טכנולוגיית מבנה וצמיחה של סיליקון קרביד (Ⅱ)

רביעי, שיטת העברת אדים פיזית

שיטת הובלת אדים פיזית (PVT) מקורה בטכנולוגיית הסובלימציה של שלב האדים שהומצאה על ידי Lely בשנת 1955. אבקת ה-SiC ממוקמת בשפופרת גרפיט ומחוממת לטמפרטורה גבוהה כדי לפרק ולהביא לסובלימציה של אבקת ה-SiC, ולאחר מכן מקורר את צינור הגרפיט.לאחר פירוק אבקת ה- SiC, מרכיבי שלב האדים מופקדים ומתגבשים לגבישי SiC סביב צינור הגרפיט.למרות שקשה לשיטה זו להשיג גבישי SiC בודדים בגודל גדול, וקשה לשלוט בתהליך השקיעה בצינור הגרפיט, היא מספקת רעיונות לחוקרים הבאים.
ים תאירוב ואח'.ברוסיה הציג את הרעיון של גבישי זרעים על בסיס זה, ופתר את הבעיה של צורת גביש בלתי נשלטת ומיקום הגרעין של גבישי SiC.חוקרים שלאחר מכן המשיכו לשפר ולבסוף פיתחו את שיטת הובלת שלב הגז הפיזי (PVT) בשימוש תעשייתי כיום.

כשיטה המוקדמת ביותר לגידול גבישי SiC, שיטת העברת אדים פיזית היא שיטת הגידול המרכזית ביותר לצמיחת גבישי SiC.בהשוואה לשיטות אחרות, לשיטה דרישות נמוכות לציוד גידול, תהליך גידול פשוט, יכולת שליטה חזקה, פיתוח ומחקר יסודיים, והיא מימשה יישום תעשייתי.מבנה הגביש שגדל בשיטת ה-PVT המיינסטרים הנוכחית מוצג באיור.

ניתן לשלוט בשדות הטמפרטורה הציריים והרדיאליים על ידי שליטה בתנאי הבידוד התרמי החיצוני של כור היתוך הגרפיט.אבקת ה-SiC ממוקמת בתחתית כור היתוך הגרפיט בטמפרטורה גבוהה יותר, ואת גביש זרעי ה-SiC מקובע בחלק העליון של כור היתוך הגרפיט בטמפרטורה נמוכה יותר.המרחק בין האבקה לזרע נשלט בדרך כלל לעשרות מילימטרים כדי למנוע מגע בין הגביש הגדל והאבקה.שיפוע הטמפרטורה הוא בדרך כלל בטווח של 15-35 ℃/ס"מ.גז אינרטי של 50-5000 Pa נשמר בתנור כדי להגביר את ההסעה.בדרך זו, לאחר חימום אבקת ה-SiC ל-2000-2500℃ על ידי חימום אינדוקציה, אבקת ה-SiC תעבור סובלימציה ותתפרק לרכיבי אדי Si, Si2C, SiC2 ושאר רכיבי אדים, ותועבר לקצה הזרע עם הסעת גז. גביש SiC מתגבש על גביש הזרע כדי להשיג צמיחת גביש בודד.קצב הצמיחה האופייני שלו הוא 0.1-2 מ"מ לשעה.

תהליך PVT מתמקד בבקרת טמפרטורת גידול, שיפוע טמפרטורה, משטח צמיחה, מרווח משטח חומר ולחץ צמיחה, היתרון שלו הוא שהתהליך שלו בוגר יחסית, חומרי גלם קלים לייצור, העלות נמוכה, אך תהליך הגידול של שיטת PVT קשה לצפייה, קצב צמיחת גבישים של 0.2-0.4 מ"מ לשעה, קשה לגדל גבישים בעלי עובי גדול (>50 מ"מ).לאחר עשרות שנים של מאמצים מתמשכים, השוק הנוכחי של פרוסות מצע SiC שגדלו בשיטת PVT היה עצום מאוד, והתפוקה השנתית של פרוסות מצע SiC יכולה להגיע למאות אלפי פרוסות, וגודלו משתנה בהדרגה מ-4 אינץ' ל-6 אינץ'. , ופיתחה 8 אינץ' של דגימות מצע SiC.

