اخبار - ساختار و فناوری رشد کاربید سیلیکون (Ⅱ)

چهارم، روش انتقال بخار فیزیکی

روش انتقال فیزیکی بخار (PVT) از فناوری تصعید فاز بخار ابداع شده توسط Lely در سال 1955 نشات گرفته است. پودر SiC در یک لوله گرافیتی قرار می گیرد و تا دمای بالا برای تجزیه و تصعید پودر SiC گرم می شود و سپس لوله گرافیتی خنک می شود. پس از تجزیه پودر SiC، اجزای فاز بخار رسوب کرده و به کریستال های SiC در اطراف لوله گرافیتی متبلور می شوند. اگرچه این روش برای به دست آوردن تک بلورهای SiC با اندازه بزرگ دشوار است، و فرآیند رسوب در لوله گرافیتی به سختی کنترل می شود، ایده هایی را برای محققان بعدی فراهم می کند.
ایم ترایروف و همکاران در روسیه مفهوم بلورهای دانه را بر این اساس معرفی کرد و مشکل شکل بلوری غیرقابل کنترل و موقعیت هسته‌زایی کریستال‌های SiC را حل کرد. محققان بعدی به بهبود و در نهایت توسعه روش انتقال فاز گاز فیزیکی (PVT) در مصارف صنعتی امروزی ادامه دادند.

به عنوان اولین روش رشد کریستال SiC، روش انتقال فیزیکی بخار اصلی ترین روش رشد برای رشد کریستال SiC است. در مقایسه با سایر روش ها، این روش دارای الزامات کمی برای تجهیزات رشد، فرآیند رشد ساده، قابلیت کنترل قوی، توسعه و تحقیق کامل است و کاربرد صنعتی را محقق کرده است. ساختار کریستال رشد یافته با روش فعلی PVT جریان اصلی در شکل نشان داده شده است.

میدان های دمای محوری و شعاعی را می توان با کنترل شرایط عایق حرارتی خارجی بوته گرافیتی کنترل کرد. پودر SiC در پایین بوته گرافیتی با دمای بالاتر قرار می گیرد و کریستال دانه SiC در بالای بوته گرافیتی با دمای پایین تر ثابت می شود. فاصله بین پودر و دانه معمولاً ده ها میلی متر کنترل می شود تا از تماس بین تک کریستال در حال رشد و پودر جلوگیری شود. گرادیان دما معمولاً در محدوده 15-35 ℃ / سانتی متر است. یک گاز بی اثر 50-5000 Pa برای افزایش همرفت در کوره نگهداری می شود. به این ترتیب، پس از اینکه پودر SiC با حرارت القایی تا دمای 2000-2500 درجه سانتیگراد گرم شد، پودر SiC تصعید شده و به Si، Si2C، SiC2 و سایر اجزای بخار تجزیه می شود و با همرفت گاز به انتهای بذر منتقل می شود. کریستال SiC بر روی کریستال دانه متبلور می شود تا رشد تک کریستالی حاصل شود. سرعت رشد معمولی آن 0.1-2 میلی متر در ساعت است.

فرآیند PVT بر کنترل دمای رشد، گرادیان دما، سطح رشد، فاصله سطح مواد و فشار رشد تمرکز دارد، مزیت آن این است که فرآیند آن نسبتا بالغ است، مواد اولیه تولید آسان است، هزینه کم است، اما روند رشد مشاهده روش PVT دشوار است، نرخ رشد کریستال 0.2-0.4 میلی متر در ساعت، رشد کریستال هایی با ضخامت زیاد (> 50 میلی متر) دشوار است. پس از چندین دهه تلاش مستمر، بازار فعلی ویفرهای زیرلایه SiC که به روش PVT رشد می کنند بسیار بزرگ بوده است و خروجی سالانه ویفرهای بستر SiC می تواند به صدها هزار ویفر برسد و اندازه آن به تدریج از 4 اینچ به 6 اینچ تغییر می کند. ، و 8 اینچ از نمونه های بستر SiC را توسعه داده است.

