Uppbygging og vaxtartækni kísilkarbíðs (Ⅱ)

Í fjórða lagi, líkamleg gufuflutningsaðferð

Thelíkamlegur gufuflutningur (PVT)aðferðin er upprunnin frá gufufasa sublimation tækninni sem Lely fann upp árið 1955. SiC duftið er sett í grafítrör og hitað að háum hita til að sundra og sublimera SiC duftið og síðan er grafítrörið kælt. Eftir niðurbrot SiC duftsins eru gufufasahlutarnir settir út og kristallaðir í SiC kristalla í kringum grafítrörið. Þrátt fyrir að þessi aðferð geri það að verkum að erfitt sé að fá stóra SiC einkristalla og erfitt sé að stjórna útfellingarferlinu í grafítrörinu, gefur hún hugmyndir fyrir síðari vísindamenn.
Ym Terairov o.fl. í Rússlandi kynnti hugtakið frækristalla á þessum grundvelli og leysti vandamálið um óviðráðanlega kristalform og kjarnastöðu SiC kristalla. Síðari vísindamenn héldu áfram að bæta og þróuðu að lokum líkamlega gasfasaflutningsaðferð (PVT) í iðnaðarnotkun í dag.

Sem elsta SiC kristalvaxtaraðferðin er eðlisfræðilega gufuflutningsaðferðin algengasta vaxtaraðferðin fyrir SiC kristalvöxt. Í samanburði við aðrar aðferðir hefur aðferðin litlar kröfur til vaxtarbúnaðar, einfalt vaxtarferli, sterka stjórnunarhæfni, ítarlega þróun og rannsóknir og hefur áttað sig á iðnaðarnotkun. Uppbygging kristalsins sem ræktuð er með núverandi almennum PVT aðferð er sýnd á myndinni.

Hægt er að stjórna axial og radial hitastigi með því að stjórna ytri hitaeinangrunarskilyrðum grafítdeiglunnar. SiC duftið er sett neðst á grafítdeiglunni með hærra hitastigi og SiC frækristallinn er festur efst á grafítdeiglunni við lægra hitastig. Fjarlægðin milli duftsins og fræsins er almennt stjórnað til að vera tugir millimetra til að forðast snertingu milli vaxandi einkristallsins og duftsins. Hitastigið er venjulega á bilinu 15-35 ℃/cm. Óvirku gasi sem er 50-5000 Pa er geymt í ofninum til að auka convection. Á þennan hátt, eftir að SiC duftið er hitað upp í 2000-2500 ℃ með örvunarhitun, mun SiC duftið sublima og brotna niður í Si, Si2C, SiC2 og aðra gufuhluta, og vera flutt að fræendanum með loftræstingu, og SiC kristal er kristallað á frækristalnum til að ná eins kristalvexti. Dæmigerður vaxtarhraði þess er 0,1-2mm/klst.

PVT ferli einbeitir sér að stjórnun vaxtarhita, hitastigs, vaxtaryfirborðs, efnisyfirborðsbils og vaxtarþrýstings, kostur þess er að ferlið er tiltölulega þroskað, hráefni er auðvelt að framleiða, kostnaðurinn er lítill, en vaxtarferlið. PVT aðferð er erfitt að fylgjast með, kristalvöxtur 0,2-0,4mm/klst., það er erfitt að vaxa kristalla með stóra þykkt (>50mm). Eftir áratuga samfellda viðleitni hefur núverandi markaður fyrir SiC hvarfefnisskífur sem ræktaðar eru með PVT-aðferðinni verið mjög stór og árleg framleiðsla SiC undirlagsskífna getur náð hundruðum þúsunda obláta og stærð þeirra breytist smám saman úr 4 tommum í 6 tommur, og hefur þróað 8 tommu af SiC hvarfefnissýnum.

