Μονοκρυστάλλοι καρβιδίου του πυριτίουΗ χρήση του SiC στην ηλεκτρονική ενέργεια ξεκινά με ένα υλικό που συχνά παραβλέπεται: την πηγή σκόνης SiC που φορτώνεται στο χωνευτήρα ανάπτυξης.

Στην φυσική μεταφορά ατμών, ή PVT, η σκόνη προέλευσης θερμαίνεται σε εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία.Τα είδη ατμών που περιέχουν Si και τα είδη που περιέχουν άνθρακα μεταφέρονται μέσω του χωνευτήρα και εναποτίθενται σε κρύσταλλο σπόρων SiCΠαρόλο που η κατανομή θερμοκρασίας, η πίεση, ο σχεδιασμός του χωνευτήρα και η ποιότητα των σπόρων είναι κρίσιμες, τα χαρακτηριστικά της πρώτης σκόνης επηρεάζουν άμεσα τη σταθερότητα του ατμού, την ενσωμάτωση των προσμείξεων,ταχύτητα ανάπτυξης σφαιριδίων και απόδοση χρήσιμων κρυστάλλων.

Για το λόγο αυτό, η σκόνη SiC της κατηγορίας των ημιαγωγών δεν μπορεί να αξιολογηθεί μόνο με βάση την καθαρότητα.Πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη η σύνθεση του πολυτύπου και η συνέπεια της παρτίδας..

Γιατί η ποιότητα της σκόνης SiC έχει σημασία στην ανάπτυξη των PVT

Η ανάπτυξη PVT χρησιμοποιεί συνήθως ένα χωνευτήρι γραφίτη που περιέχει υψηλής καθαρότητας σκόνη SiC.Η πηγή υποβαθμίζει σταδιακά και παράγει ατμοσφαιρικά είδη που κινούνται προς την ψυχρότερη περιοχή σπόρων.

Η πηγή σκόνης αλλάζει συνεχώς κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας:

• Τα λεπτά σωματίδια μπορεί να υποβαθμιστούν γρήγορα κατά τη διάρκεια του πρώιμου σταδίου ανάπτυξης.
• Τα μεγαλύτερα σωματίδια μπορεί να παραμείνουν ενεργά αργότερα στο τρέξιμο.
• Κενά και κανάλια μπορούν να αναπτυχθούν μέσα στο μπαρούτι.
• Τα πλούσια σε πυρίτιο στοιχεία μπορούν να καταναλώνονται διαφορετικά από τα πλούσια σε άνθρακα στοιχεία.
• Οι ακαθαρσίες μπορούν να εξατμιστούν, να μεταναστεύσουν ή να συσσωρευτούν σε διαφορετικές περιοχές.

Μια ασταθής πηγή μπορεί να προκαλέσει διακυμάνσεις στη διάμετρο της σφαίρας, τον ρυθμό ανάπτυξης, τη σταθερότητα πολυτύπου και το σχηματισμό ελαττωμάτων.

Η έρευνα σχετικά με την βελτιστοποίηση της πηγής PVT έχει δείξει ότι η πυκνότητα συσκευασίας σκόνης και η κατανομή μεγέθους σωματιδίων μπορούν να επηρεάσουν τόσο την αξιοποίηση της πηγής όσο και τη σταθερότητα της διαδικασίας.Η υψηλή πυκνότητα συσκευασίας αυξάνει την ποσότητα του χρησιμοποιήσιμου υλικού προέλευσης σε σταθερό όγκο χωνευτήρα, ενώ μια ελεγχόμενη κατανομή μεγέθους σωματιδίων βοηθά στη διατήρηση μιας πιο σταθερής συμπεριφοράς υπολίμανσης κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.

