Цахиурын карбидын бүтэц, өсөлтийн технологи (Ⅱ)

Дөрөвдүгээрт, Уур дамжуулах физик арга

Физик уурын тээвэрлэлт (PVT) арга нь 1955 онд Лелигийн зохион бүтээсэн уурын фазын сублимацийн технологиос гаралтай. SiC нунтагыг бал чулуун хоолойд хийж өндөр температурт халааж SiC нунтагыг задалж, сублиматжуулах ба дараа нь бал хоолойг хөргөнө. SiC нунтаг задралын дараа уурын фазын бүрэлдэхүүн хэсгүүд хуримтлагдаж, бал чулуун хоолойн эргэн тойронд SiC талстууд болж талсждаг. Хэдийгээр энэ арга нь том хэмжээтэй SiC дан талстыг олж авахад хэцүү бөгөөд бал чулуун хоолойд хуримтлагдах процессыг хянахад хэцүү ч дараагийн судлаачдад санаа өгдөг.
Ym Terairov болон бусад. Үүний үндсэн дээр Орос улсад үрийн талст гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлж, SiC талстуудын хяналтгүй талст хэлбэр, бөөмийн байрлалын асуудлыг шийдсэн. Дараачийн судлаачид өнөө үед үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд физик хийн фазын тээвэрлэлтийн (PVT) аргыг үргэлжлүүлэн сайжруулж, боловсруулжээ.

SiC талст өсөлтийн хамгийн эртний аргын хувьд физик уур дамжуулах арга нь SiC талст өсөлтийн хамгийн гол өсөлтийн арга юм. Бусад аргуудтай харьцуулахад энэ арга нь өсөлтийн тоног төхөөрөмжид тавигдах шаардлага бага, өсөлтийн энгийн процесс, хүчтэй хяналт, нарийн боловсруулалт, судалгаа, үйлдвэрлэлийн хэрэглээг ухамсарласан. Одоогийн үндсэн PVT аргаар ургуулсан болорын бүтцийг зурагт үзүүлэв.

Бал чулуун тигелийн гаднах дулаан тусгаарлах нөхцөлийг хянах замаар тэнхлэгийн болон радиаль температурын талбаруудыг хянаж болно. SiC нунтагыг өндөр температуртай бал чулуун тигелийн ёроолд байрлуулж, SiC үрийн талстыг бага температуртай бал чулуун тигелийн дээд хэсэгт тогтооно. Өсөн нэмэгдэж буй нэг талст ба нунтаг хоёрын хооронд холбоо барихаас зайлсхийхийн тулд нунтаг болон үрийн хоорондох зайг ерөнхийдөө хэдэн арван миллиметрээр хянадаг. Температурын градиент нь ихэвчлэн 15-35 ℃ / см-ийн хооронд байдаг. Зууханд конвекцийг нэмэгдүүлэхийн тулд 50-5000 Па инертийн хий хадгална. Ийм байдлаар SiC нунтагыг индукцийн халаалтаар 2000-2500 ℃ хүртэл халаасны дараа SiC нунтаг нь сублимат болж Si, Si2C, SiC2 болон бусад уурын бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задарч, хийн конвекцээр үрийн төгсгөлд зөөгдөнө. Нэг талст өсөлтийг бий болгохын тулд SiC талстыг үрийн талст дээр талстжуулдаг. Түүний ердийн өсөлтийн хурд нь 0.1-2мм / цаг байна.

PVT процесс нь өсөлтийн температур, температурын градиент, өсөлтийн гадаргуу, материалын гадаргуугийн хоорондын зай, өсөлтийн даралтыг хянахад чиглэгддэг бөгөөд түүний давуу тал нь процесс нь харьцангуй боловсорч гүйцсэн, түүхий эдийг үйлдвэрлэхэд хялбар, зардал багатай, гэхдээ өсөлтийн үйл явц юм. PVT аргыг ажиглахад хэцүү, талст өсөлтийн хурд 0.2-0.4мм/цаг, том зузаантай талст (>50мм) ургахад хэцүү байдаг. Хэдэн арван жилийн тасралтгүй хүчин чармайлтын үр дүнд PVT аргаар ургуулсан SiC субстрат өрмөнцөрийн өнөөгийн зах зээл маш том байсан бөгөөд SiC субстрат өрмөнцөрийн жилийн гарц хэдэн зуун мянган ширхэгт хүрч, хэмжээ нь 4 инчээс 6 инч хүртэл аажмаар өөрчлөгдөж байна. , мөн 8 инчийн SiC субстратын дээжийг боловсруулсан.