 

Í fimmta lagi, háhita efnagufuútfellingaraðferð

 

High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) er endurbætt aðferð sem byggir á Chemical Vapor Deposition (CVD). Aðferðin var fyrst sett fram árið 1995 af Korina o.fl., Háskólanum í Linköping, Svíþjóð.
Vaxtarbyggingarmyndin er sýnd á myndinni:

Hægt er að stjórna axial og radial hitastigi með því að stjórna ytri hitaeinangrunarskilyrðum grafítdeiglunnar. SiC duftið er sett neðst á grafítdeiglunni með hærra hitastigi og SiC frækristallinn er festur efst á grafítdeiglunni við lægra hitastig. Fjarlægðin milli duftsins og fræsins er almennt stjórnað til að vera tugir millimetra til að forðast snertingu milli vaxandi einkristallsins og duftsins. Hitastigið er venjulega á bilinu 15-35 ℃/cm. Óvirku gasi sem er 50-5000 Pa er geymt í ofninum til að auka convection. Á þennan hátt, eftir að SiC duftið er hitað upp í 2000-2500 ℃ með örvunarhitun, mun SiC duftið sublima og brotna niður í Si, Si2C, SiC2 og aðra gufuhluta, og vera flutt að fræendanum með loftræstingu, og SiC kristal er kristallað á frækristalnum til að ná eins kristalvexti. Dæmigerður vaxtarhraði þess er 0,1-2mm/klst.

PVT ferli einbeitir sér að stjórnun vaxtarhita, hitastigs, vaxtaryfirborðs, efnisyfirborðsbils og vaxtarþrýstings, kostur þess er að ferlið er tiltölulega þroskað, hráefni er auðvelt að framleiða, kostnaðurinn er lítill, en vaxtarferlið. PVT aðferð er erfitt að fylgjast með, kristalvöxtur 0,2-0,4mm/klst., það er erfitt að vaxa kristalla með stóra þykkt (>50mm). Eftir áratuga samfellda viðleitni hefur núverandi markaður fyrir SiC hvarfefnisskífur sem ræktaðar eru með PVT-aðferðinni verið mjög stór og árleg framleiðsla SiC undirlagsskífna getur náð hundruðum þúsunda obláta og stærð þeirra breytist smám saman úr 4 tommum í 6 tommur, og hefur þróað 8 tommu af SiC hvarfefnissýnum.

 

Þegar SiC kristallinn er ræktaður með vökvafasaaðferðinni er hitastigið og dreifingin inni í hjálparlausninni sýnd á myndinni:

Það má sjá að hitastigið nálægt deigluveggnum í hjálparlausninni er hærra en hitastigið við frækristallinn er lægra. Í vaxtarferlinu gefur grafítdeiglan C uppsprettu fyrir kristalvöxt. Vegna þess að hitastigið við deigluvegginn er hátt, leysni C er stór og upplausnarhraði er hraður, mun mikið magn af C leysast upp við deigluvegginn til að mynda mettaða lausn af C. Þessar lausnir með miklu magni af C sem er uppleyst verður flutt í neðri hluta frækristallanna með convection innan hjálparlausnarinnar. Vegna lágs hitastigs frækristallenda minnkar leysni samsvarandi C að sama skapi og upprunalega C-mettuð lausnin verður yfirmettuð lausn af C eftir að hafa verið flutt í lághitaendann við þessar aðstæður. Ofmettað C í lausn ásamt Si í hjálparlausninni getur vaxið SiC kristal þekjulega á frækristallinum. Þegar götótti hluti C fellur út fer lausnin aftur í háhitaenda deigluveggsins með loftræstingu og leysist C aftur upp til að mynda mettaða lausn.

