Δομή και τεχνολογία ανάπτυξης καρβιδίου του πυριτίου (Ⅱ)

Τέταρτος, Μέθοδος φυσικής μεταφοράς ατμών

Η μέθοδος φυσικής μεταφοράς ατμών (PVT) προήλθε από την τεχνολογία εξάχνωσης φάσης ατμού που εφευρέθηκε από τον Lely το 1955. Η σκόνη SiC τοποθετείται σε σωλήνα γραφίτη και θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία για να αποσυντεθεί και να εξαχνωθεί η σκόνη SiC και στη συνέχεια ο σωλήνας γραφίτη ψύχεται. Μετά την αποσύνθεση της σκόνης SiC, τα συστατικά της φάσης ατμού εναποτίθενται και κρυσταλλώνονται σε κρυστάλλους SiC γύρω από τον σωλήνα γραφίτη. Αν και αυτή η μέθοδος είναι δύσκολο να αποκτηθούν μεγάλου μεγέθους μονοκρυστάλλοι SiC και η διαδικασία εναπόθεσης στον σωλήνα γραφίτη είναι δύσκολο να ελεγχθεί, παρέχει ιδέες για τους επόμενους ερευνητές.
Ym Terairov et al. στη Ρωσία εισήγαγε την έννοια των κρυστάλλων σπόρων σε αυτή τη βάση και έλυσε το πρόβλημα του ανεξέλεγκτου σχήματος κρυστάλλου και της θέσης πυρήνωσης των κρυστάλλων SiC. Οι μετέπειτα ερευνητές συνέχισαν να βελτιώνουν και τελικά ανέπτυξαν τη μέθοδο μεταφοράς φυσικής αέριας φάσης (PVT) στη βιομηχανική χρήση σήμερα.

Ως η πιο πρώιμη μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων SiC, η μέθοδος φυσικής μεταφοράς ατμού είναι η πιο κύρια μέθοδος ανάπτυξης για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC. Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, η μέθοδος έχει χαμηλές απαιτήσεις για εξοπλισμό ανάπτυξης, απλή διαδικασία ανάπτυξης, ισχυρή δυνατότητα ελέγχου, ενδελεχή ανάπτυξη και έρευνα και έχει πραγματοποιήσει βιομηχανική εφαρμογή. Η δομή του κρυστάλλου που αναπτύσσεται με την τρέχουσα κύρια μέθοδο PVT φαίνεται στο σχήμα.

Τα αξονικά και ακτινικά πεδία θερμοκρασίας μπορούν να ελεγχθούν ελέγχοντας τις συνθήκες εξωτερικής θερμομόνωσης του χωνευτηρίου γραφίτη. Η σκόνη SiC τοποθετείται στον πυθμένα του χωνευτηρίου γραφίτη με υψηλότερη θερμοκρασία και ο σπόρος κρύσταλλος SiC στερεώνεται στην κορυφή του χωνευτηρίου γραφίτη με χαμηλότερη θερμοκρασία. Η απόσταση μεταξύ της σκόνης και του σπόρου γενικά ελέγχεται να είναι δεκάδες χιλιοστά για να αποφευχθεί η επαφή μεταξύ του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου και της σκόνης. Η διαβάθμιση θερμοκρασίας είναι συνήθως στην περιοχή 15-35℃/cm. Ένα αδρανές αέριο 50-5000 Pa διατηρείται στον κλίβανο για να αυξήσει τη μεταφορά. Με αυτόν τον τρόπο, αφού η σκόνη SiC θερμανθεί στους 2000-2500℃ με επαγωγική θέρμανση, η σκόνη SiC θα εξαχνωθεί και θα αποσυντεθεί σε Si, Si2C, SiC2 και άλλα συστατικά ατμού και θα μεταφερθεί στο άκρο του σπόρου με μεταφορά αερίου και Ο κρύσταλλος SiC κρυσταλλώνεται στον κρύσταλλο των σπόρων για να επιτευχθεί ανάπτυξη μονού κρυστάλλου. Ο τυπικός ρυθμός ανάπτυξής του είναι 0,1-2 mm/h.