 

Тавдугаарт,Өндөр температурт химийн уурын хуримтлуулах арга

 

Өндөр температурт химийн уурын хуримтлал (HTCVD) нь химийн уурын хуримтлал (CVD) дээр суурилсан сайжруулсан арга юм. Энэ аргыг анх 1995 онд Шведийн Линкопингийн их сургуулийн Кордина нар санал болгосон.
Өсөлтийн бүтцийн диаграммыг зурагт үзүүлэв.

Бал чулуун тигелийн гаднах дулаан тусгаарлах нөхцөлийг хянах замаар тэнхлэгийн болон радиаль температурын талбаруудыг хянаж болно. SiC нунтагыг өндөр температуртай бал чулуун тигелийн ёроолд байрлуулж, SiC үрийн талстыг бага температуртай бал чулуун тигелийн дээд хэсэгт тогтооно. Өсөн нэмэгдэж буй нэг талст ба нунтаг хоёрын хооронд холбоо барихаас зайлсхийхийн тулд нунтаг болон үрийн хоорондох зайг ерөнхийдөө хэдэн арван миллиметрээр хянадаг. Температурын градиент нь ихэвчлэн 15-35 ℃ / см-ийн хооронд байдаг. Зууханд конвекцийг нэмэгдүүлэхийн тулд 50-5000 Па инертийн хий хадгална. Ийм байдлаар SiC нунтагыг индукцийн халаалтаар 2000-2500 ℃ хүртэл халаасны дараа SiC нунтаг нь сублимат болж Si, Si2C, SiC2 болон бусад уурын бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задарч, хийн конвекцээр үрийн төгсгөлд зөөгдөнө. Нэг талст өсөлтийг бий болгохын тулд SiC талстыг үрийн талст дээр талстжуулдаг. Түүний ердийн өсөлтийн хурд нь 0.1-2мм / цаг байна.

PVT процесс нь өсөлтийн температур, температурын градиент, өсөлтийн гадаргуу, материалын гадаргуугийн хоорондын зай, өсөлтийн даралтыг хянахад чиглэгддэг бөгөөд түүний давуу тал нь процесс нь харьцангуй боловсорч гүйцсэн, түүхий эдийг үйлдвэрлэхэд хялбар, зардал багатай, гэхдээ өсөлтийн үйл явц юм. PVT аргыг ажиглахад хэцүү, талст өсөлтийн хурд 0.2-0.4мм/цаг, том зузаантай талст (>50мм) ургахад хэцүү байдаг. Хэдэн арван жилийн тасралтгүй хүчин чармайлтын үр дүнд PVT аргаар ургуулсан SiC субстрат өрмөнцөрийн өнөөгийн зах зээл маш том байсан бөгөөд SiC субстрат өрмөнцөрийн жилийн гарц хэдэн зуун мянган ширхэгт хүрч, хэмжээ нь 4 инчээс 6 инч хүртэл аажмаар өөрчлөгдөж байна. , мөн 8 инчийн SiC субстратын дээжийг боловсруулсан.

 

Тавдугаарт,Өндөр температурт химийн уурын хуримтлуулах арга

 

Өндөр температурт химийн уурын хуримтлал (HTCVD) нь химийн уурын хуримтлал (CVD) дээр суурилсан сайжруулсан арга юм. Энэ аргыг анх 1995 онд Шведийн Линкопингийн их сургуулийн Кордина нар санал болгосон.
Өсөлтийн бүтцийн диаграммыг зурагт үзүүлэв.

SiC талстыг шингэн фазын аргаар ургуулах үед туслах уусмал доторх температур ба конвекцийн тархалтыг зурагт үзүүлэв.

