Նորություններ - Սիլիցիումի կարբիդի կառուցվածք և աճի տեխնոլոգիա (Ⅱ)

Չորրորդ, Ֆիզիկական գոլորշիների փոխանցման մեթոդ

Ֆիզիկական գոլորշիների տեղափոխման (PVT) մեթոդը ծագել է գոլորշիների փուլային սուբլիմացիայի տեխնոլոգիայից, որը հորինել է Lely-ն 1955 թվականին: SiC փոշին տեղադրվում է գրաֆիտի խողովակի մեջ և տաքացվում մինչև բարձր ջերմաստիճան՝ SiC փոշի քայքայելու և սուբլիմացնելու համար, իսկ հետո գրաֆիտի խողովակը սառչում է: SiC փոշու քայքայվելուց հետո գոլորշիների փուլային բաղադրիչները նստում և բյուրեղացվում են գրաֆիտի խողովակի շուրջ SiC բյուրեղների մեջ: Չնայած այս մեթոդը դժվար է մեծ չափի SiC միաբյուրեղներ ձեռք բերել, և գրաֆիտի խողովակում նստեցման գործընթացը դժվար է վերահսկել, այն գաղափարներ է տալիս հետագա հետազոտողների համար:
Ym Terairov et al. Ռուսաստանում ներկայացրեց սերմերի բյուրեղների հայեցակարգը այս հիմքի վրա և լուծեց բյուրեղների անվերահսկելի ձևի և SiC բյուրեղների միջուկացման դիրքի խնդիրը: Հետագա հետազոտողները շարունակեցին կատարելագործել և, ի վերջո, մշակեցին ֆիզիկական գազաֆազային փոխադրման (PVT) մեթոդը այսօր արդյունաբերական օգտագործման մեջ:

Որպես SiC բյուրեղների աճի ամենավաղ մեթոդ՝ ֆիզիկական գոլորշիների փոխանցման մեթոդը SiC բյուրեղների աճի ամենահիմնական աճի մեթոդն է: Համեմատած այլ մեթոդների հետ, մեթոդը ցածր պահանջներ ունի աճի սարքավորումների, աճի պարզ գործընթացի, ուժեղ վերահսկելիության, մանրակրկիտ մշակման և հետազոտության համար և իրականացրել է արդյունաբերական կիրառություն: Ներկայիս հիմնական PVT մեթոդով աճեցված բյուրեղի կառուցվածքը ներկայացված է նկարում:

Առանցքային և շառավղային ջերմաստիճանի դաշտերը կարող են կառավարվել՝ վերահսկելով գրաֆիտի կարասի արտաքին ջերմամեկուսացման պայմանները: SiC փոշին տեղադրվում է ավելի բարձր ջերմաստիճանով գրաֆիտային կարասի հատակին, իսկ SiC սերմերի բյուրեղը ամրացվում է ավելի ցածր ջերմաստիճանով գրաֆիտի կարասի վերին մասում: Փոշու և սերմի միջև հեռավորությունը սովորաբար վերահսկվում է մինչև տասնյակ միլիմետր՝ աճող մեկ բյուրեղի և փոշու միջև շփումից խուսափելու համար: Ջերմաստիճանի գրադիենտը սովորաբար 15-35℃/սմ միջակայքում է: 50-5000 Պա իներտ գազը պահվում է վառարանում՝ կոնվեկցիան մեծացնելու համար։ Այս կերպ, այն բանից հետո, երբ SiC փոշին ինդուկցիոն տաքացմամբ տաքացվի մինչև 2000-2500℃, SiC փոշին կսուբլիմացվի և կքայքայվի Si, Si2C, SiC2 և այլ գոլորշի բաղադրիչների, և գազի կոնվեկցիայով կտեղափոխվի սերմի ծայրը, և SiC բյուրեղը բյուրեղացվում է սերմերի բյուրեղի վրա՝ հասնելու մեկ բյուրեղի աճի: Նրա բնորոշ աճի արագությունը 0,1-2 մմ/ժ է:

PVT գործընթացը կենտրոնանում է աճի ջերմաստիճանի, ջերմաստիճանի գրադիենտի, աճի մակերեսի, նյութի մակերեսի տարածության և աճի ճնշման վերահսկման վրա, դրա առավելությունն այն է, որ դրա գործընթացը համեմատաբար հասուն է, հումքը հեշտ է արտադրվում, արժեքը ցածր է, բայց աճի գործընթացը PVT մեթոդը դժվար է դիտարկել, բյուրեղների աճի արագությունը 0,2-0,4մմ/ժ է, դժվար է աճեցնել մեծ հաստությամբ (>50մմ) բյուրեղները: Տասնամյակների շարունակական ջանքերից հետո, PVT մեթոդով աճեցված SiC ենթաշերտի վաֆլիների ներկայիս շուկան շատ հսկայական է եղել, և SiC ենթաշերտի վաֆլիների տարեկան արտադրանքը կարող է հասնել հարյուր հազարավոր վաֆլիների, և դրա չափը աստիճանաբար փոխվում է 4 դյույմից մինչև 6 դյույմ: և մշակել է 8 դյույմ SiC ենթաշերտի նմուշներ:

Հինգերորդ,Բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գոլորշիների նստեցման մեթոդ

Բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գոլորշիների նստեցումը (HTCVD) բարելավված մեթոդ է, որը հիմնված է քիմիական գոլորշիների նստեցման (CVD) վրա: Մեթոդն առաջին անգամ առաջարկվել է 1995 թվականին Կորդինայի և այլոց կողմից, Լինկոպինգի համալսարան, Շվեդիա:
Աճի կառուցվածքի դիագրամը ներկայացված է նկարում.

Հինգերորդ,Բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գոլորշիների նստեցման մեթոդ

Երբ SiC բյուրեղը աճեցվում է հեղուկ փուլային մեթոդով, ջերմաստիճանը և կոնվեկցիայի բաշխումը օժանդակ լուծույթի ներսում ներկայացված են նկարում.

Տեսանելի է, որ օժանդակ լուծույթում խառնարանի պատի մոտ ջերմաստիճանը ավելի բարձր է, մինչդեռ սերմերի բյուրեղի ջերմաստիճանը ավելի ցածր է: Աճման գործընթացում գրաֆիտի կարասը ապահովում է C աղբյուր բյուրեղների աճի համար: Քանի որ խառնարանի պատի ջերմաստիճանը բարձր է, C-ի լուծելիությունը մեծ է, իսկ տարրալուծման արագությունը՝ արագ, մեծ քանակությամբ C-ը կլուծվի խառնարանի պատի վրա՝ ձևավորելով C-ի հագեցած լուծույթ: Այս լուծույթները մեծ քանակությամբ լուծարված C-ն օժանդակ լուծույթում կոնվեկցիայի միջոցով կտեղափոխվի սերմերի բյուրեղների ստորին հատված: Սերմերի բյուրեղի ծայրի ցածր ջերմաստիճանի պատճառով համապատասխան C-ի լուծելիությունը նվազում է, և սկզբնական C-ով հագեցած լուծույթը դառնում է C-ի գերհագեցած լուծույթ՝ այս պայմանով ցածր ջերմաստիճանի ծայրին տեղափոխելուց հետո։ Գերհագեցած C-ն լուծույթում, որը համակցված է Si-ի հետ օժանդակ լուծույթում, կարող է սերմացու բյուրեղի վրա աճեցնել SiC բյուրեղյա էպիտաքսիալ: Երբ C-ի գերֆորած մասը նստում է, լուծույթը կոնվեկցիայով վերադառնում է խառնարանի պատի բարձր ջերմաստիճանի ծայրը և կրկին լուծարում C-ը՝ առաջացնելով հագեցած լուծույթ:

Ամբողջ գործընթացը կրկնվում է, և SiC բյուրեղը աճում է: Հեղուկ ֆազային աճի գործընթացում լուծույթում Գ–ի տարրալուծումը և նստեցումը աճի առաջընթացի շատ կարևոր ցուցանիշ է։ Բյուրեղների կայուն աճ ապահովելու համար անհրաժեշտ է հավասարակշռություն պահպանել խառնարանի պատում C-ի տարրալուծման և սերմի վերջում տեղումների միջև: Եթե C-ի տարրալուծումը ավելի մեծ է, քան C-ի տեղումները, ապա C-ն բյուրեղում աստիճանաբար հարստանում է, և տեղի կունենա SiC-ի ինքնաբուխ միջուկացում։ Եթե C-ի տարրալուծումը պակաս է C-ի տեղումներից, ապա բյուրեղների աճը դժվար կլինի իրականացնել լուծված նյութի բացակայության պատճառով։
Միևնույն ժամանակ, C-ի փոխադրումը կոնվեկցիայով ազդում է նաև աճի ժամանակ C-ի մատակարարման վրա։ SiC բյուրեղները բավական լավ բյուրեղային որակով և բավարար հաստությամբ աճեցնելու համար անհրաժեշտ է ապահովել վերը նշված երեք տարրերի հավասարակշռությունը, ինչը մեծապես մեծացնում է SiC հեղուկ փուլի աճի դժվարությունը: Այնուամենայնիվ, հարակից տեսությունների և տեխնոլոգիաների աստիճանական կատարելագործմամբ և կատարելագործմամբ, SiC բյուրեղների հեղուկ փուլային աճի առավելությունները աստիճանաբար կցուցաբերվեն:
Ներկայումս Ճապոնիայում կարելի է հասնել 2 դյույմանոց SiC բյուրեղների հեղուկ փուլի աճին, ինչպես նաև մշակվում է 4 դյույմանոց բյուրեղների հեղուկ փուլի աճը: Ներկայում համապատասխան հայրենական հետազոտությունները լավ արդյունքներ չեն գրանցել, և անհրաժեշտ է հետամուտ լինել համապատասխան հետազոտական աշխատանքներին։

Յոթերորդ, SiC բյուրեղների ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները

(1) Մեխանիկական հատկություններ. SiC բյուրեղներն ունեն չափազանց բարձր կարծրություն և լավ մաշվածության դիմադրություն: Նրա Mohs կարծրությունը 9,2-ից 9,3 է, իսկ Կրիտի կարծրությունը՝ 2900-ից 3100 կգ/մմ2, ինչը հայտնաբերված նյութերից զիջում է միայն ադամանդի բյուրեղներին: SiC-ի գերազանց մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ փոշի SiC-ը հաճախ օգտագործվում է կտրման կամ հղկման արդյունաբերության մեջ, տարեկան պահանջարկով մինչև միլիոնավոր տոննա: Որոշ աշխատանքային մասերի մաշվածության դիմացկուն ծածկույթը կօգտագործի նաև SiC ծածկույթ, Օրինակ, որոշ ռազմանավերի մաշվածության դիմացկուն ծածկույթը կազմված է SiC ծածկույթից:

(2) Ջերմային հատկություններ. SiC-ի ջերմային հաղորդունակությունը կարող է հասնել 3-5 W/cm·K, ինչը 3 անգամ գերազանցում է ավանդական կիսահաղորդչային Si-ին և 8 անգամ գերազանցում է GaAs-ին: SiC-ի կողմից պատրաստված սարքի ջերմային արտադրությունը կարող է արագ հեռացվել, ուստի SiC սարքի ջերմության ցրման պայմանների պահանջները համեմատաբար թույլ են, և այն ավելի հարմար է բարձր հզորության սարքերի պատրաստման համար: SiC-ն ունի կայուն թերմոդինամիկական հատկություններ։ Նորմալ ճնշման պայմաններում SiC-ն ուղղակիորեն կքայքայվի Si և C պարունակող գոլորշու ավելի բարձր մակարդակում.

