1. Ievads silīcija karbīdā
Pusvadītāju materiāli ir kļuvuši par globālās augsto tehnoloģiju konkurences un lielas-spēku konkurences centru. Tostarp platas-joslas pusvadītāju materiāli, ko pārstāv silīcija karbīds (SiC), ir izmantoti liela mēroga -pielietojumos tādās galvenajās jomās kā nākamās-paaudzes mobilie sakari, viedie tīkli, ātrgaitas-dzelzceļa transports, jauni enerģijas transportlīdzekļi un plaša patēriņa elektronika. Silīcija karbīdam ir plaša joslas sprauga, liels elektriskais lauks, augsta siltumvadītspēja, augsts elektronu piesātinājuma ātrums un spēcīga starojuma pretestība. Tas var pārkāpt silīcija-pusvadītāju ierīču veiktspējas ierobežojumus, un tas tiek uzskatīts par spēka elektronikas un mikroviļņu radio{10}}frekvences ierīču "CPU", kā arī zaļās ekonomikas "galveno mikroshēmu" [1].
Silīcija karbīda kristāla struktūra
Silīcija karbīds ir IV-IV savienojums ar unikālām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Si un C atomi veido kovalentās saites, sadalot elektronu pārus sp³ hibrīda orbitālēs, kā rezultātā veidojas tetraedriska savienojuma struktūra, veidojot SiC kristālus. Silīcija karbīdam ir vairāk nekā 200 politipu, kas tiek konstruēti, saliekot Si-C divslāņus dažādās secībās. Zināmie politipi ir 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC u.c. Politipa apzīmējums ir balstīts uz Si-C skaitu ar kristāla divslāņiem vienā sistēmas šūnā, romboedriskam). Dažādiem SiC politipiem ir dažādas elektroniskās, optiskās un mehāniskās īpašības, tādējādi piedāvājot atšķirīgas priekšrocības dažādos lietojumos [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC ir vienkāršākais politips ar kubisku ciešu-iesaiņotu struktūru. Si un C atomi ir sakārtoti noteiktā trīsdimensiju shēmā, veidojot ļoti simetrisku kristālu. Savas simetrijas dēļ 3C-SiC ir salīdzinoši sliktas elektroniskās un optiskās īpašības, tāpēc tam ir ierobežots praktiskais pielietojums.
4H-SiC un 6H-SiC: Atšķirībā no 3C-SiC, 4H-SiC un 6H-SiC ir sešstūrainas ciešas-iepakotas struktūras. Abi politipi ir pārāki par 3C-SiC elektronu mobilitātes, siltumvadītspējas un joslas diapazona ziņā. . 4H-SiC ir lielāka elektronu mobilitāte, tāpēc tas ir ideālāks augstas{12}}frekvences un lieljaudas elektroniskām ierīcēm, un to plaši izmanto jaunos enerģijas transportlīdzekļos, u.c. lielāku joslas atstarpi, padarot to labāku{17}}temperatūras un lielas{18}radiācijas vidēs [4].
Pārskats par silīcija karbīda vietējo un starptautisko attīstību
Deviņdesmitajos gados ārzemju uzņēmumi, piemēram, Cree un Westinghouse, jau bija uzņēmušies vadību 2–4 collu SiC substrātu izstrādē un ražošanā. Ieejot 21. gadsimtā, ar nepārtrauktu tehnoloģisko iterāciju, 6-collu SiC vafeles pakāpeniski kļuva par galveno tirgū. Elektrisko transportlīdzekļu un jauno enerģētikas nozaru straujās izaugsmes dēļ globālais pieprasījums pēc SiC materiāliem ir turpinājis pieaugt. Iekšzemes un ārvalstu uzņēmumi un pētniecības iestādes ir palielinājušas ieguldījumus pētniecībā un attīstībā liela izmēra, augstas kvalitātes SiC plāksnēs. Pašlaik starptautiskie ražotāji, piemēram, Wolfspeed, II-VI un Rohm, ir sasnieguši 8 collu SiC substrātu masveida ražošanu. Ķīnas 14. piecgadu plāna stimulā arī vietējā 8 collu SiC substrāta ražošana ir nonākusi industrializācijas stadijā, un tādi uzņēmumi kā TankeBlue, SICC un Jingsheng Mechanical & Electrical secīgi paziņoja par 8 collu SiC substrātu sērijveida piegādi [5].