Туслах уусмал дахь тигелийн хананы ойролцоо температур өндөр, харин үрийн болор дахь температур бага байгааг харж болно. Өсөлтийн явцад графит тигель нь болор өсөлтийн С эх үүсвэрийг хангадаг. Тигелийн ханан дээрх температур өндөр, С-ийн уусах чадвар их, уусах хурд нь хурдан байдаг тул тигелийн хананд их хэмжээний С уусч, С-ийн ханасан уусмал үүсгэнэ. Эдгээр уусмалууд нь их хэмжээгээр агуулагддаг. ууссан С нь туслах уусмал доторх конвекцоор үрийн талстуудын доод хэсэгт шилжинэ. Үрийн болор төгсгөлийн температур бага тул харгалзах С-ийн уусах чадвар зохих ёсоор буурч, анхны С-ханасан уусмал нь энэ нөхцөлд бага температурын төгсгөлд шилжсэний дараа С-ийн хэт ханасан уусмал болдог. Туслах уусмал дахь Si-тай хослуулсан уусмал дахь шингэрүүлсэн С нь үрийн талст дээр SiC талст эпитаксиал ургаж болно. С-ийн хэт цочирдсон хэсэг тунадас үүсэх үед уусмал нь конвекцоор тигелийн хананы өндөр температурт төгсгөлд буцаж ирээд С-г дахин уусган ханасан уусмал үүсгэнэ.

Бүх процесс давтагдаж, SiC болор ургадаг. Шингэн фазын өсөлтийн явцад уусмал дахь С-ийн уусалт, тунадасжилт нь өсөлтийн явцын маш чухал үзүүлэлт юм. Тогтвортой талст өсөлтийг хангахын тулд тигелийн ханан дахь С-ийн уусалт ба үрийн төгсгөл дэх хур тунадасны хоорондох тэнцвэрийг хадгалах шаардлагатай. Хэрэв С-ийн уусалт нь С-ийн хур тунадаснаас их байвал талст дахь С аажмаар баяжиж, SiC-ийн аяндаа бөөм үүсэх болно. Хэрэв С-ийн уусалт нь С-ийн хур тунадаснаас бага байвал ууссан бодис дутагдсанаас талст өсөлтийг явуулахад хэцүү болно.
Үүний зэрэгцээ С-г конвекцоор тээвэрлэх нь өсөлтийн үед С-ийн нийлүүлэлтэд нөлөөлдөг. Хангалттай сайн талст чанар, хангалттай зузаантай SiC талстыг ургуулахын тулд дээрх гурван элементийн тэнцвэрийг хангах шаардлагатай бөгөөд энэ нь SiC шингэний фазын өсөлтийн хүндрэлийг ихээхэн нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч холбогдох онол, технологийг аажмаар сайжруулж, сайжруулснаар SiC талстуудын шингэн фазын өсөлтийн давуу талууд аажмаар харагдах болно.
Одоогийн байдлаар Японд 2 инчийн SiC талстуудын шингэн фазын өсөлтийг хангах боломжтой бөгөөд 4 инчийн талстуудын шингэн фазын өсөлтийг мөн боловсруулж байна. Одоогоор дотоодын холбогдох судалгаа сайн үр дүнд хүрээгүй байгаа тул холбогдох судалгааны ажлыг үргэлжлүүлэх шаардлагатай байна.

 

Долоо дахь, SiC талстуудын физик, химийн шинж чанарууд

 

(1) Механик шинж чанар: SiC талстууд нь маш өндөр хатуулагтай, элэгдэлд тэсвэртэй байдаг. Түүний Mohs хатуулаг нь 9.2-9.3 хооронд, Krit хатуулаг нь 2900-аас 3100Кг/мм2 хооронд байгаа нь олдсон материалуудын дунд алмазын талстуудын дараа ордог. SiC-ийн маш сайн механик шинж чанараас шалтгаалан нунтаг SiC-ийг огтлох, нунтаглах үйлдвэрт ихэвчлэн ашигладаг бөгөөд жилийн хэрэгцээ нь сая сая тонн хүртэл байдаг. Зарим ажлын хэсгүүдийн элэгдэлд тэсвэртэй бүрээс нь SiC бүрээсийг ашиглах болно. жишээлбэл, зарим байлдааны хөлөг онгоцны элэгдэлд тэсвэртэй бүрхүүл нь SiC бүрхүүлээс бүрддэг.