(3) Քիմիական հատկություններ. SiC-ն ունի կայուն քիմիական հատկություններ, լավ կոռոզիոն դիմադրություն և չի արձագանքում որևէ հայտնի թթվի սենյակային ջերմաստիճանում: Երկար ժամանակ օդում դրված SiC-ը կամաց-կամաց կձևավորի խիտ SiO2-ի բարակ շերտ՝ կանխելով հետագա օքսիդացման ռեակցիաները: Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է ավելի քան 1700℃, SiO2 բարակ շերտը հալեցնում և արագ օքսիդանում է։ SiC-ը կարող է դանդաղ օքսիդացման ռեակցիայի ենթարկվել հալած օքսիդանտների կամ հիմքերի հետ, և SiC վաֆլիները սովորաբար կոռոզիայի են ենթարկվում հալված KOH-ով և Na2O2-ով՝ SiC բյուրեղներում տեղաշարժը բնութագրելու համար:.

(4) Էլեկտրական հատկություններ. SiC-ը որպես լայն շերտով կիսահաղորդիչների ներկայացուցչական նյութ, 6H-SiC և 4H-SiC տիրույթի լայնությունները համապատասխանաբար 3.0 eV և 3.2 eV են, ինչը 3 անգամ գերազանցում է Si-ին և 2 անգամ ավելի քան GaAs-ին: SiC-ից պատրաստված կիսահաղորդչային սարքերն ունեն ավելի փոքր արտահոսքի հոսանք և ավելի մեծ խզման էլեկտրական դաշտ, ուստի SiC-ը համարվում է իդեալական նյութ բարձր հզորության սարքերի համար: SiC-ի հագեցած էլեկտրոնների շարժունակությունը նույնպես 2 անգամ գերազանցում է Si-ին, և այն նաև ակնհայտ առավելություններ ունի բարձր հաճախականության սարքերի պատրաստման հարցում։ P տիպի SiC բյուրեղներ կամ N տիպի SiC բյուրեղներ կարելի է ձեռք բերել բյուրեղներում առկա կեղտոտ ատոմների դոպինգով: Ներկայումս P տիպի SiC բյուրեղները հիմնականում դոպինգ են անում Al, B, Be, O, Ga, Sc և այլ ատոմներով, իսկ N տիպի sic բյուրեղները՝ հիմնականում N ատոմներով: Դոպինգի կոնցենտրացիայի և տեսակի տարբերությունը մեծ ազդեցություն կունենա SiC-ի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների վրա: Միևնույն ժամանակ, ազատ կրիչը կարող է մեխվել խորը մակարդակի դոպինգի միջոցով, ինչպիսին V-ն է, դիմադրողականությունը կարող է մեծանալ, և կարելի է ստանալ կիսամեկուսացնող SiC բյուրեղ:

(5) Օպտիկական հատկություններ. Համեմատաբար լայն գոտի բացվածքի պատճառով չմշակված SiC բյուրեղը անգույն է և թափանցիկ: Դոպինգավորված SiC բյուրեղները իրենց տարբեր հատկությունների պատճառով տարբեր գույներ են ցույց տալիս, օրինակ՝ N դոպինգից հետո 6H-SiC-ը կանաչ է; 4H-SiC-ը շագանակագույն է: 15R-SiC-ը դեղին է: Al-ով համալրված 4H-SiC-ը կապույտ է թվում: Դա ինտուիտիվ մեթոդ է SiC բյուրեղների տեսակը տարբերելու համար՝ դիտարկելով գույների տարբերությունը: Վերջին 20 տարիների ընթացքում SiC-ի հետ կապված ոլորտների շարունակական հետազոտությունների արդյունքում մեծ առաջընթացներ են կատարվել հարակից տեխնոլոգիաներում:

Ութերորդ,SiC-ի զարգացման կարգավիճակի ներդրում

Ներկայումս SiC արդյունաբերությունը գնալով ավելի կատարյալ է դարձել՝ սկսած ենթաշերտային վաֆլիներից, էպիտաքսիալ վաֆլիներից մինչև սարքերի արտադրություն, փաթեթավորում, ամբողջ արդյունաբերական շղթան հասունացել է, և այն կարող է շուկա մատակարարել SiC հարակից արտադրանք:

Cree-ն առաջատար է SiC բյուրեղների աճի արդյունաբերության մեջ՝ առաջատար դիրքով SiC ենթաշերտի վաֆլիների և՛ չափի, և՛ որակի առումով: Cree-ն այժմ արտադրում է տարեկան 300,000 SiC սուբստրատի չիպեր, որոնք կազմում են համաշխարհային առաքումների ավելի քան 80%-ը:

2019 թվականի սեպտեմբերին Cree-ն հայտարարեց, որ կկառուցի նոր հաստատություն Նյու Յորք նահանգում, ԱՄՆ, որը կօգտագործի ամենաառաջադեմ տեխնոլոգիան՝ 200 մմ տրամագծով հզորության և ՌԴ SiC ենթաշերտի վաֆլիներ աճեցնելու համար, ինչը ցույց է տալիս, որ իր 200 մմ SiC ենթաշերտի նյութի պատրաստման տեխնոլոգիան ունի: դառնալ ավելի հասուն.

Ներկայումս շուկայում SiC ենթաշերտի չիպերի հիմնական արտադրանքը հիմնականում 4H-SiC և 6H-SiC հաղորդիչ և 2-6 դյույմ կիսամեկուսացված տեսակներն են:
2015 թվականի հոկտեմբերին Cree-ն առաջինն էր, որ թողարկեց 200 մմ SiC ենթաշերտով վաֆլիներ N-տիպի և LED-ի համար՝ նշանավորելով 8 դյույմանոց SiC ենթաշերտով վաֆլիների շուկա դուրս գալու սկիզբը:
2016 թվականին Romm-ը սկսեց հովանավորել Venturi թիմը և առաջինն էր, ով օգտագործեց IGBT + SiC SBD համակցությունը մեքենայում՝ փոխարինելու IGBT + Si FRD լուծումը ավանդական 200 կՎտ հզորությամբ ինվերտորում։ Բարելավումից հետո ինվերտորի քաշը կրճատվում է 2 կգ-ով, իսկ չափսը՝ 19%-ով՝ պահպանելով նույն հզորությունը։

2017 թվականին, SiC MOS + SiC SBD-ի հետագա ընդունումից հետո, ոչ միայն քաշը կրճատվում է 6 կգ-ով, չափը կրճատվում է 43%-ով, ինչպես նաև ինվերտորի հզորությունը՝ 200 կՎտ-ից մինչև 220 կՎտ։
Այն բանից հետո, երբ Tesla-ն 2018 թվականին ընդունեց SIC-ի վրա հիմնված սարքերը իր Model 3 արտադրանքի հիմնական շարժիչ ինվերտորներում, ցուցադրական էֆեկտը արագորեն ուժեղացավ՝ xEV ավտոմոբիլային շուկան շուտով դարձնելով ոգևորության աղբյուր SiC շուկայի համար: SiC-ի հաջող կիրառմամբ, դրա հետ կապված շուկայական արտադրանքի արժեքը նույնպես արագորեն աճել է:

Իններորդ,Եզրակացություն:

SiC-ին առնչվող արդյունաբերության տեխնոլոգիաների շարունակական բարելավմամբ, դրա արտադրողականությունը և հուսալիությունը հետագայում կբարելավվեն, SiC սարքերի գինը նույնպես կնվազի, և SiC-ի շուկայական մրցունակությունն ավելի ակնհայտ կլինի: Ապագայում SiC սարքերն ավելի լայնորեն կօգտագործվեն տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են ավտոմեքենաները, կապը, էլեկտրացանցերը և տրանսպորտը, իսկ արտադրանքի շուկան ավելի լայն կլինի, իսկ շուկայի չափը ավելի կընդլայնվի՝ դառնալով ազգայինի կարևոր աջակցություն: տնտ.

Հրապարակման ժամանակը` Հունվար-25-2024