1. Bevezetés a szilícium-karbidba
A félvezető anyagok a globális csúcstechnológiai{0}}verseny és a nagy{1}}hatalmi rivalizálás fókuszpontjává váltak. Közülük a széles-sávú félvezető anyagokat, amelyeket a szilícium-karbid (SiC) képviselnek, nagy-léptékű alkalmazásokban alkalmaztak olyan kulcsfontosságú területeken, mint a következő-generációs mobilkommunikáció, az intelligens hálózatok, a nagy-sebességű vasúti közlekedés, az új energiahordozók és a fogyasztói elektronika. A szilícium-karbid széles sávszélességgel, nagy áttörési elektromos mezővel, nagy hővezető képességgel, nagy elektrontelítési sebességgel és erős sugárzásállósággal rendelkezik. Képes áttörni a szilícium-alapú félvezető eszközök teljesítményhatárait, és a teljesítményelektronika és a mikrohullámú rádiófrekvenciás{10}}eszközök „CPU-jának”, valamint a zöld gazdaság „mag chipjének” tekintik [1].
A szilícium-karbid kristályszerkezete
A szilícium-karbid egy IV-IV vegyület, egyedülálló fizikai és kémiai tulajdonságokkal. A Si és C atomok kovalens kötéseket alkotnak azáltal, hogy elektronpárokat osztanak meg sp3 hibrid pályákon, ami tetraéderes kötési szerkezetet eredményez, és SiC kristályokat képez. A szilícium-karbidnak több mint 200 politípusa van, amelyeket Si-C kettősrétegek különböző szekvenciákba helyezésével állítanak elő. Az ismert politípusok közé tartozik a 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, stb. A politípusok megjelölése a Si-C kristályok számán alapul (R x agonális cellánkénti C, hecub kettős réteggel kombinálva). romboéderhez). A különböző SiC politípusok eltérő elektronikus, optikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, így különböző előnyöket kínálnak a különböző alkalmazásokban [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC a legegyszerűbb politípus, köbös zárt-csomagolt szerkezettel. A Si- és C-atomok egy meghatározott háromdimenziós mintázatban helyezkednek el, és nagyon szimmetrikus kristályt alkotnak. Szimmetriája miatt a 3C-SiC viszonylag gyenge elektronikus és optikai tulajdonságokkal rendelkezik, ezért gyakorlati alkalmazása korlátozott.
4H-SiC és 6H-SiC: A 3C-SiC-vel ellentétben a 4H-SiC és a 6H-SiC hatszögletű szorosan-csomagolt szerkezetű. Mindkét politípus felülmúlja a 3C-SiC-t az elektronmobilitás, a hővezető képesség és a sávszélesség tekintetében. A. 4H-SiC nagyobb elektronmobilitást mutat, így ideálisabb a nagy{12}}frekvenciás és nagy{13}}teljesítményű elektronikai eszközökhöz, és széles körben használják új energiájú járművekben, stb. {5G kommunikációs eszközökben, stb. nagyobb sávszélesség, így jobban teljesít magas-hőmérsékletű és nagy{18}sugárzású környezetben [4].
A szilícium-karbid hazai és nemzetközi fejlesztésének áttekintése
Az 1990-es években olyan tengerentúli cégek, mint a Cree és a Westinghouse, már vezető szerepet vállaltak a 2–4 hüvelykes SiC hordozók fejlesztésében és gyártásában. A 21. századba lépve, a folyamatos technológiai iterációval a 6-hüvelykes SiC lapkák fokozatosan a piac fő áramvonalává váltak. Az elektromos járművek robbanásszerű növekedése és az új energiaágazatok miatt a szilícium-karbid-anyagok iránti globális kereslet tovább nőtt. A hazai és külföldi vállalatok és kutatóintézetek növelték a K+F-befektetéseket a nagy-méretű, jó minőségű{11}SiC lapkákba. Jelenleg az olyan nemzetközi gyártók, mint a Wolfspeed, a II{15}}VI és a Rohm elérték a 8 hüvelykes SiC hordozók tömeggyártását. A kínai „14. ötéves terv” ösztönzésére a hazai 8 hüvelykes SiC szubsztrát gyártás is az iparosítási szakaszba lépett, és olyan cégek, mint a TankeBlue, a SICC és a Jingsheng Mechanical & Electrical egymás után bejelentették a 8 hüvelykes SiC szubsztrátumok tételes szállítását [5].