پنجم،روش رسوب شیمیایی بخار در دمای بالا

رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا (HTCVD) یک روش بهبود یافته بر اساس رسوب بخار شیمیایی (CVD) است. این روش اولین بار در سال 1995 توسط کوردینا و همکاران، دانشگاه لینکوپینگ، سوئد پیشنهاد شد.
نمودار ساختار رشد در شکل نشان داده شده است:

پنجم،روش رسوب شیمیایی بخار در دمای بالا

هنگامی که کریستال SiC به روش فاز مایع رشد می کند، توزیع دما و همرفت در داخل محلول کمکی در شکل نشان داده شده است:

مشاهده می شود که دمای نزدیک دیواره بوته در محلول کمکی بالاتر است در حالی که دما در کریستال بذر کمتر است. در طول فرآیند رشد، بوته گرافیتی منبع C را برای رشد کریستال فراهم می کند. از آنجایی که دما در دیواره بوته بالا، حلالیت C زیاد و سرعت انحلال سریع است، مقدار زیادی C در دیواره بوته حل می شود و محلول اشباع C را تشکیل می دهد. این محلول ها دارای مقدار زیادی هستند. از محلول C توسط همرفت در محلول کمکی به قسمت پایین بلورهای دانه منتقل می شود. به دلیل دمای پایین انتهای کریستال بذر، حلالیت C مربوطه کاهش می یابد و محلول اولیه C اشباع شده پس از انتقال به انتهای دمای پایین در این شرایط به محلول فوق اشباع C تبدیل می شود. C فوق اشباع شده در محلول همراه با Si در محلول کمکی می تواند کریستال SiC را به صورت اپیتاکسی روی کریستال دانه رشد دهد. هنگامی که قسمت فوق سوراخ شده C رسوب می کند، محلول با همرفت به انتهای دیواره بوته با دمای بالا باز می گردد و دوباره C را حل می کند تا یک محلول اشباع تشکیل شود.

کل فرآیند تکرار می شود و کریستال SiC رشد می کند. در فرآیند رشد فاز مایع، انحلال و رسوب C در محلول یک شاخص بسیار مهم پیشرفت رشد است. به منظور اطمینان از رشد پایدار کریستال، لازم است تعادل بین انحلال C در دیواره بوته و بارش در انتهای دانه حفظ شود. اگر انحلال C بیشتر از رسوب C باشد، C در کریستال به تدریج غنی می شود و هسته خود به خودی SiC رخ می دهد. اگر انحلال C کمتر از رسوب C باشد، به دلیل عدم وجود املاح، رشد بلور دشوار خواهد بود.
در عین حال، انتقال C توسط همرفت نیز بر عرضه C در طول رشد تأثیر می گذارد. برای رشد بلورهای SiC با کیفیت کریستال کافی و ضخامت کافی، باید از تعادل سه عنصر فوق اطمینان حاصل کرد که سختی رشد فاز مایع SiC را بسیار افزایش می دهد. با این حال، با بهبود تدریجی و بهبود تئوری ها و فناوری های مرتبط، مزایای رشد فاز مایع کریستال های SiC به تدریج نمایان می شود.
در حال حاضر، رشد فاز مایع بلورهای SiC 2 اینچی در ژاپن قابل دستیابی است و رشد فاز مایع بلورهای 4 اینچی نیز در حال توسعه است. در حال حاضر تحقیقات داخلی مربوطه نتایج خوبی به خود ندیده است و لازم است کارهای تحقیقاتی مربوطه پیگیری شود.