 

חמישי,שיטת שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה

 

שקיעה כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD) היא שיטה משופרת המבוססת על שקיעת אדים כימית (CVD).השיטה הוצעה לראשונה בשנת 1995 על ידי Kordina וחב', אוניברסיטת לינקופינג, שוודיה.
דיאגרמת מבנה הצמיחה מוצגת באיור:

ניתן לשלוט בשדות הטמפרטורה הציריים והרדיאליים על ידי שליטה בתנאי הבידוד התרמי החיצוני של כור היתוך הגרפיט.אבקת ה-SiC ממוקמת בתחתית כור היתוך הגרפיט בטמפרטורה גבוהה יותר, ואת גביש זרעי ה-SiC מקובע בחלק העליון של כור היתוך הגרפיט בטמפרטורה נמוכה יותר.המרחק בין האבקה לזרע נשלט בדרך כלל לעשרות מילימטרים כדי למנוע מגע בין הגביש הגדל והאבקה.שיפוע הטמפרטורה הוא בדרך כלל בטווח של 15-35 ℃/ס"מ.גז אינרטי של 50-5000 Pa נשמר בתנור כדי להגביר את ההסעה.בדרך זו, לאחר חימום אבקת ה-SiC ל-2000-2500℃ על ידי חימום אינדוקציה, אבקת ה-SiC תעבור סובלימציה ותתפרק לרכיבי אדי Si, Si2C, SiC2 ושאר רכיבי אדים, ותועבר לקצה הזרע עם הסעת גז. גביש SiC מתגבש על גביש הזרע כדי להשיג צמיחת גביש בודד.קצב הצמיחה האופייני שלו הוא 0.1-2 מ"מ לשעה.

תהליך PVT מתמקד בבקרת טמפרטורת גידול, שיפוע טמפרטורה, משטח צמיחה, מרווח משטח חומר ולחץ צמיחה, היתרון שלו הוא שהתהליך שלו בוגר יחסית, חומרי גלם קלים לייצור, העלות נמוכה, אך תהליך הגידול של שיטת PVT קשה לצפייה, קצב צמיחת גבישים של 0.2-0.4 מ"מ לשעה, קשה לגדל גבישים בעלי עובי גדול (>50 מ"מ).לאחר עשרות שנים של מאמצים מתמשכים, השוק הנוכחי של פרוסות מצע SiC שגדלו בשיטת PVT היה עצום מאוד, והתפוקה השנתית של פרוסות מצע SiC יכולה להגיע למאות אלפי פרוסות, וגודלו משתנה בהדרגה מ-4 אינץ' ל-6 אינץ'. , ופיתחה 8 אינץ' של דגימות מצע SiC.

 

חמישי,שיטת שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה

 

שקיעה כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD) היא שיטה משופרת המבוססת על שקיעת אדים כימית (CVD).השיטה הוצעה לראשונה בשנת 1995 על ידי Kordina וחב', אוניברסיטת לינקופינג, שוודיה.
דיאגרמת מבנה הצמיחה מוצגת באיור:

כאשר גביש SiC גדל בשיטת פאזה נוזלית, התפלגות הטמפרטורה וההסעה בתוך תמיסת העזר מוצגים באיור:

ניתן לראות שהטמפרטורה ליד דופן כור ההיתוך בתמיסת העזר גבוהה יותר, בעוד שהטמפרטורה בגביש הזרע נמוכה יותר.במהלך תהליך הגידול, כור היתוך הגרפיט מספק מקור C לצמיחת גבישים.מכיוון שהטמפרטורה בדופן ההיתוך גבוהה, המסיסות של C גדולה וקצב ההמסה מהיר, כמות גדולה של C תומס בדופן ההיתוך ליצירת תמיסה רוויה של C. תמיסות אלו בעלות כמות גדולה של C מומס יועבר לחלק התחתון של גבישי הזרע בהסעה בתוך תמיסת העזר.בשל הטמפרטורה הנמוכה של קצה הגביש הזרע, המסיסות של ה-C המקביל יורדת בהתאמה, והתמיסה המקורית הרוויה ב-C הופכת לתמיסה על-רוויה של C לאחר שהועברה לקצה הטמפרטורה הנמוכה בתנאי זה.C מופלג בתמיסה בשילוב עם Si בתמיסת עזר יכולה לגדל גביש SiC אפיטקסיאלי על גביש זרע.כאשר החלק המחורר של C משקע החוצה, התמיסה חוזרת לקצה הטמפרטורה הגבוהה של דופן ההיתוך בהסעה, ומתמוססת שוב את C ליצירת תמיסה רוויה.