Pašlaik 6-collu SiC joprojām ir globālā komerciālā galvenā plūsma, savukārt 8 collu produkti virzās uz industrializāciju. Koncentrētie sasniegumi 12 collu SiC laukā iezīmē kritisku pagrieziena punktu trešās paaudzes pusvadītāju rūpniecībā. Iekšzemes uzņēmumi, tostarp SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, kā arī ASV bāzētais Wolfspeed, ir guvuši ievērojamus panākumus Si12 un viena kristāla izstrādē.
2. Silīcija karbīda monokristālu sagatavošanas metodes
Pašlaik trīs galvenās metodes, ar kurām var iegūt augstas kvalitātes SiC monokristālus, ir fizikālā tvaiku transportēšanas (PVT) metode, augstas temperatūras ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (HTCVD) metode un augstākās -sēklu šķīduma audzēšanas (TSSG) metode.
Fiziskā tvaiku transportēšanas (PVT) metode
1955. gadā Lely pirmo reizi izmantoja sublimācijas metodi SiC monokristālu audzēšanai. Tomēr šai metodei bija daudz raksturīgu trūkumu: ārkārtīgi augsta augšanas temperatūra, grūtības precīzi kontrolēt kodolu veidošanos, zema augšanas efektivitāte, plaša elektrisko parametru izkliede iegūtajos kristālos un parasti mazi kristālu izmēri. Rezultātā ar Lely metodi ražoto SiC kristālu kvalitāte bija slikta, bet izmaksas joprojām bija augstas. Šis tehniskais izaicinājums tika pārvarēts tikai 1978. gadā, kad Tairovs un kolēģi ieviesa sēklu kristālu augšanas procesā, pamatojoties uz tradicionālo Lely metodi, ļaujot efektīvi kontrolēt nukleāciju un samazināt augšanas temperatūru. Šī metode kļuva pazīstama kā modificēta Lely metode, ti, fiziskā tvaiku transportēšanas metode [6-9].
PVT metodei ir raksturīga nobriedusi tehnoloģija un spēcīga vadāmība, un tā pašlaik ir galvenā metode augstas -kvalitatīvas, liela izmēra- SiC iegūšanai. Izmantojot šo metodi, SiC pulveri ievieto grafīta tīģeļa apakšā, un SiC sēklas kristālu ievieto augšpusē. Grafīta tīģelis tiek uzkarsēts līdz SiC sublimācijas temperatūrai, izraisot pulvera sadalīšanos gāzveida veidos, piemēram, Si tvaikos, Si₂C un SiC₂. Aksiālas temperatūras gradienta vadītas, šīs sugas sublimējas līdz tīģeļa augšdaļai un kondensējas uz SiC sēklu virsmas, kristalizējoties SiC monokristālos [6]. Ar šo metodi var masveidā-ražot liela-izmēra augstas-tīrības SiC, un tā ir piemērota liela mēroga{10}}rūpnieciskai ražošanai, taču tās trūkumi ietver lēno augšanas ātrumu un nepieciešamību pēc ievērojama aprīkojuma, kas rada augstas ražošanas izmaksas.
PVT augšanas procesā SiC kristālu augšanu ietekmē daudzi faktori, tostarp temperatūra, temperatūras gradients, tīģeļa spiediens, attālums starp sēklām un polikristālisko pulveri un pulvera tīrība.
1.1 SiC pulvera sintēze
SiC pulveris kā izejviela monokristālu sintezēšanai un audzēšanai tieši ietekmē audzēto kristālu kvalitāti un elektroķīmiskās īpašības. Sastāva segregācijas samazināšana augšanas laikā, piemaisījumu satura samazināšana un transportēšanas veiktspējas uzlabošana ir svarīgi pulvera sagatavošanas un pirmapstrādes mērķi [8].
SiC pulverim, ko izmanto monokristālu audzēšanai, jāatbilst ļoti augstām tīrības prasībām, piemaisījumu saturam ideālā gadījumā zem 0,001%. SiC pulvera pagatavošanai ir daudz metožu, kuras pēc izejvielu sākotnējā stāvokļa var iedalīt cietās -fāzes, šķidrās -fāzes un gāzes-fāzes metodēs. Cietās fāzes metodes galvenokārt ietver karbotermālo reducēšanu, mehānisko drupināšanu un paš-izplatīšanās augstas temperatūras{8}}sintēzi; Šķidrās-fāzes metodes ietver sol-gela un polimēra sadalīšanos; gāzes{11}}fāzes metodes ietver ķīmiskās tvaiku pārklāšanas un plazmas metodes. Tostarp gāzes fāzes metodes var iegūt augstas-tīrības SiC pulveri, kontrolējot piemaisījumu līmeni gāzes avotos; no šķidrās fāzes metodēm tikai ar sola gēla metodi var iegūt pulveri, kas atbilst viena kristāla augšanas tīrības prasībām; No cietās fāzes metodēm uzlabotā pašvairošanās augstas temperatūras sintēzes metode pašlaik ir visplašāk izmantotais un nobriedušais SiC pulvera sagatavošanas process [2,8].