(2) Дулааны шинж чанар: SiC-ийн дулаан дамжилтын илтгэлцүүр 3-5 Вт/см·К хүрч болох бөгөөд энэ нь уламжлалт хагас дамжуулагч Si-аас 3 дахин, GaA-аас 8 дахин их байна. SiC-ээр бэлтгэсэн төхөөрөмжийн дулааны үйлдвэрлэлийг хурдан арилгах боломжтой тул SiC төхөөрөмжийн дулаан ялгаруулах нөхцлийн шаардлага харьцангуй сул, өндөр хүчин чадалтай төхөөрөмж бэлтгэхэд илүү тохиромжтой. SiC нь тогтвортой термодинамик шинж чанартай байдаг. Хэвийн даралтын нөхцөлд SiC нь илүү өндөр түвшинд Si ба C агуулсан уур руу шууд задардаг.

(3) Химийн шинж чанар: SiC нь тогтвортой химийн шинж чанартай, зэврэлтэнд сайн тэсвэртэй, өрөөний температурт мэдэгдэж буй хүчилтэй урвалд ордоггүй. Агаарт удаан хугацаагаар байрлуулсан SiC нь нягт SiO2-ийн нимгэн давхаргыг аажмаар үүсгэж, цаашдын исэлдэлтийн урвалаас сэргийлнэ. Температур 1700 хэмээс дээш гарахад SiO2 нимгэн давхарга хайлж, хурдан исэлддэг. SiC нь хайлсан исэлдүүлэгч эсвэл суурьтай удаан исэлдэлтийн урвалд орж болох ба SiC талстууд нь хайлсан KOH болон Na2O2-д зэврэгддэг..

(4) Цахилгаан шинж чанар: Өргөн зурвасын хагас дамжуулагчийг төлөөлөх материал болох SiC нь 6H-SiC ба 4H-SiC зурвасын өргөн нь 3.0 эВ ба 3.2 эВ бөгөөд энэ нь Si-аас 3 дахин, GaA-аас 2 дахин их байна. SiC-ээр хийсэн хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь алдагдсан гүйдэл бага, задралын цахилгаан орон их байдаг тул SiC нь өндөр хүчин чадалтай төхөөрөмжүүдэд тохиромжтой материал гэж тооцогддог. SiC-ийн ханасан электрон хөдөлгөөн нь Si-ээс 2 дахин их бөгөөд өндөр давтамжийн төхөөрөмжийг бэлтгэхэд илт давуу талтай. P-төрлийн SiC талстууд эсвэл N-төрлийн SiC талстуудыг талст дахь хольцын атомуудыг допинг хийх замаар олж авч болно. Одоогийн байдлаар P төрлийн SiC талстыг голчлон Al, B, Be, O, Ga, Sc болон бусад атомууд, харин N төрлийн sic талстыг голчлон N атомаар нэмэлтжүүлж байна. Допингийн агууламж, төрлүүдийн ялгаа нь SiC-ийн физик, химийн шинж чанарт ихээхэн нөлөөлнө. Үүний зэрэгцээ чөлөөт зөөгчийг V зэрэг гүн түвшний допингоор хадаж, эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, хагас тусгаарлагч SiC талстыг авч болно.

(5) Оптик шинж чанар: Харьцангуй өргөн зурвасын зөрүүтэй тул нэмэлтгүй SiC болор нь өнгөгүй, тунгалаг байдаг. Допингтой SiC талстууд нь өөр өөр шинж чанараас шалтгаалан өөр өөр өнгө харуулдаг, жишээлбэл, 6H-SiC нь N-ийг допингийн дараа ногоон өнгөтэй байна; 4H-SiC нь бор өнгөтэй. 15R-SiC нь шар өнгөтэй. Al-тай хольсон 4H-SiC нь цэнхэр өнгөтэй харагдаж байна. Энэ нь өнгөний ялгааг ажиглах замаар SiC талстыг ялгах зөн совингийн арга юм. Сүүлийн 20 жилийн хугацаанд SiC-тэй холбоотой чиглэлээр тасралтгүй судалгаа хийснээр холбогдох технологид томоохон нээлтүүд хийгдсэн.