Κατανοηση των επιπέδων καθαρότητας της σκόνης SiC

Η σκόνη προέλευσης SiC περιγράφεται συχνά χρησιμοποιώντας βαθμούς καθαρότητας όπως 4N, 5N ή 6N:

Ωστόσο, ο αριθμός των εννέα δεν παρέχει αρκετές πληροφορίες για την επιλογή μιας πηγής ανάπτυξης κρυστάλλων.

Δύο σκόνες με την ίδια συνολική καθαρότητα μπορεί να συμπεριφέρονται διαφορετικά εάν η μία περιέχει βόριο και αλουμίνιο, ενώ η άλλη περιέχει κυρίως λιγότερο ηλεκτρικά ενεργούς ρύπους.Επομένως, οι αγοραστές θα πρέπει να ζητήσουν έκθεση για τις στοιχειακές προσμείξεις αντί να βασίζονται μόνο σε ονομαστικό ποσοστό καθαρότητας..

Τα αποτελέσματα της ανάλυσης μπορούν επίσης να διαφέρουν ανάλογα με τη μέθοδο δοκιμής και το όριο ανίχνευσης.

Κριτικές ακαθαρσίες στην σκόνη προέλευσης SiC

Βόριο

Το βόριο είναι μια ακαθαρσία δέκτη στο SiC. Ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις, μπορεί να επηρεάσει την αντιστάθμιση φορέα και την ηλεκτρική αντίσταση.

Ο έλεγχος του βορίου είναι ιδιαίτερα σημαντικός κατά την παραγωγή SiC υψηλής αντίστασης ή ημιμονωτικού.Η αποδεκτή συγκέντρωση εξαρτάται από τις προδιαγραφές των κρυστάλλων-στόχων και τη σχέση μεταξύ του βορίου, αζώτου και οποιουδήποτε σκόπιμα εισαγόμενου προσανατολισμού σε βάθος.

Αζώτο

Το άζωτο ενεργεί ως δότης στο SiC και συσχετίζεται συνήθως με την αγωγιμότητα n-τύπου.

Μελέτες έχουν δείξει ότι η συγκέντρωση αζώτου στη συνθετική σκόνη SiC μπορεί να επηρεαστεί από τη θερμοκρασία σύνθεσης σκόνης και την πίεση αργονίου.Το άζωτο που ενσωματώνεται στην πηγή πρέπει επομένως να θεωρείται μέρος της συνολικής στρατηγικής ελέγχου ντόπινγκ., αντί να αντιμετωπίζεται μόνο ως εξωτερική μεταβλητή αερίου κλιβάνου.

Αλουμίνιο

Το αλουμίνιο είναι μια άλλη ακαθαρσία αποδέκτη.

Για υλικό τύπου n, το υπερβολικό αλουμίνιο μπορεί να αντισταθμίσει τους φορείς δωρητές και να δυσκολέψει τον έλεγχο της αντοχής.το ανεξέλεγκτο αλουμίνιο μπορεί να διαταράξει την προβλεπόμενη ισορροπία αντιστάθμισης.

Σίδηρος και άλλα μεταβατικά μέταλλα

Ο σίδηρος, το τιτάνιο, το βανάδιο, το χρώμιο, το νικέλιο και άλλα μέταλλα μπορεί να εισάγουν επίπεδα ηλεκτρικά ενεργού ενέργειας ή να επηρεάζουν την οπτική και ηλεκτρική ομοιομορφία.

Ορισμένα στοιχεία, όπως το βανάδιο, μπορεί να προστίθενται σκόπιμα κατά την παραγωγή ορισμένων ημιμονωτικών κρυστάλλων.Το σκόπιμο ντόπινγκ απαιτεί πολύ αυστηρότερη συγκέντρωση και έλεγχο της ομοιότητας από την τυχαία μόλυνση.

Οξυγόνο

Το οξυγόνο μπορεί να προέρχεται από την οξείδωση της επιφάνειας, τις πρώτες ύλες, τις συνθήκες αποθήκευσης ή το περιβάλλον χειρισμού σκόνης.ενώσεις οξειδίων ή μόλυνση που εισέρχονται κατά τη σύνθεση σκόνης.