Η διαδικασία PVT εστιάζει στον έλεγχο της θερμοκρασίας ανάπτυξης, της κλίσης θερμοκρασίας, της επιφάνειας ανάπτυξης, της απόστασης επιφάνειας υλικού και της πίεσης ανάπτυξης, το πλεονέκτημά της είναι ότι η διαδικασία της είναι σχετικά ώριμη, οι πρώτες ύλες είναι εύκολο να παραχθούν, το κόστος είναι χαμηλό, αλλά η διαδικασία ανάπτυξης Η μέθοδος PVT είναι δύσκολο να παρατηρηθεί, ρυθμός ανάπτυξης κρυστάλλων 0,2-0,4 mm/h, είναι δύσκολο να αναπτυχθούν κρύσταλλοι με μεγάλο πάχος (>50 mm). Μετά από δεκαετίες συνεχών προσπαθειών, η τρέχουσα αγορά για γκοφρέτες υποστρώματος SiC που καλλιεργούνται με τη μέθοδο PVT είναι πολύ τεράστια και η ετήσια παραγωγή πλακών υποστρώματος SiC μπορεί να φτάσει τις εκατοντάδες χιλιάδες γκοφρέτες και το μέγεθός της σταδιακά αλλάζει από 4 ίντσες σε 6 ίντσες , και έχει αναπτύξει 8 ίντσες δειγμάτων υποστρώματος SiC.

 

Πέμπτος,Μέθοδος εναπόθεσης χημικών ατμών σε υψηλή θερμοκρασία

 

Η χημική εναπόθεση ατμών υψηλής θερμοκρασίας (HTCVD) είναι μια βελτιωμένη μέθοδος που βασίζεται στη χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Η μέθοδος προτάθηκε για πρώτη φορά το 1995 από τους Kordina et al., Πανεπιστήμιο Linkoping, Σουηδία.
Το διάγραμμα δομής ανάπτυξης φαίνεται στο σχήμα:

Τα αξονικά και ακτινικά πεδία θερμοκρασίας μπορούν να ελεγχθούν ελέγχοντας τις συνθήκες εξωτερικής θερμομόνωσης του χωνευτηρίου γραφίτη. Η σκόνη SiC τοποθετείται στον πυθμένα του χωνευτηρίου γραφίτη με υψηλότερη θερμοκρασία και ο σπόρος κρύσταλλος SiC στερεώνεται στην κορυφή του χωνευτηρίου γραφίτη με χαμηλότερη θερμοκρασία. Η απόσταση μεταξύ της σκόνης και του σπόρου γενικά ελέγχεται να είναι δεκάδες χιλιοστά για να αποφευχθεί η επαφή μεταξύ του αναπτυσσόμενου μονοκρυστάλλου και της σκόνης. Η διαβάθμιση θερμοκρασίας είναι συνήθως στην περιοχή 15-35℃/cm. Ένα αδρανές αέριο 50-5000 Pa διατηρείται στον κλίβανο για να αυξήσει τη μεταφορά. Με αυτόν τον τρόπο, αφού η σκόνη SiC θερμανθεί στους 2000-2500℃ με επαγωγική θέρμανση, η σκόνη SiC θα εξαχνωθεί και θα αποσυντεθεί σε Si, Si2C, SiC2 και άλλα συστατικά ατμού και θα μεταφερθεί στο άκρο του σπόρου με μεταφορά αερίου και Ο κρύσταλλος SiC κρυσταλλώνεται στον κρύσταλλο των σπόρων για να επιτευχθεί ανάπτυξη μονού κρυστάλλου. Ο τυπικός ρυθμός ανάπτυξής του είναι 0,1-2 mm/h.