هفتم، خواص فیزیکی و شیمیایی کریستال های SiC

(1) خواص مکانیکی: کریستال های SiC دارای سختی بسیار بالا و مقاومت در برابر سایش خوب هستند. سختی Mohs آن بین 9.2 تا 9.3 و سختی کریت آن بین 2900 تا 3100 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع است که بعد از کریستال‌های الماس در بین مواد کشف‌شده در رتبه دوم قرار دارد. با توجه به خواص مکانیکی عالی SiC، پودر SiC اغلب در صنعت برش یا سنگ زنی استفاده می شود که نیاز سالانه آن به میلیون ها تن می رسد. پوشش مقاوم در برابر سایش در برخی از قطعات کار نیز از پوشش SiC استفاده می کند. به عنوان مثال، پوشش مقاوم در برابر سایش در برخی از کشتی های جنگی از پوشش SiC تشکیل شده است.

(2) خواص حرارتی: هدایت حرارتی SiC می تواند به 3-5 W/cm·K برسد، که 3 برابر نیمه هادی سنتی Si و 8 برابر GaAs است. تولید گرمای دستگاه تهیه شده توسط SiC را می توان به سرعت انجام داد، بنابراین شرایط اتلاف حرارت دستگاه SiC نسبتا شل است و برای تهیه دستگاه های پرقدرت مناسب تر است. SiC خواص ترمودینامیکی پایداری دارد. در شرایط فشار عادی، SiC مستقیماً به بخار حاوی Si و C در بالاترین سطح تجزیه می شود.

(3) خواص شیمیایی: SiC دارای خواص شیمیایی پایدار، مقاومت در برابر خوردگی خوب است و با هیچ اسید شناخته شده ای در دمای اتاق واکنش نمی دهد. SiC قرار داده شده در هوا برای مدت طولانی به آرامی یک لایه نازک از SiO2 متراکم تشکیل می دهد و از واکنش های اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. هنگامی که دما به بیش از 1700 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، لایه نازک SiO2 به سرعت ذوب شده و اکسید می شود. SiC می تواند تحت یک واکنش اکسیداسیون آهسته با اکسیدان ها یا بازهای مذاب قرار گیرد و ویفرهای SiC معمولاً در KOH مذاب و Na2O2 خورده می شوند تا نابجایی در کریستال های SiC مشخص شود..

(4) خواص الکتریکی: SiC به عنوان ماده نماینده نیمه هادی های باند گپ گسترده، عرض باند 6H-SiC و 4H-SiC به ترتیب 3.0 eV و 3.2 eV است که 3 برابر Si و 2 برابر GaAs است. دستگاه های نیمه هادی ساخته شده از SiC دارای جریان نشتی کمتر و میدان الکتریکی شکست بزرگتر هستند، بنابراین SiC به عنوان یک ماده ایده آل برای دستگاه های پرقدرت در نظر گرفته می شود. تحرک الکترون اشباع SiC نیز 2 برابر بیشتر از Si است و همچنین مزایای آشکاری در تهیه دستگاه های فرکانس بالا دارد. کریستال های SiC نوع P یا کریستال های SiC نوع N را می توان با دوپینگ اتم های ناخالصی در کریستال ها به دست آورد. در حال حاضر، کریستال های SiC نوع P عمدتا توسط اتم های Al، B، Be، O، Ga، Sc و سایر اتم ها دوپ می شوند و کریستال های sic نوع N عمدتا توسط اتم های N دوپ می شوند. تفاوت غلظت و نوع دوپینگ تاثیر زیادی بر خواص فیزیکی و شیمیایی SiC خواهد داشت. در همان زمان، حامل آزاد را می توان با دوپینگ سطح عمیق مانند V میخ کرد، مقاومت را می توان افزایش داد و کریستال SiC نیمه عایق را می توان به دست آورد.

(5) خواص نوری: به دلیل شکاف باند نسبتاً گسترده، کریستال SiC بدون دوش بی رنگ و شفاف است. کریستال های SiC دوپ شده به دلیل خواص مختلف رنگ های متفاوتی را نشان می دهند، به عنوان مثال، 6H-SiC پس از دوپینگ N سبز است. 4H-SiC قهوه ای است. 15R-SiC زرد است. دوپ شده با Al، 4H-SiC آبی به نظر می رسد. این یک روش بصری برای تشخیص نوع کریستال SiC با مشاهده تفاوت رنگ است. با تحقیقات مستمر در زمینه های مرتبط با SiC در 20 سال گذشته، پیشرفت های بزرگی در فناوری های مرتبط حاصل شده است.