Επειδή η σκόνη έχει μεγάλη συνολική επιφάνεια, το λεπτό υλικό μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στην οξείδωση και την έκθεση σε υγρασία.

Ελεύθερο πυρίτιο και ελεύθερο άνθρακα

Μια σκόνη μπορεί να έχει υψηλή ονομαστική καθαρότητα SiC ενώ εξακολουθεί να περιέχει ανεπιθύμητο ελεύθερο πυρίτιο ή ελεύθερο άνθρακα.

Αυτές οι φάσεις επηρεάζουν την αποτελεσματική αναλογία Si/C της πηγής και μπορεί να αλλάξουν τη συμπεριφορά υπολίμανσης της.η σκόνη κρυσταλλικής ανάπτυξης ημιαγωγών θα πρέπει να δοκιμάζεται για τη σύνθεση φάσης, όχι μόνο για ιχνοστοιχίες μεταλλικών προσμείξεων.

Έρευνες για τον καθαρισμό SiC έχουν διαπιστώσει ότι οι σκόνες που περιέχουν υψηλά επίπεδα ελεύθερου Si, ελεύθερου C,Οξυγόνο και μεταλλικά μολυσματικά μπορούν να παρουσιάσουν προβλήματα όταν χρησιμοποιούνται απευθείας για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων ημιαγωγών.

Πώς το μέγεθος των σωματιδίων επηρεάζει την ανάπτυξη των PVT

Το μέγεθος των σωματιδίων επηρεάζει την συσκευασία της πηγής, την διαθέσιμη επιφάνεια, τη ροή αερίου και τον ρυθμό με τον οποίο εξελίσσεται η πηγή κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.

Οι εμπορικές σκόνες SiC που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη χύτρων χύδην μπορούν να έχουν μεγέθη σωματιδίων που εκτείνονται από δεκάδες έως αρκετές εκατοντάδες μικρομέτρα,Αλλά δεν υπάρχει ένα μόνο μέγεθος σωματιδίων που είναι βέλτιστο για κάθε αντιδραστήρα PVTΗ σωστή κατανομή εξαρτάται από τη γεωμετρία του χωνευτή, το θερμικό πεδίο, τη διάρκεια ανάπτυξης και τις διαστάσεις του στόχου.Μια πρόσφατη ανασκόπηση περιγράφει τις εμπορικές σκόνες ανάπτυξης SiC με τυπικές μέσες διαμέτρους σωματιδίων σε περίπου εύρος 50~500 μm..

Πολύ λεπτή σκόνη

Η υπερβολικά λεπτή σκόνη μπορεί:

• Υψώνεται γρήγορα κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου ανάπτυξης.
• έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια που εκτίθεται στο οξυγόνο και την υγρασία·
• σχηματίζουν ένα πυκνό άνω στρώμα ή τοπικό φλοιό προέλευσης·
• Αύξηση της ευαισθησίας στο χειρισμό της μόλυνσης.
• Αλλαγή της αντίστασης ροής αερίου μέσα στο κρεβάτι σκόνης.

Πολύ χοντρή σκόνη

Η υπερβολικά χοντρή σκόνη μπορεί:

• Παράγουν χαμηλότερη πυκνότητα συσκευασίας.
• Αφήνουν μεγάλα κενά στο πηγικό φορτίο·
• Μείωση της πραγματικής περιοχής υπολίμανσης.
• Δημιουργία άνισης τοπικής διαδρομής ροής αερίου.
• Αφήστε μεγαλύτερη ποσότητα μη καταναλωμένης πηγής μετά την ανάπτυξη.

Ευρεία εναντίον στενής κατανομής

Μια ευρεία κατανομή μεγέθους σωματιδίων μπορεί να βελτιώσει την συσκευασία, επειδή τα λεπτά σωματίδια γεμίζουν τα κενά μεταξύ των χονδρών σωματιδίων.