Η διαδικασία PVT εστιάζει στον έλεγχο της θερμοκρασίας ανάπτυξης, της κλίσης θερμοκρασίας, της επιφάνειας ανάπτυξης, της απόστασης επιφάνειας υλικού και της πίεσης ανάπτυξης, το πλεονέκτημά της είναι ότι η διαδικασία της είναι σχετικά ώριμη, οι πρώτες ύλες είναι εύκολο να παραχθούν, το κόστος είναι χαμηλό, αλλά η διαδικασία ανάπτυξης Η μέθοδος PVT είναι δύσκολο να παρατηρηθεί, ρυθμός ανάπτυξης κρυστάλλων 0,2-0,4 mm/h, είναι δύσκολο να αναπτυχθούν κρύσταλλοι με μεγάλο πάχος (>50 mm). Μετά από δεκαετίες συνεχών προσπαθειών, η τρέχουσα αγορά για γκοφρέτες υποστρώματος SiC που καλλιεργούνται με τη μέθοδο PVT είναι πολύ τεράστια και η ετήσια παραγωγή πλακών υποστρώματος SiC μπορεί να φτάσει τις εκατοντάδες χιλιάδες γκοφρέτες και το μέγεθός της σταδιακά αλλάζει από 4 ίντσες σε 6 ίντσες , και έχει αναπτύξει 8 ίντσες δειγμάτων υποστρώματος SiC.

 

Πέμπτος,Μέθοδος εναπόθεσης χημικών ατμών σε υψηλή θερμοκρασία

 

Η χημική εναπόθεση ατμών υψηλής θερμοκρασίας (HTCVD) είναι μια βελτιωμένη μέθοδος που βασίζεται στη χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Η μέθοδος προτάθηκε για πρώτη φορά το 1995 από τους Kordina et al., Πανεπιστήμιο Linkoping, Σουηδία.
Το διάγραμμα δομής ανάπτυξης φαίνεται στο σχήμα:

Όταν ο κρύσταλλος SiC αναπτύσσεται με τη μέθοδο υγρής φάσης, η κατανομή θερμοκρασίας και μεταφοράς στο εσωτερικό του βοηθητικού διαλύματος φαίνονται στο σχήμα:

Μπορεί να φανεί ότι η θερμοκρασία κοντά στο τοίχωμα του χωνευτηρίου στο βοηθητικό διάλυμα είναι υψηλότερη, ενώ η θερμοκρασία στον κρύσταλλο των σπόρων είναι χαμηλότερη. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης, το χωνευτήριο γραφίτη παρέχει πηγή C για ανάπτυξη κρυστάλλων. Επειδή η θερμοκρασία στο τοίχωμα του χωνευτηρίου είναι υψηλή, η διαλυτότητα του C είναι μεγάλη και ο ρυθμός διάλυσης είναι γρήγορος, μεγάλη ποσότητα C θα διαλυθεί στο τοίχωμα του χωνευτηρίου για να σχηματιστεί ένα κορεσμένο διάλυμα C. Αυτά τα διαλύματα με μεγάλη ποσότητα του C που έχει διαλυθεί θα μεταφερθεί στο κάτω μέρος των κρυστάλλων του σπόρου με μεταφορά εντός του βοηθητικού διαλύματος. Λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας του κρυσταλλικού άκρου του σπόρου, η διαλυτότητα του αντίστοιχου C μειώνεται αντίστοιχα, και το αρχικό διάλυμα C-κορεσμένου γίνεται υπερκορεσμένο διάλυμα C αφού μεταφερθεί στο άκρο χαμηλής θερμοκρασίας υπό αυτήν την κατάσταση. Υπερκορεσμένο C σε διάλυμα σε συνδυασμό με Si σε βοηθητικό διάλυμα μπορεί να αναπτύξει κρύσταλλο SiC επιταξιακά σε κρύσταλλο σπόρων. Όταν το υπερδιάτρητο τμήμα του C καθιζάνει, το διάλυμα επιστρέφει στο υψηλής θερμοκρασίας άκρο του τοιχώματος του χωνευτηρίου με συναγωγή και διαλύει το C ξανά για να σχηματίσει ένα κορεσμένο διάλυμα.

Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται και ο κρύσταλλος SiC μεγαλώνει. Στη διαδικασία ανάπτυξης υγρής φάσης, η διάλυση και η καθίζηση του C σε διάλυμα είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης προόδου της ανάπτυξης. Προκειμένου να διασφαλιστεί η σταθερή ανάπτυξη των κρυστάλλων, είναι απαραίτητο να διατηρηθεί μια ισορροπία μεταξύ της διάλυσης του C στο τοίχωμα του χωνευτηρίου και της καθίζησης στο άκρο του σπόρου. Εάν η διάλυση του C είναι μεγαλύτερη από την καθίζηση του C, τότε το C στον κρύσταλλο εμπλουτίζεται σταδιακά και θα συμβεί αυθόρμητη πυρήνωση του SiC. Εάν η διάλυση του C είναι μικρότερη από την καθίζηση του C, η ανάπτυξη των κρυστάλλων θα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί λόγω της έλλειψης διαλυμένης ουσίας.
Ταυτόχρονα, η μεταφορά του C με συναγωγή επηρεάζει επίσης την προσφορά του C κατά την ανάπτυξη. Προκειμένου να αναπτυχθούν κρύσταλλοι SiC με αρκετά καλή ποιότητα κρυστάλλου και επαρκές πάχος, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η ισορροπία των παραπάνω τριών στοιχείων, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη δυσκολία ανάπτυξης της υγρής φάσης του SiC. Ωστόσο, με τη σταδιακή βελτίωση και βελτίωση των σχετικών θεωριών και τεχνολογιών, σταδιακά θα φανούν τα πλεονεκτήματα της ανάπτυξης υγρής φάσης των κρυστάλλων SiC.
Επί του παρόντος, η ανάπτυξη υγρής φάσης κρυστάλλων SiC 2 ιντσών μπορεί να επιτευχθεί στην Ιαπωνία και αναπτύσσεται επίσης η ανάπτυξη υγρής φάσης κρυστάλλων 4 ιντσών. Προς το παρόν, η σχετική εγχώρια έρευνα δεν έχει δει καλά αποτελέσματα και είναι απαραίτητο να δοθεί συνέχεια στις σχετικές ερευνητικές εργασίες.

 

Εβδομος, Φυσικές και χημικές ιδιότητες των κρυστάλλων SiC

 

(1) Μηχανικές ιδιότητες: Οι κρύσταλλοι SiC έχουν εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα και καλή αντοχή στη φθορά. Η σκληρότητά του σε Mohs είναι μεταξύ 9,2 και 9,3 και η σκληρότητά του σε Krit είναι μεταξύ 2900 και 3100 Kg/mm2, το οποίο είναι το δεύτερο μόνο μετά τους κρυστάλλους διαμαντιών μεταξύ των υλικών που έχουν ανακαλυφθεί. Λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων του SiC, η σκόνη SiC χρησιμοποιείται συχνά στη βιομηχανία κοπής ή λείανσης, με ετήσια ζήτηση έως και εκατομμυρίων τόνων. Η ανθεκτική στη φθορά επίστρωση σε ορισμένα τεμάχια εργασίας θα χρησιμοποιεί επίσης επίστρωση SiC, για παράδειγμα, η ανθεκτική στη φθορά επίστρωση σε ορισμένα πολεμικά πλοία αποτελείται από επίστρωση SiC.

(2) Θερμικές ιδιότητες: η θερμική αγωγιμότητα του SiC μπορεί να φτάσει τα 3-5 W/cm·K, που είναι 3 φορές εκείνη του παραδοσιακού ημιαγωγού Si και 8 φορές εκείνη του GaAs. Η παραγωγή θερμότητας της συσκευής που παρασκευάζεται από το SiC μπορεί να διεξαχθεί γρήγορα, επομένως οι απαιτήσεις των συνθηκών απαγωγής θερμότητας της συσκευής SiC είναι σχετικά χαλαρές και είναι πιο κατάλληλη για την προετοιμασία συσκευών υψηλής ισχύος. Το SiC έχει σταθερές θερμοδυναμικές ιδιότητες. Υπό κανονικές συνθήκες πίεσης, το SiC θα αποσυντεθεί απευθείας σε ατμό που περιέχει Si και C σε υψηλότερα επίπεδα.

