu (>50mm).Pēc gadu desmitiem ilgiem nepārtrauktiem centieniem pašreizējais ar PVT metodi audzēto SiC substrāta vafeļu tirgus ir bijis ļoti milzīgs, un SiC substrāta vafeļu gada produkcija var sasniegt simtiem tūkstošu vafeļu, un tā izmērs pakāpeniski mainās no 4 collām uz 6 collām. , un ir izstrādājis 8 collu SiC substrāta paraugus.

 

Piektkārt,Augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšanas metode

 

Augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšana (HTCVD) ir uzlabota metode, kuras pamatā ir ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD).Pirmo reizi šo metodi 1995. gadā ierosināja Kordina et al., Linkoping University, Zviedrija.
Augšanas struktūras diagramma ir parādīta attēlā:

Aksiālos un radiālos temperatūras laukus var kontrolēt, kontrolējot grafīta tīģeļa ārējos siltumizolācijas apstākļus.SiC pulveris tiek novietots grafīta tīģeļa apakšā ar augstāku temperatūru, un SiC sēklu kristāls tiek fiksēts grafīta tīģeļa augšpusē ar zemāku temperatūru.Attālums starp pulveri un sēklām parasti tiek kontrolēts līdz desmitiem milimetru, lai izvairītos no saskares starp augošo monokristālu un pulveri.Temperatūras gradients parasti ir diapazonā no 15-35℃/cm.Lai palielinātu konvekciju, krāsnī tiek turēta inerta gāze 50-5000 Pa.Tādā veidā pēc tam, kad SiC pulveris tiek uzkarsēts līdz 2000–2500 ℃ ar indukcijas karsēšanu, SiC pulveris sublimēsies un sadalīsies Si, Si2C, SiC2 un citās tvaiku komponentēs un tiks transportēts uz sēklas galu ar gāzes konvekciju, un SiC kristāls tiek kristalizēts uz sēklu kristāla, lai panāktu monokristālu augšanu.Tās tipiskais augšanas ātrums ir 0,1-2 mm/h.

PVT process koncentrējas uz augšanas temperatūras, temperatūras gradienta, augšanas virsmas, materiāla virsmas atstatuma un augšanas spiediena kontroli, tā priekšrocība ir tā, ka tā process ir salīdzinoši nobriedis, izejvielas ir viegli ražot, izmaksas ir zemas, bet augšanas process PVT metodi ir grūti ievērot, kristālu augšanas ātrums 0,2-0,4mm/h, grūti izaudzēt kristālus ar lielu biezumu (>50mm).Pēc gadu desmitiem ilgiem nepārtrauktiem centieniem pašreizējais ar PVT metodi audzēto SiC substrāta vafeļu tirgus ir bijis ļoti milzīgs, un SiC substrāta vafeļu gada produkcija var sasniegt simtiem tūkstošu vafeļu, un tā izmērs pakāpeniski mainās no 4 collām uz 6 collām. , un ir izstrādājis 8 collu SiC substrāta paraugus.

 

Piektkārt,Augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšanas metode

 

Augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšana (HTCVD) ir uzlabota metode, kuras pamatā ir ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD).Pirmo reizi šo metodi 1995. gadā ierosināja Kordina et al., Linkoping University, Zviedrija.
Augšanas struktūras diagramma ir parādīta attēlā:

Kad SiC kristālu audzē ar šķidrās fāzes metodi, temperatūras un konvekcijas sadalījums palīgšķīdumā ir parādīts attēlā:

Redzams, ka temperatūra pie tīģeļa sienas palīgšķīdumā ir augstāka, savukārt pie sēklu kristāla temperatūra ir zemāka.Augšanas procesa laikā grafīta tīģelis nodrošina C avotu kristālu augšanai.Tā kā temperatūra pie tīģeļa sienas ir augsta, C šķīdība ir liela un šķīdināšanas ātrums ir ātrs, liels daudzums C tiks izšķīdināts pie tīģeļa sieniņas, veidojot piesātinātu C šķīdumu. Šie šķīdumi ar lielu daudzumu izšķīdinātais C tiks transportēts uz sēklu kristālu apakšējo daļu konvekcijas ceļā palīgšķīdumā.Sēklu kristāla gala zemās temperatūras dēļ atbilstošā C šķīdība attiecīgi samazinās, un sākotnējais C piesātinātais šķīdums kļūst par pārsātinātu C šķīdumu pēc tam, kad šādos apstākļos tiek pārnests uz zemas temperatūras galu.Suprataturēts C šķīdumā apvienojumā ar Si palīgšķīdumā var izaugt SiC kristālu epitaksiāli uz sēklu kristāla.Kad C superforētā daļa izgulsnējas, šķīdums ar konvekciju atgriežas tīģeļa sienas augstas temperatūras galā un atkal izšķīdina C, veidojot piesātinātu šķīdumu.