Allt ferlið endurtekur sig og SiC kristallinn vex. Í ferli vaxtar í vökvafasa er upplausn og útfelling C í lausn mjög mikilvægur mælikvarði á framvindu vaxtar. Til að tryggja stöðugan kristalvöxt er nauðsynlegt að halda jafnvægi á milli upplausnar C við deigluvegginn og úrkomu í fræendanum. Ef upplausn C er meiri en útfelling C, þá auðgast C í kristalnum smám saman og sjálfkrafa kjarnamyndun SiC verður. Ef upplausn C er minni en úrkoma C, verður kristalvöxturinn erfiður í framkvæmd vegna skorts á uppleystu efni.
Á sama tíma hefur flutningur á C með konvection einnig áhrif á framboð á C við vöxt. Til þess að vaxa SiC kristalla með nægilega góð kristalgæði og nægilega þykkt er nauðsynlegt að tryggja jafnvægi ofangreindra þriggja frumefna, sem eykur mjög erfiðleika SiC vökvafasavaxtar. Hins vegar, með smám saman umbótum og endurbótum á tengdum kenningum og tækni, munu kostir vökvafasavaxtar SiC kristalla smám saman sýna sig.
Sem stendur er hægt að ná vökvafasavexti 2-tommu SiC kristalla í Japan og einnig er verið að þróa fljótandi fasavöxt 4-tommu kristalla. Eins og er hafa viðkomandi innlendar rannsóknir ekki skilað góðum árangri og því er nauðsynlegt að fylgja viðkomandi rannsóknarvinnu eftir.

 

Í sjöunda lagi, Eðlis- og efnafræðilegir eiginleikar SiC kristalla

 

(1) Vélrænir eiginleikar: SiC kristallar hafa mjög mikla hörku og góða slitþol. Mohs hörku þess er á milli 9,2 og 9,3 og Krit hörku er á milli 2900 og 3100Kg/mm2, sem er næst á eftir demantskristallum meðal efna sem hafa fundist. Vegna framúrskarandi vélrænni eiginleika SiC er SiC duft oft notað í skurðar- eða malaiðnaði, með árlegri eftirspurn allt að milljónum tonna. Slitþolna húðin á sumum vinnuhlutum mun einnig nota SiC húðun, til dæmis er slitþolið húðun á sumum herskipum úr SiC húðun.

(2) Varmaeiginleikar: Varmaleiðni SiC getur náð 3-5 W/cm·K, sem er 3 sinnum hærra en hefðbundins hálfleiðara Si og 8 sinnum hærra en GaAs. Hitaframleiðslu tækisins sem er búið til af SiC er fljótt að leiða í burtu, þannig að kröfur um hitaleiðniskilyrði SiC tækisins eru tiltölulega lausar og það er hentugra til að undirbúa stórvirk tæki. SiC hefur stöðuga varmafræðilega eiginleika. Við venjulegar þrýstingsaðstæður verður SiC beint niðurbrotið í gufu sem inniheldur Si og C við hærra.

(3) Efnafræðilegir eiginleikar: SiC hefur stöðuga efnafræðilega eiginleika, góða tæringarþol og hvarfast ekki við neina þekkta sýru við stofuhita. SiC sem er sett í loftið í langan tíma myndar hægt og rólega þunnt lag af þéttum SiO2, sem kemur í veg fyrir frekari oxunarhvörf. Þegar hitastigið hækkar í meira en 1700 ℃ bráðnar SiO2 þunnt lagið og oxast hratt. SiC getur gengist undir hæg oxunarhvörf með bráðnum oxunarefnum eða basum, og SiC oblátur eru venjulega tærðar í bráðnu KOH og Na2O2 til að einkenna tilfærsluna í SiC kristöllum.

(4) Rafmagnseiginleikar: SiC sem dæmigert efni fyrir hálfleiðara með breitt bandbil, 6H-SiC og 4H-SiC bandbil eru 3,0 eV og 3,2 eV í sömu röð, sem er þrisvar sinnum meira en Si og 2 sinnum meira en GaAs. Hálfleiðaratæki úr SiC hafa minni lekastrauma og stærri niðurbrotsrafsvið, þannig að SiC er talið tilvalið efni fyrir stórvirk tæki. Hreyfanleiki mettaðra rafeinda SiC er einnig 2 sinnum meiri en SiC og hefur einnig augljósa kosti við gerð hátíðnitækja. Hægt er að fá P-gerð SiC kristalla eða N-gerð SiC kristalla með því að dópa óhreinindaatómin í kristallunum. Sem stendur eru P-gerð SiC kristallar aðallega dópaðir af Al, B, Be, O, Ga, Sc og öðrum atómum, og N-gerð sic kristallar eru aðallega dopaðir af N atómum. Munurinn á lyfjastyrk og gerð mun hafa mikil áhrif á eðlis- og efnafræðilega eiginleika SiC. Á sama tíma er hægt að negla lausa burðarefnið með djúpum lyfjagjöf eins og V, auka viðnámið og fá hálfeinangrandi SiC kristal.