Jelenleg a 6- hüvelykes szilícium-karbid továbbra is a globális kereskedelmi fősodor, míg a 8 hüvelykes termékek az iparosodás felé haladnak. A 12 hüvelykes SiC-mező koncentrált áttörései kritikus fordulópontot jelentenek a harmadik generációs félvezetőipar számára. A hazai vállalatok, köztük a SICC, a Jingsheng Mechanical & Electrical, a Jingyue Semiconductor, a Tiancheng Semiconductor, a Keyyou Semiconductor, a Hoshine Silicon, a Nansha Jingyuan, a GlobalWafers, a Shuoke Crystal, valamint az amerikai székhelyű Wolfspeed, mind jelentős előrehaladást értek el a SiC2 egykristályok fejlesztésében – az egykristályok fejlesztésében.
2. Módszerek szilícium-karbid egykristályok előállítására
Jelenleg a három fő módszer, amellyel kiváló minőségű szilícium-karbid egykristályok állíthatók elő, a fizikai gőzszállítás (PVT), a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HTCVD) és a felső -magas oldat növekedési (TSSG) módszer.
Fizikai gőzszállítási (PVT) módszer
1955-ben a Lely először alkalmazta a szublimációs módszert SiC egykristályok termesztésére. Ennek a módszernek azonban számos eredendő hátránya volt: rendkívül magas növekedési hőmérséklet, a gócképződés pontos szabályozásának nehézségei, alacsony növekedési hatékonyság, az elektromos paraméterek széles diszperziója a kapott kristályokban, és általában kis kristályméretek. Ennek eredményeként a Lely-módszerrel előállított SiC kristályok minősége rossz volt, míg a költségek magasak maradtak. Ezt a technikai kihívást csak 1978-ban sikerült leküzdeni, amikor Tairov és munkatársai a hagyományos Lely-módszeren alapuló magkristályt vezettek be a növekedési folyamatba, lehetővé téve a magképződés hatékony szabályozását és a növekedési hőmérséklet csökkentését. Ez a módszer módosított Lely-módszerként, azaz fizikai gőzszállítási módszerként vált ismertté [6-9].
A PVT-módszer kiforrott technológiát és erős szabályozhatóságot tartalmaz, és jelenleg ez az elsődleges módszer a jó{0}}minőségű, nagy{1}}SiC előállítására. Ennél a módszernél a SiC port egy grafittégely aljára, a tetejére pedig egy SiC oltókristályt helyeznek. A grafittégelyt a SiC szublimációs hőmérsékletére melegítik, aminek következtében a por gáz halmazállapotú formákra bomlik, mint például Si-gőz, Si2C és SiC2. Axiális hőmérsékleti gradiens hatására ezek a fajok a tégely tetejére szublimálódnak, és a SiC mag felületén kondenzálódnak, SiC egykristályokká kristályosodva [6]. Ezzel a módszerrel nagy-méretű, nagy tisztaságú szilícium-karbid tömeges-előállítása lehetséges, és nagy-ipari termelésre is alkalmas, de hátrányai közé tartozik a lassú növekedési ütem és a jelentős berendezések szükségessége, ami magas termelési költségekhez vezet.
A PVT növekedési folyamatában számos tényező befolyásolja a SiC kristályok növekedését, beleértve a hőmérsékletet, a hőmérséklet gradienst, a tégely nyomását, a mag és a polikristályos por közötti távolságot és a por tisztaságát.
1.1 SiC porszintézis
A szilícium-karbid por, mint az egykristályok szintetizálásának és termesztésének alapanyaga, közvetlenül befolyásolja a termesztett kristályok minőségét és elektrokémiai tulajdonságait. A növekedés során az összetételi szegregáció csökkentése, a szennyeződéstartalom csökkentése és a szállítási teljesítmény javítása fontos cél a porkészítés és előkezelés során [8].
Az egykristályok termesztésére használt SiC-pornak nagyon magas tisztasági követelményeknek kell megfelelnie, ideális esetben 0,001% alatti szennyeződéstartalommal. Számos módszer létezik a SiC-por előállítására, amelyeket a nyersanyagok kezdeti állapota alapján szilárd-fázisú, folyékony-fázisú és gáz{4}}fázisú módszerekre oszthatunk. A szilárdfázisú-módszerek főként a karbotermikus redukciót, a mechanikus zúzást és az ön-szaporító magas hőmérsékletű{8}}szintézist foglalják magukban; folyékony-fázisú módszerek közé tartozik a szol-gél és a polimer lebontása; A gáz{11}}fázisú módszerek közé tartozik a kémiai gőzleválasztás és a plazmamódszerek. Ezek közül a gázfázisú módszerekkel nagy-tisztaságú SiC-port lehet előállítani a gázforrások szennyeződési szintjének szabályozásával; a folyékony-fázisú módszerek közül csak a szol-gél módszerrel lehet olyan port előállítani, amely megfelel az egy-kristálynövekedés tisztasági követelményeinek; A szilárdfázisú módszerek közül a továbbfejlesztett ön-magas-hőmérsékletű szintézis módszer jelenleg a legszélesebb körben használt és kiforrott eljárás a szilícium-karbid-por előállítására [2,8].