Μια στενότερη κατανομή μπορεί να κάνει την συμπεριφορά της πηγής πιο προβλέψιμη, υπό την προϋπόθεση ότι το επιλεγμένο εύρος μεγεθών παράγει επαρκή πυκνότητα συσκευασίας και παροχή ατμού.

Η επιλογή του μεγέθους των σωματιδίων θα πρέπει επομένως να εξισορροπεί τέσσερις στόχους:

1. υψηλό φορτίο πηγής ανά χωνευτήρα·
2. Σταθερή παραγωγή ατμού·
3. Ελεγχόμενη διαπερατότητα αερίων·
4. Υψηλή αξιοποίηση πηγών στο τέλος της διαδρομής.

Πληθυσμός συσκευασίας και χρήση της πηγής

Η πυκνότητα συσκευασίας καθορίζει την ποσότητα σκόνης που μπορεί να φορτωθεί σε έναν δεδομένο όγκο χωνευτήρα.Ένα υψηλότερο φορτίο μπορεί να υποστηρίξει μεγαλύτερες διαδρομές ανάπτυξης ή μεγαλύτερες σφαίρες χωρίς να αλλάζουν τις εξωτερικές διαστάσεις του χωνευτήρα.

Ωστόσο, η μέγιστη πυκνότητα δεν είναι αυτόματα η καλύτερη κατάσταση της διαδικασίας.Η πηγή μπορεί να αναπτύξει τοπικά κανάλια και περιοχές με διαφορετικά ποσοστά υπολίμανσης..

Σημαντικές παραμέτρους φόρτωσης περιλαμβάνουν:

• μάζα σκόνης·
• πυκνότητα χύδης·
• Δυσσωρευτική πυκνότητα
• ύψος πλήρωσης·
• διαδικασία φόρτωσης·
• μέθοδος συμπίεσης·
• Διαχωρισμός μεγέθους σωματιδίων κατά τη διάρκεια της γέμισης.

Για την επαναληπτή παραγωγή, οι παραμέτροι αυτοί πρέπει να καταγράφονται ως μέρος της συνταγής ανάπτυξης.

Πολυτύπος και σύνθεση φάσης

Η εμπορική πηγή σκόνης μπορεί να περιέχει διαφορετικούς πολυτύπους SiC, συμπεριλαμβανομένων των φάσεων 3C, 4H και 6H.επειδή ο προσανατολισμός των σπόρων και οι συνθήκες ανάπτυξης παίζουν σημαντικό ρόλο.

Ωστόσο, η σύνθεση φάσης μπορεί να επηρεάσει τα χαρακτηριστικά υπολίμανσης της πηγής.Η καθαρισμένη σκόνη βήτα-SiC έχει ερευνηθεί ως υλικό προέλευσης λόγω της συμπεριφοράς υπολίμανσης και της δυνατότητας υποστήριξης της ανάπτυξης υπό τροποποιημένες συνθήκες θερμοκρασίας..

Επομένως, η διάθλαση ακτίνων Χ είναι χρήσιμη για την επιβεβαίωση της σύνθεσης φάσης κάθε παρτίδας πρώτης σκόνης.

Πώς η ποιότητα της σκόνης επηρεάζει την απόδοση PVT

Η απόδοση της PVT δεν θα πρέπει να μετράται μόνο από το συνολικό μήκος ή το βάρος της καλλιεργημένης σφαίρας.

• σταθερή διάμετρος σφαίρας·
• Χρησιμοποιήσιμο μονοκρυσταλλικό μήκος·
• σταθερότητα πολυτύπου·
• χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων·
• Ομοιομορφία αντίστασης
• ομοιότητα του ντόπαντος·
• Μειωμένη απώλεια άκρων·
• ποσότητα της υπολειμματικής πηγής·
• Αριθμός προμηθευμένων κυψελών πρώτης ποιότητας.