כל התהליך חוזר על עצמו, גביש ה-SiC גדל.בתהליך של צמיחת שלב נוזלי, הפירוק והמשקעים של C בתמיסה הם מדד חשוב מאוד להתקדמות הצמיחה.על מנת להבטיח צמיחת גבישים יציבה, יש צורך לשמור על איזון בין פירוק C בדופן ההיתוך לבין המשקעים בקצה הזרע.אם הפירוק של C גדול מהמשקעים של C, אזי ה-C בגביש מועשר בהדרגה, ויתרחש גרעין ספונטני של SiC.אם הפירוק של C קטן מהמשקעים של C, צמיחת הגבישים תהיה קשה לביצוע בגלל היעדר מומס.
במקביל, ההובלה של C בהסעה משפיעה גם על אספקת ה-C במהלך הצמיחה.על מנת לגדל גבישי SiC עם איכות גביש טובה מספיק ועובי מספיק, יש צורך להבטיח את האיזון של שלושת היסודות הנ"ל, מה שמגביר מאוד את הקושי של צמיחת שלב נוזלי SiC.עם זאת, עם שיפור הדרגתי ושיפור של תיאוריות וטכנולוגיות קשורות, היתרונות של צמיחת שלב נוזלי של גבישי SiC יופיעו בהדרגה.
נכון לעכשיו, ניתן להשיג את צמיחת הפאזה הנוזלית של גבישי SiC בגודל 2 אינץ' ביפן, ומתפתחת גם צמיחת השלב הנוזלי של גבישי 4 אינץ'.נכון לעכשיו, המחקר המקומי הרלוונטי לא ראה תוצאות טובות, ויש צורך לעקוב אחר עבודת המחקר הרלוונטית.

 

שְׁבִיעִית, תכונות פיזיקליות וכימיות של גבישי SiC

 

(1) מאפיינים מכניים: גבישי SiC הם בעלי קשיות גבוהה במיוחד ועמידות בפני שחיקה טובה.קשיות ה-Mohs שלו היא בין 9.2 ל-9.3, וקשיות ה-Krit שלו היא בין 2900 ל-3100 ק"ג/ממ"ר, שהיא שניה רק ​​לגבישי יהלום מבין החומרים שהתגלו.בשל התכונות המכניות המצוינות של SiC, אבקת SiC משמשת לעתים קרובות בתעשיית החיתוך או השחזה, עם ביקוש שנתי של עד מיליוני טונות.הציפוי העמיד בפני שחיקה בחלק מחלקי העבודה ישתמש גם בציפוי SiC, לדוגמה, הציפוי העמיד בפני שחיקה בספינות מלחמה מסוימות מורכב מציפוי SiC.

(2) תכונות תרמיות: מוליכות תרמית של SiC יכולה להגיע ל-3-5 W/cm·K, שהם פי 3 מזו של Si מוליך למחצה מסורתי ופי 8 מזו של GaAs.ייצור החום של המכשיר שהוכן על ידי SiC יכול להתנהל במהירות, ולכן הדרישות של תנאי פיזור החום של מכשיר ה-SiC רופפים יחסית, והוא מתאים יותר להכנה של מכשירים בעלי הספק גבוה.ל-SiC תכונות תרמודינמיות יציבות.בתנאי לחץ רגילים, SiC יתפרק ישירות לאדים המכילים Si ו-C בגובה גבוה יותר.

(3) מאפיינים כימיים: ל-SiC תכונות כימיות יציבות, עמידות טובה בפני קורוזיה, ואינו מגיב עם חומצה ידועה כלשהי בטמפרטורת החדר.SiC המוצב באוויר במשך זמן רב יצור לאט לאט שכבה דקה של SiO2 צפופה, ומונעת תגובות חמצון נוספות.כאשר הטמפרטורה עולה ליותר מ-1700℃, שכבת SiO2 הדקה נמסה ומתחמצנת במהירות.SiC יכול לעבור תגובת חמצון איטית עם חומרי חמצון מותכים או בסיסים, ופסקיות SiC נאלמות בדרך כלל ב-KOH מותך וב-Na2O2 כדי לאפיין את הנקע בגבישי SiC.

(4) מאפיינים חשמליים: SiC כחומר מייצג של מוליכים למחצה רחבי פס, רוחבי פס 6H-SiC ו-4H-SiC הם 3.0 eV ו-3.2 eV בהתאמה, שהם פי 3 מזה של Si ופי 2 מזה של GaAs.למכשירי מוליכים למחצה העשויים מ-SiC יש זרם דליפה קטן יותר ושדה חשמלי גדול יותר, כך ש-SiC נחשב לחומר אידיאלי עבור מכשירים בעלי הספק גבוה.ניידות האלקטרונים הרוויה של SiC גבוהה גם פי 2 מזו של Si, ויש לה גם יתרונות ברורים בהכנה של מכשירים בתדר גבוה.ניתן להשיג גבישי SiC מסוג P או גבישי SiC מסוג N על ידי סימום אטומי הטומאה בגבישים.כיום, גבישי SiC מסוג P מסוממים בעיקר על ידי Al, B, Be, O, Ga, Sc ואטומים אחרים, וגבישי Sic מסוג N מסוממים בעיקר על ידי N אטומים.ההבדל בין ריכוז וסוג הסימום ישפיע רבות על התכונות הפיזיקליות והכימיות של SiC.במקביל, ניתן למסמר את הנשא החופשי על ידי סימום ברמה עמוקה כגון V, ניתן להגביר את ההתנגדות ולהשיג את גביש ה-SiC המבודד למחצה.