Viss process atkārtojas, un SiC kristāls aug.Šķidrās fāzes augšanas procesā C izšķīšana un nogulsnēšanās šķīdumā ir ļoti svarīgs augšanas progresa rādītājs.Lai nodrošinātu stabilu kristālu augšanu, ir jāsaglabā līdzsvars starp C izšķīšanu tīģeļa sieniņā un nokrišņiem sēklu galā.Ja C izšķīšana ir lielāka par C izgulsnēšanos, tad C kristālā pakāpeniski tiek bagātināts un notiks spontāna SiC kodola veidošanās.Ja C izšķīšana ir mazāka par C nokrišņu daudzumu, kristālu augšanu būs grūti veikt izšķīdušās vielas trūkuma dēļ.
Tajā pašā laikā C transportēšana ar konvekciju ietekmē arī C piegādi augšanas laikā.Lai izaudzētu SiC kristālus ar pietiekami labu kristāla kvalitāti un pietiekamu biezumu, nepieciešams nodrošināt augstākminēto trīs elementu līdzsvaru, kas ievērojami palielina SiC šķidrās fāzes augšanas grūtības.Tomēr, pakāpeniski uzlabojot un uzlabojot saistītās teorijas un tehnoloģijas, pakāpeniski parādīsies SiC kristālu šķidrās fāzes augšanas priekšrocības.
Pašlaik Japānā var panākt 2 collu SiC kristālu augšanu šķidrā fāzē, un tiek izstrādāta arī 4 collu kristālu šķidrās fāzes augšana.Patlaban attiecīgie pašmāju pētījumi nav redzējuši labus rezultātus, un ir nepieciešams turpināt attiecīgo pētniecības darbu.

 

Septītkārt, SiC kristālu fizikālās un ķīmiskās īpašības

 

(1) Mehāniskās īpašības: SiC kristāliem ir ārkārtīgi augsta cietība un laba nodilumizturība.Tā Mosa cietība ir no 9,2 līdz 9,3, un tā Krit cietība ir no 2900 līdz 3100 kg/mm2, kas ir otrais pēc dimanta kristāliem starp atklātajiem materiāliem.Pateicoties lieliskām SiC mehāniskajām īpašībām, SiC pulveri bieži izmanto griešanas vai slīpēšanas nozarē, un ikgadējais pieprasījums ir līdz pat miljoniem tonnu.Dažu sagatavju nodilumizturīgajam pārklājumam tiks izmantots arī SiC pārklājums, piemēram, dažu karakuģu nodilumizturīgais pārklājums sastāv no SiC pārklājuma.

(2) Siltuma īpašības: SiC siltumvadītspēja var sasniegt 3-5 W/cm·K, kas ir 3 reizes lielāka nekā tradicionālā pusvadītāja Si un 8 reizes lielāka nekā GaAs.SiC sagatavotās ierīces siltuma ražošanu var ātri novadīt, tāpēc prasības SiC ierīces siltuma izkliedes apstākļiem ir salīdzinoši brīvas, un tā ir vairāk piemērota lieljaudas ierīču sagatavošanai.SiC ir stabilas termodinamiskās īpašības.Normālos spiediena apstākļos SiC tiks tieši sadalīts tvaikos, kas satur Si un C augstāk.

(3) Ķīmiskās īpašības: SiC ir stabilas ķīmiskās īpašības, laba izturība pret koroziju, un tas istabas temperatūrā nereaģē ar kādu zināmu skābi.SiC, kas ilgstoši novietots gaisā, lēnām veidos plānu blīva SiO2 kārtiņu, novēršot turpmākas oksidācijas reakcijas.Kad temperatūra paaugstinās līdz vairāk nekā 1700 ℃, SiO2 plānslānis kūst un ātri oksidējas.SiC var iziet lēnu oksidācijas reakciju ar izkausētiem oksidētājiem vai bāzēm, un SiC vafeles parasti tiek korozijas izkausētā KOH un Na2O2, lai raksturotu dislokāciju SiC kristālos..