1.2 Olvasztótégely
A tégely belső szerkezete közvetlenül befolyásolja a termesztett SiC egykristályok méretét és minőségét; a tégelyen belüli korlátozott növekedési terület fontos tényező, amely korlátozza az átmérő növekedését [7]. Ezenkívül az olvasztótégelyek fémszennyeződéseket juttathatnak be az anyag tisztasága és a megmunkálási tényezők miatt. Ha ilyen szennyeződések vannak jelen, akkor a tégely egyenetlen melegítését okozzák, ami befolyásolja a hőmérsékletmező eloszlását a kemencében, és ezáltal a kristály minőségét. Ennek elkerülése érdekében a tégelyt tisztítási kezelésnek kell alávetni [2].
1.3 Magkristály
A SiC kristályok esetében a különböző növekedési irányok eltérő növekedési sebességet mutatnak. A növekedési felület kiválasztása és elrendezése nemcsak a kristály minőségét, hanem a kristályméretet is befolyásolja. A mag felületének morfológiája és szerkezete közvetlenül befolyásolja a kristály mikrocsövek és hibáinak számát. Nagyméretű egykristályok előállításához nagyméretű magkristály előfeltétele. A vetőmag rögzítése általában ragasztóval történik. Jellemzően a módosított fenolgyantát etil-acetoacetátban oldják fel, hogy ragasztót képezzenek, amelyet egyenletesen visznek fel a SiC-mag hátoldalára és a tégely fedelének alsó felületére. A vetőmag felületére nyomást gyakorolnak a buborékok és a felesleges ragasztó eltávolítása érdekében. A fedőt ezután kemencébe helyezzük melegítésre, és 2 órán át tartjuk, majd a ragasztóanyagot argonatmoszférában karbonizáljuk. Ügyelni kell arra, hogy a ragasztás során egyenletes nyomást biztosítsunk, hogy elkerüljük a vetőmag egyenetlen feszültség miatti megrepedését [2].
1.4 Növekedési paraméterek
A hőmérséklet, a nyomás, a hőmérsékleti gradiens, a gázellátás és más paraméterek beállításai a SiC egykristály{0}növekedése során közvetlenül befolyásolják a lerakódott kristályok egyenletességét, kristályosságát és hibás tulajdonságait. A kristálynövekedési paraméterek kutatása és tervezése mindig is kulcsfontosságú volt. A kristálynövekedési folyamatok főként a hőmérséklet és a nyomás szabályozását foglalják magukban. A SiC kristálynövekedés magában foglalja a hőátadást, a tömegátadást és a kémiai reakciókat. A kemencén belüli hőmérsékleti téreloszlás nagymértékben meghatározza a SiC egykristályok minőségét és növekedési sebességét. A hőmérsékletmező és a gőzszállítási folyamatok pontos megértése döntő fontosságú a jó-minőségű, nagy{7}}méretű kristályok előállításához [7].
Legjobb-magvas megoldás növekedési (TSSG) módszer
A TSSG módszer, más néven folyékony{0}}fázisú módszer, lassabban növeszti a szilícium-karbamid egykristályait, de az előállított kristályok szerkezetileg tökéletesek. A TSSG berendezés indukciós tekercsből, grafitszigetelésből, grafittégelyből, Si-olvadékból, SiC oltókristályból és húzórúdból áll. A grafittégelyt azért használják, mert hő--- és korrózió--álló, tárolóedényként szolgál a Si-olvadék számára, és szénforrást is szolgáltat a kristálynövekedéshez. A szilícium alapanyagot és adalékanyagokat a grafittégelybe helyezik. Mivel a tégely falánál magas, míg a magrúdnál alacsony a hőmérséklet, a szén kioldódik a grafittégelyből, és a magnál egyesül a megolvadt szilíciummal, SiC kristályokat képezve. A PVT-módszerhez képest a folyadékfázisú módszer olyan előnyöket kínál, mint az alacsonyabb diszlokációs sűrűség, könnyebb átmérő-tágulás és p- típusú kristályok előállítása. A szennyeződéstartalom ellenőrzésével és az átmeneti elemek kiválasztásával kapcsolatban azonban továbbra is problémák maradnak.