(5) מאפיינים אופטיים: בשל פער הפס הרחב יחסית, גביש ה-SiC הבלתי מסומם הוא חסר צבע ושקוף.גבישי ה-SiC המסוממים מציגים צבעים שונים בשל תכונותיהם השונות, למשל, 6H-SiC הוא ירוק לאחר סימום N;4H-SiC הוא חום.15R-SiC הוא צהוב.מסומם עם Al, 4H-SiC נראה כחול.זוהי שיטה אינטואיטיבית להבחין בסוג גביש SiC על ידי התבוננות בהבדלי הצבע.עם המחקר המתמשך על תחומים הקשורים ל-SiC ב-20 השנים האחרונות, נעשו פריצות דרך גדולות בטכנולוגיות קשורות.

 

שמונה,הצגת מצב פיתוח SiC

נכון לעכשיו, תעשיית ה-SiC הפכה למושלמת יותר ויותר, החל מפרוסות מצע, פרוסות אפיטקסיות ועד לייצור מכשירים, אריזה, כל השרשרת התעשייתית התבגרה, והיא יכולה לספק מוצרים הקשורים ל-SiC לשוק.

קרי היא מובילה בתעשיית צמיחת גבישי SiC עם עמדה מובילה הן בגודל והן באיכות של פרוסות מצע SiC.קרי מייצרת כיום 300,000 שבבי מצע SiC בשנה, המהווים יותר מ-80% מהמשלוחים העולמיים.

בספטמבר 2019, קרי הודיעה כי תבנה מתקן חדש במדינת ניו יורק, ארה"ב, אשר ישתמש בטכנולוגיה המתקדמת ביותר לגידול פרוסות מצע RF SiC בקוטר 200 מ"מ, מה שמצביע על כך שטכנולוגיית הכנת החומרים של מצע SiC בקוטר 200 מ"מ שלה. להיות בוגר יותר.

נכון לעכשיו, המוצרים המיינסטרים של שבבי מצע SiC בשוק הם בעיקר 4H-SiC ו-6H-SiC סוגים מוליכים ומבודדים למחצה של 2-6 אינץ'.
באוקטובר 2015, Cree הייתה הראשונה שהשיקה פרוסות מצע SiC בגודל 200 מ"מ לסוג N ו-LED, שסימנו את תחילתן של פרוסות מצע SiC בגודל 8 אינץ' לשוק.
בשנת 2016, Romm החלה לתת חסות לצוות Venturi והייתה הראשונה להשתמש בשילוב IGBT + SiC SBD במכונית כדי להחליף את פתרון IGBT + Si FRD במהפך המסורתי של 200 קילוואט.לאחר השיפור, משקל המהפך מופחת ב-2 ק"ג והגודל מופחת ב-19% תוך שמירה על אותה הספק.

בשנת 2017, לאחר אימוץ נוסף של SiC MOS + SiC SBD, לא רק המשקל מופחת ב-6 ק"ג, הגודל מופחת ב-43%, והספק המהפך גדל גם הוא מ-200 קילוואט ל-220 קילוואט.
לאחר שטסלה אימצה מכשירים מבוססי SIC בממירי הכונן הראשיים של מוצרי דגם 3 שלה ב-2018, אפקט ההדגמה הוגבר במהירות, מה שהפך את שוק הרכב xEV בקרוב למקור התרגשות עבור שוק ה-SiC.עם היישום המוצלח של SiC, גם ערך תפוקת השוק הקשור אליו עלה במהירות.

ט,סיכום:

עם השיפור המתמיד של טכנולוגיות התעשייה הקשורות ל-SiC, התפוקה והאמינות שלו ישתפרו עוד יותר, גם המחיר של מכשירי ה-SiC יופחת, והתחרותיות בשוק של SiC תהיה ברורה יותר.בעתיד, מכשירי SiC יהיו בשימוש נרחב יותר בתחומים שונים כגון רכב, תקשורת, רשתות חשמל ותחבורה, ושוק המוצרים יהיה רחב יותר, וגודל השוק יורחב עוד יותר, ויהפוך לתמיכה חשובה לאומית. כַּלְכָּלָה.