(4) Elektriskās īpašības: SiC kā reprezentatīvs materiāls platjoslas pusvadītājiem, 6H-SiC un 4H-SiC joslas platums ir attiecīgi 3,0 eV un 3,2 eV, kas ir 3 reizes lielāks nekā Si un 2 reizes lielāks nekā GaAs.No SiC izgatavotajām pusvadītāju ierīcēm ir mazāka noplūdes strāva un lielāks pārrāvuma elektriskais lauks, tāpēc SiC tiek uzskatīts par ideālu materiālu lieljaudas ierīcēm.Arī SiC piesātināto elektronu mobilitāte ir 2 reizes lielāka nekā Si, un tam ir arī acīmredzamas priekšrocības augstfrekvences ierīču sagatavošanā.P-tipa SiC kristālus vai N-tipa SiC kristālus var iegūt, leģējot kristālos esošos piemaisījumu atomus.Pašlaik P-tipa SiC kristāli galvenokārt ir leģēti ar Al, B, Be, O, Ga, Sc un citiem atomi, un N-tipa SiC kristāli galvenokārt ir leģēti ar N atomiem.Dopinga koncentrācijas un veida atšķirības lielā mērā ietekmēs SiC fizikālās un ķīmiskās īpašības.Tajā pašā laikā brīvo nesēju var piestiprināt ar dziļa līmeņa dopingu, piemēram, V, var palielināt pretestību un iegūt daļēji izolējošu SiC kristālu.

(5) Optiskās īpašības: salīdzinoši plašās joslas spraugas dēļ neleģētais SiC kristāls ir bezkrāsains un caurspīdīgs.Leģētie SiC kristāli parāda dažādas krāsas to atšķirīgo īpašību dēļ, piemēram, 6H-SiC pēc N dopinga ir zaļš;4H-SiC ir brūns.15R-SiC ir dzeltens.Leģēts ar Al, 4H-SiC izskatās zilā krāsā.Tā ir intuitīva metode, kā atšķirt SiC kristāla tipu, novērojot krāsu atšķirību.Pēdējo 20 gadu laikā nepārtraukti pētot ar SiC saistītās jomas, saistītajās tehnoloģijās ir gūti lieli sasniegumi.

 

Astotais,SiC attīstības statusa ieviešana

Pašlaik SiC nozare ir kļuvusi arvien perfektāka, sākot no substrāta plāksnēm, epitaksiālajām plāksnēm līdz ierīču ražošanai, iesaiņošanai, visa rūpnieciskā ķēde ir nobriedusi, un tā var piegādāt ar SiC saistītus produktus tirgū.

Cree ir līderis SiC kristālu audzēšanas nozarē ar vadošo pozīciju gan SiC substrāta plākšņu izmēra, gan kvalitātes ziņā.Pašlaik Cree ražo 300 000 SiC substrāta mikroshēmu gadā, kas veido vairāk nekā 80% no pasaules sūtījumiem.

2019. gada septembrī Cree paziņoja, ka būvēs jaunu iekārtu Ņujorkas štatā, ASV, kurā tiks izmantotas vismodernākās tehnoloģijas, lai audzētu 200 mm diametra jaudas un RF SiC substrāta vafeles, norādot, ka tā 200 mm SiC substrāta materiāla sagatavošanas tehnoloģija ir kļūt nobriedušāks.

Pašlaik tirgū galvenie SiC substrāta mikroshēmu produkti galvenokārt ir 4H-SiC un 6H-SiC vadošie un daļēji izolētie 2–6 collu tipi.
2015. gada oktobrī Cree bija pirmais, kas laida klajā 200 mm SiC substrāta vafeles N-tipa un LED, iezīmējot 8 collu SiC substrāta plātņu sākumu tirgū.
2016. gadā Romm sāka sponsorēt Venturi komandu un bija pirmais, kas automašīnā izmantoja IGBT + SiC SBD kombināciju, lai aizstātu IGBT + Si FRD risinājumu tradicionālajā 200 kW invertorā.Pēc uzlabošanas invertora svars tiek samazināts par 2 kg un izmērs tiek samazināts par 19%, saglabājot tādu pašu jaudu.

2017. gadā pēc SiC MOS + SiC SBD tālākas pieņemšanas ne tikai svars tiek samazināts par 6 kg, izmērs ir samazināts par 43%, bet arī invertora jauda tiek palielināta no 200 kW uz 220 kW.
Pēc tam, kad Tesla 2018. gadā ieviesa uz SIC balstītas ierīces savu Model 3 produktu galvenajos piedziņas invertoros, demonstrācijas efekts tika strauji pastiprināts, padarot xEV automobiļu tirgu drīzumā par uztraukuma avotu SiC tirgū.Veiksmīgi pielietojot SiC, strauji pieaugusi arī ar to saistītā tirgus produkcijas vērtība.

Devītais,Secinājums:

Nepārtraukti uzlabojot ar SiC saistītās nozares tehnoloģijas, tā ražīgums un uzticamība tiks vēl vairāk uzlabota, samazināsies arī SiC ierīču cena, un SiC konkurētspēja tirgū kļūs acīmredzamāka.Nākotnē SiC ierīces tiks plašāk izmantotas dažādās jomās, piemēram, automobiļos, sakaros, elektrotīklos un transportā, un produktu tirgus būs plašāks, un tirgus apjoms tiks vēl vairāk paplašināts, kļūstot par nozīmīgu atbalstu valsts ekonomika.