Προηγμένα υλικά κρυστάλλων ημιαγωγών

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει γίνει ένα από τα πιο στρατηγικά υλικά στην ηλεκτρονική ισχύ, στις συσκευές RF και στις πλατφόρμες ημιαγωγών επόμενης γενιάς.Η φυσική μεταφορά ατμών (PVT) παραμένει η κυρίαρχη βιομηχανική μέθοδος για την παραγωγή υψηλής ποιότητας χονδρικών μονοκρυστάλλων SiC.

Κατά τη διαδικασία PVT, η σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας υποβαθμίζεται θερμικά σε σφραγισμένο θάλαμο ανάπτυξης και τα είδη ατμού μεταφέρονται και επανασυσσωρεύονται σε κρύσταλλο σπόρου,που σχηματίζουν μονοκρυσταλλική σφαίρα SiCΈνα τυπικό σύστημα ανάπτυξης PVT αποτελείται από τρία στενά συνδεδεμένα υποσυστήματα: έλεγχο θερμοκρασίας, έλεγχο πίεσης και συναρμολόγηση ανάπτυξης κρυστάλλων.

1Αρχιτεκτονική του συστήματος ανάπτυξης PVT

1.1 Σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας

Δύο τρόποι θέρμανσης χρησιμοποιούνται συνήθως στους φούρνους SiC PVT:

• Δέσμευση σε θερμοκρασία θερμοκρασίας άνω των 100 kHz:
  Μια υδατοψυγμένη διπλά στρώμα κύλινδρο κουαρτς προκαλεί ρεύματα δίνης στο χωνευτήρα γραφίτη, δημιουργώντας θερμότητα.

• Αντίσταση θέρμανσης:
  Ένας θερμαντήρας γραφίτη παράγει θερμότητα Joule, η οποία μεταφέρεται στον χωνευτήρα με ακτινοβολία και στη συνέχεια στην σκόνη SiC με αγωγιμότητα.

Σε σύγκριση με την θέρμανση αντίστασης, η θέρμανση επαγωγής προσφέρει υψηλότερη απόδοση, χαμηλότερο κόστος συντήρησης και απλούστερο σχεδιασμό φούρνου,αλλά είναι πιο ευαίσθητη στις εξωτερικές διαταραχές και απαιτεί πιο εξελιγμένο έλεγχο θερμικού πεδίου.

1.2 Σύστημα ελέγχου πίεσης

Το σύστημα πίεσης εκκενώνει πρώτα το θάλαμο σε υψηλό κενό, στη συνέχεια εισάγει μια ελεγχόμενη ποσότητα αδρανούς αερίου (συνήθως αργόνιο).,Η υψηλής ποιότητας ανάπτυξη απαιτεί στενή σύνδεση ελέγχου της θερμοκρασίας και της πίεσης.

1.3 Σύνθεση κρυστάλλων ανάπτυξης

Η βασική περιοχή ανάπτυξης αποτελείται από:

• Πυροσβεστήρα από γραφίτη

• Σκόνη προέλευσης SiC

• Κρυστάλλοι σπόρων

Σε υψηλές θερμοκρασίες, η σκόνη SiC αποσυντίθεται σε είδη ατμού όπως Si, Si2C και SiC2.όπου ανασυνδυάζονται και κρυσταλλώνονται σε μονοκρυσταλλικό SiC.

2Μηχανική χωνευτήρων και εσωτερικών δομών

Η εσωτερική γεωμετρία του χωνευτή επηρεάζει έντονα το μέγεθος του κρυστάλλου, την ομοιομορφία ανάπτυξης και την πυκνότητα ελαττωμάτων.

Τα πρώτα έργα του SiCrystal (Γερμανία) χρησιμοποίησαν διαχωριστικά γραφίτη για να αναγκάσουν την παρασιτική πυρήνα σε επιφάνειες θυσίας, επιτρέποντας στον κύριο κρύσταλλο να μεγαλώσει.Η DENSO εισήγαγε κινούμενες πλάκες προστασίας και κωνικές οδηγίες ροής για τον έλεγχο της μεταφοράς ατμού και τη βελτίωση της ομοιομορφίας των άκρων.

Οι μεταγενέστερες εξελίξεις περιλαμβάνουν:

• Διαχωριστικά φιλτραρίσματος αερίων (II-VI, SiCrystal)

• στρώματα καθαρισμού της πηγής (TankeBlue, Κίνα)

• Κινούμενοι κάτοχοι σπόρων και ρυθμιζόμενες ζώνες ανάπτυξης (Ινστιτούτο Φυσικής, CAS, SKC, Showa Denko, Tianyue Advanced)

Πιο πρόσφατα, η προσοχή έχει μετατοπισθεί στον δυναμικό έλεγχο της ζώνης ανάπτυξης, όπως η ανύψωση είτε του σπόρου είτε της πρώτης σκόνης για τη διατήρηση σταθερής διαφοράς θερμοκρασίας και τη δυνατότητα μεγαλύτερης διάμετρου σφαιρίδας..