1.2 Tīģelis
Tīģeļa iekšējā struktūra tieši ietekmē audzēto SiC monokristālu izmēru un kvalitāti; ierobežotais augšanas laukums tīģeļa iekšpusē ir svarīgs faktors, kas ierobežo diametra palielināšanos [7]. Turklāt tīģeļi var radīt metāla piemaisījumus materiāla tīrības un apstrādes faktoru dēļ. Ja ir šādi piemaisījumi, tie izraisa nevienmērīgu tīģeļa sildīšanu, ietekmējot temperatūras lauka sadalījumu krāsnī un tādējādi kristāla kvalitāti. Lai no tā izvairītos, tīģelim jāveic attīrīšanas apstrāde [2].
1.3 Sēklu kristāls
SiC kristāliem dažādiem augšanas virzieniem ir atšķirīgs augšanas ātrums. Augšanas virsmas izvēle un izvietojums ietekmē ne tikai kristāla kvalitāti, bet arī kristāla izmēru. Sēklu virsmas morfoloģija un struktūra tieši ietekmē mikrocauruļu un defektu skaitu kristālā. Lai iegūtu lielus-izmēra monokristālus, priekšnoteikums ir liels sēklu kristāls. Sēklu pievienošana parasti tiek panākta, izmantojot līmvielas. Parasti modificētos fenola sveķus izšķīdina etilacetoacetātā, veidojot līmi, kas vienmērīgi tiek uzklāta uz SiC sēklu aizmugures un tīģeļa vāka apakšējās virsmas. Sēklu virsmai tiek piespiests, lai izspiestu burbuļus un lieko līmi. Pēc tam vāku ievieto cepeškrāsnī karsēšanai un tur 2 stundas, kam seko līmes karbonizācija argona atmosfērā. Līmēšanas laikā jāraugās, lai nodrošinātu vienmērīgu spiedienu, lai izvairītos no sēklu plaisāšanas nevienmērīgas slodzes dēļ [2].
1.4 Izaugsmes parametri
Temperatūras, spiediena, temperatūras gradienta, gāzes padeves un citu parametru iestatījumi SiC viena{0}kristāla augšanas laikā tieši ietekmē nogulsnēto kristālu viendabīgumu, kristāliskumu un defektu īpašības. Kristālu augšanas parametru izpēte un projektēšana vienmēr ir bijusi galvenā uzmanība. Kristālu augšanas procesi galvenokārt ietver temperatūras un spiediena kontroli. SiC kristālu augšana ietver siltuma pārnesi, masas pārnesi un ķīmiskās reakcijas. Temperatūras lauka sadalījums krāsnī lielā mērā nosaka SiC monokristālu kvalitāti un augšanas ātrumu. Precīza temperatūras lauka un tvaiku transportēšanas procesu izpratne ir ļoti svarīga, lai iegūtu augstas kvalitātes, liela izmēra kristālus [7].
Populārākā-Sēklu risinājuma pieauguma (TSSG) metode
Izmantojot TSSG metodi, kas pazīstama arī kā šķidrās{0}fāzes metode, SiC monokristālus audzē lēnāk, taču iegūtajiem kristāliem ir augsta struktūras pilnība. TSSG aparāts sastāv no indukcijas spoles, grafīta izolācijas, grafīta tīģeļa, Si kausējuma, SiC sēklu kristāla un vilkšanas stieņa. Grafīta tīģelis tiek izmantots, jo tas ir karstum-izturīgs un korozijizturīgs-, kalpo kā konteiners Si kausējumam, kā arī nodrošina oglekļa avotu kristālu augšanai. Grafīta tīģelī ievieto silīcija izejvielu un dopantus. Tā kā temperatūra pie tīģeļa sienas ir augsta, bet pie sēklu stieņa ir zema, ogleklis izšķīst no grafīta tīģeļa un savienojas ar izkausētu silīciju sēklās, veidojot SiC kristālus. Salīdzinot ar PVT metodi, šķidrās fāzes metode piedāvā tādas priekšrocības kā zemāks dislokācijas blīvums, vieglāka diametra paplašināšanās un iespēja iegūt p- tipa kristālus. Tomēr joprojām ir problēmas saistībā ar piemaisījumu satura kontroli un pārejas elementu izvēli.