هشتم،معرفی وضعیت توسعه SiC

در حال حاضر، صنعت SiC به طور فزاینده ای کامل شده است، از ویفرهای بستر، ویفرهای همبسته گرفته تا تولید دستگاه، بسته بندی، کل زنجیره صنعتی بالغ شده است و می تواند محصولات مرتبط SiC را به بازار عرضه کند.

کری پیشرو در صنعت رشد کریستال SiC با موقعیت پیشرو در اندازه و کیفیت ویفرهای بستر SiC است. کری در حال حاضر 300000 تراشه زیرلایه SiC در سال تولید می کند که بیش از 80 درصد از محموله های جهانی را تشکیل می دهد.

در سپتامبر 2019، کری اعلام کرد که یک مرکز جدید در ایالت نیویورک، ایالات متحده آمریکا می‌سازد که از پیشرفته‌ترین فناوری برای رشد قدرت با قطر 200 میلی‌متر و ویفرهای زیرلایه RF SiC استفاده می‌کند، که نشان می‌دهد فناوری آماده‌سازی مواد زیرلایه SiC 200 میلی‌متری آن است. بالغ تر شدن

در حال حاضر، محصولات اصلی تراشه‌های زیرلایه SiC در بازار عمدتاً 4H-SiC و 6H-SiC رسانا و نیمه عایق 2-6 اینچی هستند.
در اکتبر 2015، کری اولین شرکتی بود که ویفرهای زیرلایه SiC 200 میلی‌متری را برای نوع N و LED روانه بازار کرد که آغازی برای ویفرهای زیرلایه SiC 8 اینچی به بازار بود.
در سال 2016، Romm شروع به حمایت مالی از تیم Venturi کرد و اولین کسی بود که از ترکیب IGBT + SiC SBD در ماشین برای جایگزینی راه حل IGBT + Si FRD در اینورتر 200 کیلوواتی سنتی استفاده کرد. پس از بهبود، وزن اینورتر 2 کیلوگرم کاهش می یابد و اندازه آن با حفظ همان قدرت، 19 درصد کاهش می یابد.

در سال 2017، پس از پذیرش بیشتر SiC MOS + SiC SBD، نه تنها وزن 6 کیلوگرم کاهش می یابد، اندازه 43٪ کاهش می یابد و قدرت اینورتر نیز از 200 کیلو وات به 220 کیلو وات افزایش می یابد.
پس از اینکه تسلا در سال 2018 دستگاه های مبتنی بر SIC را در اینورترهای درایو اصلی محصولات مدل 3 خود پذیرفت، اثر نمایشی به سرعت تقویت شد و بازار خودروهای xEV را به زودی به منبع هیجان برای بازار SiC تبدیل کرد. با کاربرد موفقیت آمیز SiC، ارزش خروجی بازار مرتبط آن نیز به سرعت افزایش یافته است.

نهم،نتیجه گیری:

با بهبود مستمر فناوری‌های صنعت مرتبط با SiC، عملکرد و قابلیت اطمینان آن بیشتر بهبود می‌یابد، قیمت دستگاه‌های SiC نیز کاهش می‌یابد و رقابت‌پذیری SiC در بازار آشکارتر می‌شود. در آینده، دستگاه‌های SiC به طور گسترده‌تری در زمینه‌های مختلف مانند خودرو، ارتباطات، شبکه‌های برق و حمل‌ونقل مورد استفاده قرار خواهند گرفت و بازار محصول گسترده‌تر خواهد شد و اندازه بازار بیشتر گسترش خواهد یافت و به یک پشتیبان مهم برای ملی تبدیل خواهد شد. اقتصاد

زمان ارسال: ژانویه-25-2024