(3) Χημικές ιδιότητες: Το SiC έχει σταθερές χημικές ιδιότητες, καλή αντοχή στη διάβρωση και δεν αντιδρά με κανένα γνωστό οξύ σε θερμοκρασία δωματίου. Το SiC που τοποθετείται στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα θα σχηματίσει αργά ένα λεπτό στρώμα πυκνού SiO2, αποτρέποντας περαιτέρω αντιδράσεις οξείδωσης. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται σε περισσότερο από 1700℃, το λεπτό στρώμα SiO2 λιώνει και οξειδώνεται γρήγορα. Το SiC μπορεί να υποβληθεί σε αργή αντίδραση οξείδωσης με λιωμένα οξειδωτικά ή βάσεις και οι γκοφρέτες SiC συνήθως διαβρώνονται σε λιωμένο ΚΟΗ και Na2O2 για να χαρακτηρίσουν την εξάρθρωση στους κρυστάλλους SiC.

(4) Ηλεκτρικές ιδιότητες: Το SiC ως αντιπροσωπευτικό υλικό ημιαγωγών ευρείας ζώνης, τα πλάτη του διακένου ζώνης 6H-SiC και 4H-SiC είναι 3,0 eV και 3,2 eV αντίστοιχα, δηλαδή 3 φορές από το Si και 2 φορές από το GaAs. Οι συσκευές ημιαγωγών από SiC έχουν μικρότερο ρεύμα διαρροής και μεγαλύτερο ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης, επομένως το SiC θεωρείται ιδανικό υλικό για συσκευές υψηλής ισχύος. Η κινητικότητα κορεσμένων ηλεκτρονίων του SiC είναι επίσης 2 φορές υψηλότερη από αυτή του Si και έχει επίσης προφανή πλεονεκτήματα στην παρασκευή συσκευών υψηλής συχνότητας. Οι κρύσταλλοι SiC τύπου P ή οι κρύσταλλοι SiC τύπου Ν μπορούν να ληφθούν με ντόπινγκ των ατόμων ακαθαρσίας στους κρυστάλλους. Προς το παρόν, οι κρύσταλλοι SiC τύπου P εμποτίζονται κυρίως από άτομα Al, B, Be, O, Ga, Sc και άλλα άτομα, και οι κρύσταλλοι sic τύπου Ν εμποτίζονται κυρίως από άτομα Ν. Η διαφορά συγκέντρωσης και τύπου ντόπινγκ θα έχει μεγάλο αντίκτυπο στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του SiC. Ταυτόχρονα, ο ελεύθερος φορέας μπορεί να καρφωθεί από το βαθύ ντόπινγκ όπως το V, η ειδική αντίσταση μπορεί να αυξηθεί και να ληφθεί ο ημιμονωτικός κρύσταλλος SiC.

(5) Οπτικές ιδιότητες: Λόγω του σχετικά μεγάλου κενού ζώνης, ο κρύσταλλος SiC που δεν έχει καλύψει είναι άχρωμος και διαφανής. Οι ντοπαρισμένοι κρύσταλλοι SiC παρουσιάζουν διαφορετικά χρώματα λόγω των διαφορετικών ιδιοτήτων τους, για παράδειγμα, το 6H-SiC είναι πράσινο μετά το ντόπινγκ N. Το 4H-SiC είναι καφέ. Το 15R-SiC είναι κίτρινο. Σε συνδυασμό με Al, το 4H-SiC εμφανίζεται μπλε. Είναι μια διαισθητική μέθοδος για να διακρίνετε τον τύπο κρυστάλλου SiC παρατηρώντας τη διαφορά χρώματος. Με τη συνεχή έρευνα σε πεδία που σχετίζονται με το SiC τα τελευταία 20 χρόνια, έχουν γίνει μεγάλες ανακαλύψεις σε σχετικές τεχνολογίες.