3Σχεδιασμός και προσανατολισμός των κρυστάλλων σπόρων

Η κρυσταλλογραφική κατεύθυνση του σπόρου καθορίζει άμεσα τον ρυθμό ανάπτυξης, το σχηματισμό ελαττωμάτων και τη σταθερότητα πολυτύπου.

Οι βασικές ιστορικές εξελίξεις περιλαμβάνουν:

• Siemens (1989): (0001) πολική όψη

• Toyota (1997): πλάτη εκτός άξονα κλίση 20°55°

• Wolfspeed (2005): μικρή κλίση μεταξύ του άξονα c και της θερμικής κλίσης

• Bridgestone (2008): ανώμαλες επιφάνειες σπόρων για την καταστολή των μικροσωλήνων

Η επιφανειακή μηχανική μειώνει περαιτέρω τα ελαττώματα:

• Σχοινιά και περιοδικές υφές (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Κούφες μικροδομές για τον έλεγχο της ροής σταδίων

4Μηχανική Σπόρων Μεγάλης Διαμέτρου

Δεδομένου ότι οι εγχώριοι μεγάλοι σπόροι δεν είναι διαθέσιμοι, χρησιμοποιείται ευρέως η τεχνολογία του μωσαϊκού σπόρου.

• TankeBlue (2016): μικροί σπόροι → σφαιρίδια 150 mm

• Πανεπιστήμιο Shandong (2019): μωσαϊκό + πλευρική και επιφανειακή επιταγή → σπόροι ≥ 8 ίντσες

Η προσέγγιση αυτή είναι τώρα κεντρική για 200 mmΠλακέτα SiCανάπτυξη.

5Κριτικές παραμέτρους ανάπτυξης SiC

5.1 Διάβλημα θερμοκρασίας

Επειδή η άμεση μέτρηση στο εσωτερικό του χωνευτήρα είναι αδύνατη, χρησιμοποιούνται εργαλεία αριθμητικής προσομοίωσης (π.χ. Εικονικός αντιδραστήρας) για την εκτίμηση των εσωτερικών πεδίων θερμοκρασίας.Οι αξονικές και ακτινογενείς κλίσεις καθορίζουν την κατεύθυνση μεταφοράς ατμού, υπερκόρεμα, και κρυστάλλινη μορφολογία.

5.2 Αύξηση

Ο ρυθμός ανάπτυξης του SiC αυξάνεται όταν:

• Η θερμοκρασία αυξάνεται.

• Πηγή ∆ιερεύνηση της κλίμακας θερμοκρασίας σπόρων

• Η πίεση του θαλάμου μειώνεται

• Η απόσταση από την πηγή μειώνεται

Ωστόσο, οι υπερβολικοί ρυθμοί ανάπτυξης μπορούν να προκαλέσουν ελαττώματα, αστάθεια πολυτύπου και άγχος.

5.3 Χημεία ατμών

Η αναλογία C/Si είναι η πιο κρίσιμη θερμοδυναμική παράμετρος:

• Χαμηλή C/Si → ευνοεί το 3C-SiC

• Πλούσιο σε άνθρακα ατμός → σταθεροποιεί το 4H-SiC

Η σύνθεση του αερίου, τα ντόπαντα και η πίεση του αδρανούς αερίου καθορίζουν από κοινού την υπερκορεσμό, τον πολυτύπο και την ομοιομορφία ντόπινγκ.

6. Προοπτικές

Η σύγχρονη ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC είναι ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης πολυφυσικής, που περιλαμβάνει:

• Καθαρότητα της σκόνης και μέγεθος σωματιδίων

• Σχεδιασμός χωνευτήρα και οδηγού

• Προσανατολισμός σπόρων και τοπολογία επιφάνειας

• Δυναμικός έλεγχος θερμότητας και πίεσης

Για να αυξηθούν οι σφαίρες πέρα από τα 200 mm, οι κύριες στρατηγικές είναι η διεύρυνση της ζώνης ανάπτυξης και οι σπόροι μωσαϊκού μεγάλης έκτασης.Έλεγχος χημείας ατμών, και μηχανική πηγής.

Καθώς τα ηλεκτρικά οχήματα, οι μονάδες ισχύος AI, και τα δίκτυα υψηλής τάσης οδηγούν την ζήτηση SiC,η κυριαρχία της φυσικής ανάπτυξης κρυστάλλων PVT θα παραμείνει το βασικό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στην παγκόσμια βιομηχανία ημιαγωγών ευρείας ζώνης.