Mivel a TSSG-módszer lényege a szén feloldása és átkristályosítása a szilícium-olvadékban, a Si-oldatban a szén oldhatóságának javítása kulcsfontosságú a sikeres SiC egykristálynövekedéshez. A szén szilíciumban való oldhatósága azonban rendkívül alacsony, még 3037 K peritektikus hőmérsékleten is csak körülbelül 13%. Ráadásul a szilícium közvetlenül 2273 K felett párolog el, ezért a szén oldhatóságának növelése érdekében más átmeneti vagy ritka -földelemeket kell hozzáadni a Si-oldathoz. Ezért a megfelelő oldószer kiválasztása a legkritikusabb lépés a sikeres SiC kristálynövekedéshez a TSSG módszerrel. Egy másik kulcsfontosságú kutatási terület a növekedés során a kinetikai folyamatok szabályozása. Ezenkívül az oldószer beépítése és a politípus szabályozása fontos kérdés az oldat növekedésében [5,10].
Magas-hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HTCVD) módszer
A HTCVD reaktor egy grafittégelyből, tetején elhelyezett magkristályból, külső szigetelésből és indukciós fűtésből áll. A nyersanyagok gázhalmazállapotú szilícium- és szén{2}}tartalmú vegyületek, mint például a SiH4, SiCl4, C3H8 és C2H2. A reaktoron belüli hőmérséklet és nyomás szabályozásával a SiC 2200-2500 fokos hőmérsékleten nő a magon. A PVT módszerrel összehasonlítva a HTCVD módszer olyan előnyöket kínál, mint a nagy tisztaság, a C/Si arány kényelmes szabályozása és a folyamatos alapanyag-ellátás. Hátránya, hogy mind a szilícium, mind a szénforrás gázokból származik, a magas növekedési hőmérséklet pedig magas energiafogyasztáshoz és termelési költségekhez vezet [2-3].
3. A szilícium-karbid egykristályok fejlesztési irányai
A jövőre nézve a jó-minőségű SiC egykristályos-előkészítési technológia négy fő irányban folytatódik: nagy-méret, jó-minőség, alacsony-költség és intelligens [11]:
Nagy{0}}méret: A SiC egykristályok átmérője a korai milliméteres{0}}léptékről a jelenlegi 6- hüvelykre, 8- hüvelykre, sőt 12 hüvelykre és még tovább is nőtt. A nagyméretű kristályok előkészítése jelentősen javíthatja a termelés hatékonyságát, csökkentheti az egységgyártási költségeket, és jobban kielégítheti a nagy teljesítményű elektronikai eszközök igényeit.
Kiváló{0}}minőség: A kiváló{0}}minőségű SiC hordozók a megbízható, nagy teljesítményű{1}}eszközök alapja. Bár a szilícium-karbid egykristály minősége nagymértékben javult, a kristályhibák, például a mikrocsövek, az elmozdulások és a szennyeződések továbbra is széles körben elterjedtek, közvetlenül befolyásolva az eszköz teljesítményét és hosszú távú megbízhatóságát. A jövőbeni erőfeszítések a hibaelhárítás folyamatos áttöréseire fognak összpontosítani.
Alacsony-költség: Jelenleg a szilícium-karbid egy-kristályos előkészítésének viszonylag magas ára korlátozza annak nagy-léptékű alkalmazását több forgatókönyvben. A jövőbeli költségcsökkentés a kristálynövekedési folyamatok optimalizálásával, a hozam és a termelés hatékonyságának javításával, valamint a nyersanyag- és fogyóeszközök költségeinek csökkentésével érhető el az ipari lánc egészében.
Intelligens: A mesterséges intelligencia, a big data és más technológiák által felhatalmazott SiC kristálynövekedési folyamat fokozatosan intelligensebbé válik. A soron belüli érzékelők és automatizált vezérlőrendszerek-kiépítésével valós idejű nyomon követés és a teljes növekedési folyamat precíz szabályozása érhető el, javítva a folyamat stabilitását és konzisztenciáját. A nagy-adatelemzéssel kombinálva a növekedési paraméterek iteratív módon optimalizálhatók a kristályminőség és a termelési hatékonyság további javítása érdekében.