(5) Optískir eiginleikar: Vegna tiltölulega breitts bandbilsins er ótæmdur SiC kristal litlaus og gagnsæ. Dópuðu SiC kristallarnir sýna mismunandi liti vegna mismunandi eiginleika þeirra, til dæmis er 6H-SiC grænt eftir lyfjagjöf N; 4H-SiC er brúnt. 15R-SiC er gult. Dópað með Al, 4H-SiC virðist blátt. Það er leiðandi aðferð til að greina SiC kristalgerð með því að fylgjast með litamuninum. Með stöðugum rannsóknum á SiC-tengdum sviðum á undanförnum 20 árum hafa miklar byltingar orðið í tengdri tækni.

 

Í áttunda lagi, Kynning á SiC þróunarstöðu

Sem stendur hefur SiC iðnaðurinn orðið sífellt fullkomnari, frá undirlagsdiskum,ogepitaxialobláturtil tækjaframleiðslu og pökkunar hefur öll iðnaðarkeðjan þroskast og hún getur útvegað SiC-tengdar vörur á markaðinn.

Cree er leiðandi í SiC kristalvaxtariðnaðinum með leiðandi stöðu bæði í stærð og gæðum SiC hvarfefnisskífna. Cree framleiðir nú 300.000 SiC undirlagsflögur á ári, sem er meira en 80% af alþjóðlegum sendingum.

Í september 2019 tilkynnti Cree að það myndi byggja nýja aðstöðu í New York fylki, Bandaríkjunum, sem mun nota fullkomnustu tækni til að rækta 200 mm þvermál afl og RF SiC undirlagsplötur, sem gefur til kynna að 200 mm SiC undirlagsefni undirbúningstækni þess hafi verða þroskaðri.

Sem stendur eru almennar vörur SiC hvarfefnisflísa á markaðnum aðallega 4H-SiC og 6H-SiC leiðandi og hálfeinangraðar tegundir 2-6 tommur.
Í október 2015 var Cree fyrstur til að setja á markað 200 mm SiC undirlagsplötur fyrir N-gerð og LED, sem markar upphaf 8 tommu SiC undirlagsdiskanna á markaðnum.
Árið 2016 byrjaði Romm að styrkja Venturi liðið og var fyrst til að nota IGBT + SiC SBD samsetninguna í bílnum til að skipta um IGBT + Si FRD lausnina í hefðbundnum 200 kW inverterinu. Eftir endurbæturnar minnkar þyngd invertersins um 2 kg og stærðin minnkar um 19% á meðan sama afli er haldið.

Árið 2017, eftir frekari upptöku SiC MOS + SiC SBD, minnkar ekki aðeins þyngdin um 6 kg, heldur var stærðin minnkað um 43% og inverteraflið er einnig aukið úr 200 kW í 220 kW.
Eftir að Tesla tók upp SIC-undirstaða tæki í helstu drifbreytum Model 3 afurða sinna árið 2018, voru sýningaráhrifin aukin hratt, sem gerði xEV bílamarkaðinn fljótlega að uppsprettu spennu fyrir SiC markaðinn. Með farsælli beitingu SiC hefur markaðsvirði þess einnig hækkað hratt.

Í níunda lagi, Niðurstaða:

Með stöðugum umbótum á SiC tengdri iðnaðartækni mun afrakstur þess og áreiðanleiki bætast enn frekar, verð á SiC tækjum mun einnig lækka og samkeppnishæfni SiC verður augljósari. Í framtíðinni munu SiC tæki verða meira notuð á ýmsum sviðum eins og bifreiðum, fjarskiptum, raforkunetum og flutningum, og vörumarkaðurinn verður breiðari og markaðsstærðin verður enn stækkuð og verður mikilvægur stuðningur fyrir innlenda hagkerfi.