 

Наймдугаарт,SiC хөгжүүлэлтийн статусын танилцуулга

Одоогийн байдлаар SiC-ийн үйлдвэрлэл улам бүр төгс болж, субстрат өрөм, эпитаксиаль хавтангаас эхлээд төхөөрөмжийн үйлдвэрлэл, сав баглаа боодол, бүхэл бүтэн аж үйлдвэрийн гинж боловсорч, зах зээлд SiC-тэй холбоотой бүтээгдэхүүнийг нийлүүлэх боломжтой болсон.

Cree бол SiC талст ургалтын салбарт тэргүүлэгч бөгөөд SiC субстратын хавтанцарын хэмжээ, чанараараа тэргүүлэгч байр суурь эзэлдэг. Cree одоогоор жилд 300,000 SiC субстратын чип үйлдвэрлэдэг бөгөөд дэлхийн тээвэрлэлтийн 80 гаруй хувийг эзэлж байна.

2019 оны 9-р сард Cree АНУ-ын Нью-Йорк мужид 200 мм-ийн диаметртэй эрчим хүч, RF SiC субстрат хавтанцарыг ургуулахад хамгийн дэвшилтэт технологийг ашиглан шинэ байгууламж барихаа зарласан нь 200 мм-ийн SiC субстрат материал бэлтгэх технологитой болохыг харуулж байна. илүү боловсорч гүйцнэ.

Одоогийн байдлаар зах зээл дээрх SiC субстрат чипүүдийн гол бүтээгдэхүүн нь 4H-SiC ба 6H-SiC дамжуулагч ба хагас дулаалгатай 2-6 инч юм.
2015 оны 10-р сард Cree нь N-төрөл ба LED-д зориулсан 200 мм-ийн SiC субстратын хавтангуудыг анх худалдаанд гаргасан нь 8 инчийн SiC субстрат хавтанг зах зээлд гаргах эхлэлийг тавьсан юм.
2016 онд Ромм нь Venturi багийг ивээн тэтгэж эхэлсэн бөгөөд уламжлалт 200 кВт-ын инвертер дэх IGBT + Si FRD шийдлийг солихын тулд машинд IGBT + SiC SBD хослолыг анх ашигласан. Сайжруулсны дараа инвертерийн жин 2 кг-аар буурч, ижил хүчийг хадгалахын зэрэгцээ хэмжээ нь 19% -иар буурсан байна.

2017 онд SiC MOS + SiC SBD-ийг үргэлжлүүлэн нэвтрүүлсний дараа жин нь 6 кг-аар буурч, хэмжээ нь 43% -иар буурч, инвертерийн хүчийг 200 кВт-аас 220 кВт хүртэл нэмэгдүүлсэн.
2018 онд Тесла загвар 3 бүтээгдэхүүнийхээ гол хөтчийн инвертерт SIC-д суурилсан төхөөрөмжүүдийг нэвтрүүлсний дараа үзүүлэх нөлөө нь хурдацтай нэмэгдэж, xEV автомашины зах зээл удалгүй SiC зах зээлд сэтгэл хөдөлгөм эх үүсвэр болсон. SiC-ийг амжилттай ашигласнаар түүний зах зээлийн гарцын үнэ мөн хурдацтай өссөн.

есдүгээрт,Дүгнэлт:

SiC-тэй холбоотой үйлдвэрлэлийн технологийг тасралтгүй сайжруулснаар түүний бүтээмж, найдвартай байдал улам сайжирч, SiC төхөөрөмжийн үнэ буурч, SiC-ийн зах зээлд өрсөлдөх чадвар илүү тодорхой болно. Цаашид SiC төхөөрөмжийг автомашин, харилцаа холбоо, цахилгаан сүлжээ, зам тээвэр зэрэг олон салбарт өргөнөөр ашиглаж, бүтээгдэхүүний зах зээл улам өргөжин, зах зээлийн цар хүрээ улам өргөжиж, үндэсний үйлдвэрлэлд чухал дэмжлэг болно. эдийн засаг.