Tā kā TSSG metodes būtība ir oglekļa izšķīdināšana un pārkristalizācija silīcija kausējumā, oglekļa šķīdības uzlabošana Si šķīdumā ir atslēga veiksmīgai SiC viena{0}kristāla augšanai. Tomēr oglekļa šķīdība silīcijā ir ārkārtīgi zema, tikai aptuveni 13% pat pie peritektiskās temperatūras 3037 K. Turklāt silīcijs iztvaiko tieši virs 2273 K, tāpēc Si šķīdumam ir jāpievieno citi pārejas vai reti sastopami -zemes elementi, lai palielinātu oglekļa šķīdību. Tāpēc atbilstoša šķīdinātāja izvēle ir vissvarīgākais solis veiksmīgai SiC kristālu augšanai ar TSSG metodi. Vēl viens galvenais pētniecības virziens ir kinētisko procesu kontrole augšanas laikā. Turklāt šķīdinātāja iekļaušana un politipa kontrole ir svarīgas problēmas risinājumu izaugsmē [5,10].
Augstas-temperatūras ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (HTCVD) metode
HTCVD reaktors sastāv no grafīta tīģeļa ar sēklu kristālu, kas novietots augšpusē, ārējās izolācijas un indukcijas sildīšanas. Izejvielas ir gāzveida silīcijs{1}} un oglekli{2}} saturoši savienojumi, piemēram, SiH4, SiCl4, C3H8 un C2H₂. Kontrolējot temperatūru un spiedienu reaktora iekšienē, SiC aug uz sēklām 2200–2500 grādu temperatūrā. Salīdzinot ar PVT metodi, HTCVD metode piedāvā tādas priekšrocības kā augsta tīrība, ērta C/Si attiecības kontrole un nepārtraukta izejmateriālu piegāde. Tā trūkumi ir tādi, ka gan silīcija, gan oglekļa avoti nāk no gāzēm, un augstā augšanas temperatūra rada lielu enerģijas patēriņu un ražošanas izmaksas [2-3].
3. Silīcija karbīda monokristālu attīstības tendences
Raugoties nākotnē, augstas -kvalitātes SiC viena-kristāla sagatavošanas tehnoloģija turpinās uzlabot četros galvenajos virzienos: liels-izmērs, augsta-kvalitāte, zemas-izmaksas un vieda [11]:
Liels{0}}izmērs: SiC monokristālu diametrs ir palielinājies no agrīnās milimetru{0}}skalas līdz pašreizējai 6-collas, 8-collas un pat 12 collas un vairāk. Liela izmēra kristālu sagatavošana var ievērojami uzlabot ražošanas efektivitāti, samazināt vienības ražošanas izmaksas un labāk apmierināt lieljaudas elektronisko ierīču vajadzības.
Augsta{0}}kvalitāte: augstas{0}}kvalitātes SiC substrāti ir uzticamu augstas veiktspējas ierīču pamats. Lai gan SiC viena kristāla kvalitāte ir ievērojami uzlabojusies, kristālu defekti, piemēram, mikrocaurules, izmežģījumi un piemaisījumi, joprojām ir plaši izplatīti, tieši ietekmējot ierīces veiktspēju un ilgtermiņa uzticamību. Turpmākie centieni būs vērsti uz nepārtrauktiem sasniegumiem defektu kontrolē.
Zemas{0}}izmaksas: Pašlaik salīdzinoši augstās SiC monokristālu sagatavošanas izmaksas ierobežo tā plašā mērogā-pielietojumu vairākos scenārijos. Nākotnes izmaksu samazinājumus var panākt, optimizējot kristālu augšanas procesus, uzlabojot ražu un ražošanas efektivitāti, kā arī samazinot izejmateriālu un izejmateriālu izmaksas visā nozares ķēdē.
Inteliģents: Pateicoties mākslīgajam intelektam, lielajiem datiem un citām tehnoloģijām, SiC kristālu augšanas process pakāpeniski kļūs viedāks. Ieviešot-inline sensorus un automatizētas vadības sistēmas, var panākt reāllaika-uzraudzību un precīzu visa izaugsmes procesa regulēšanu, uzlabojot procesa stabilitāti un konsekvenci. Apvienojumā ar lielu-datu analīzi, augšanas parametrus var iteratīvi optimizēt, lai vēl vairāk uzlabotu kristāla kvalitāti un ražošanas efektivitāti.