 

Ογδοο,Εισαγωγή της κατάστασης ανάπτυξης SiC

Επί του παρόντος, η βιομηχανία SiC έχει γίνει ολοένα και πιο τέλεια, από γκοφρέτες υποστρώματος, επιταξιακές γκοφρέτες μέχρι παραγωγή συσκευών, συσκευασία, ολόκληρη η βιομηχανική αλυσίδα έχει ωριμάσει και μπορεί να προμηθεύει προϊόντα που σχετίζονται με το SiC στην αγορά.

Η Cree είναι ηγέτης στη βιομηχανία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC με ηγετική θέση τόσο στο μέγεθος όσο και στην ποιότητα των πλακών υποστρώματος SiC. Η Cree παράγει επί του παρόντος 300.000 τσιπ υποστρώματος SiC ετησίως, αντιπροσωπεύοντας περισσότερο από το 80% των παγκόσμιων αποστολών.

Τον Σεπτέμβριο του 2019, η Cree ανακοίνωσε ότι θα κατασκευάσει μια νέα εγκατάσταση στην Πολιτεία της Νέας Υόρκης των ΗΠΑ, η οποία θα χρησιμοποιεί την πιο προηγμένη τεχνολογία για την ανάπτυξη γκοφρετών υποστρώματος ισχύος 200 mm και RF SiC, υποδεικνύοντας ότι η τεχνολογία προετοιμασίας υλικού υποστρώματος SiC 200 mm έχει γίνει πιο ώριμος.

Επί του παρόντος, τα κύρια προϊόντα των τσιπ υποστρώματος SiC στην αγορά είναι κυρίως αγώγιμοι και ημιμονωμένοι τύποι 4H-SiC και 6H-SiC 2-6 ιντσών.
Τον Οκτώβριο του 2015, η Cree ήταν η πρώτη που κυκλοφόρησε γκοφρέτες υποστρώματος SiC 200 mm για N-type και LED, σηματοδοτώντας την έναρξη της κυκλοφορίας των πλακών υποστρώματος SiC 8 ιντσών στην αγορά.
Το 2016, η Romm άρχισε να χορηγεί την ομάδα Venturi και ήταν η πρώτη που χρησιμοποίησε τον συνδυασμό IGBT + SiC SBD στο αυτοκίνητο για να αντικαταστήσει τη λύση IGBT + Si FRD στον παραδοσιακό μετατροπέα 200 kW. Μετά τη βελτίωση, το βάρος του μετατροπέα μειώνεται κατά 2 κιλά και το μέγεθος μειώνεται κατά 19% διατηρώντας την ίδια ισχύ.

Το 2017, μετά την περαιτέρω υιοθέτηση των SiC MOS + SiC SBD, όχι μόνο μειώνεται το βάρος κατά 6 kg, το μέγεθος μειώνεται κατά 43%, και η ισχύς του μετατροπέα αυξάνεται επίσης από 200 kW σε 220 kW.
Αφού η Tesla υιοθέτησε συσκευές βασισμένες σε SIC στους κύριους μετατροπείς κίνησης των προϊόντων της Model 3 το 2018, το αποτέλεσμα επίδειξης ενισχύθηκε γρήγορα, καθιστώντας την αγορά αυτοκινήτων xEV σύντομα πηγή ενθουσιασμού για την αγορά SiC. Με την επιτυχή εφαρμογή του SiC, η σχετική αξία της αγοραίας παραγωγής του έχει επίσης αυξηθεί ραγδαία.

Ενατος,Σύναψη:

Με τη συνεχή βελτίωση των τεχνολογιών του κλάδου που σχετίζονται με το SiC, η απόδοση και η αξιοπιστία του θα βελτιωθούν περαιτέρω, η τιμή των συσκευών SiC θα μειωθεί επίσης και η ανταγωνιστικότητα του SiC στην αγορά θα είναι πιο εμφανής. Στο μέλλον, οι συσκευές SiC θα χρησιμοποιούνται ευρύτερα σε διάφορους τομείς όπως τα αυτοκίνητα, οι επικοινωνίες, τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και οι μεταφορές, και η αγορά προϊόντων θα είναι ευρύτερη και το μέγεθος της αγοράς θα επεκταθεί περαιτέρω, αποτελώντας σημαντική υποστήριξη για την εθνική οικονομία.