Μια σκόνη που αυξάνει τον αρχικό ρυθμό ανάπτυξης αλλά παράγει ασταθείς συνθήκες ατμού αργότερα στη διάρκεια μπορεί να μειώσει τη συνολική χρήσιμη απόδοση.

Ομοίως, μια πολύ καθαρή σκόνη μπορεί να παρουσιάσει ακόμη κακές επιδόσεις εάν η κατανομή των σωματιδίων της προκαλεί χαμηλή πυκνότητα συσκευασίας ή ταχεία εξέλιξη της πηγής.Η καλύτερη σκόνη είναι αυτή που παρέχει επαναλαμβανόμενη μεταφορά μάζας καθ 'όλη τη διάρκεια του πλήρους κύκλου ανάπτυξης.

Συνιστώμενες μεθόδους επιθεώρησης

Ένα πλήρες σχέδιο εισερχόμενης επιθεώρησης μπορεί να περιλαμβάνει:

Οι προδιαγραφές θα πρέπει να αναφέρουν τη διαδικασία δειγματοληψίας, επειδή ένα μικρό δείγμα ενδέχεται να μην αντιπροσωπεύει μια μεγάλη παρτίδα σκόνης, ειδικά εάν έχει συμβεί διαχωρισμός σωματιδίων.

Απαιτήσεις αποθήκευσης και χειρισμού

Η υψηλής καθαρότητας σκόνη SiC μπορεί να μολυνθεί μετά την παραγωγή.Η επαφή με τα συνηθισμένα μεταλλικά εργαλεία, ο ανοιχτός αέρας του εργαστηρίου ή η ακατάλληλη συσκευασία μπορεί να εισάγει σωματίδια και ιχνοστοιχεία μετάλλων.

Οι συνιστώμενες μέθοδοι ελέγχου περιλαμβάνουν:

• Σφραγισμένη, καθαρή συσκευασία·
• ταυτοποίηση παρτίδας και πλήρης ιχνηλασιμότητα·
• Αποθήκευση χαμηλής υγρασίας·
• ειδικά μη μολυσματικά εργαλεία χειρισμού·
• Ελεγχόμενες περιοχές μεταφοράς και ζύγισης·
• ελάχιστη έκθεση στον αέρα περιβάλλοντος·
• Διαχωρισμένη επεξεργασία των μη ντοπαρισμένων και των ντοπαρισμένων σκόνης.
• Δοκιμασμένες διαδικασίες καθαρισμού των δοχείων.

Η υπερβολική δόνηση κατά τη μεταφορά μπορεί να προκαλέσει το διαχωρισμό των λεπτών και των χονδρών κλάσεων.

Πληροφορίες που πρέπει να περιλαμβάνονται σε αίτηση

Όταν ζητείται σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας για την ανάπτυξη PVT, προσδιορίστε:

• Σκοπός εφαρμογής: 4H-SiC, 6H-SiC, κρυστάλλινη ανάπτυξη αγωγού ή ημιμόνωσης.
• Απαιτούμενη ονομαστική καθαρότητα.
• ατομικά όρια ακαθαρσίας·
• απαιτήσεις για το άζωτο και το βόριο·
• Ελεύθερο πυρίτιο, ελεύθερο άνθρακα και οξυγόνο
• εύρος μεγέθους σωματιδίων και κατανομή τους·
• "Προσωπική ισχύ" άνω των 50 W·
• Σφραγίδα και πυκνότητα απόρριψης·
• Απαιτούμενη ποσότητα σκόνης
• Μέγεθος συσκευασίας και υλικό δοχείου·
• Αναλυτικές μέθοδοι και όρια ανίχνευσης·
• Πιστοποιητικό αναλύσεων·
• Απαιτήσεις συνέπειας παρτίδας και ιχνηλασιμότητας.

Εάν είναι δυνατόν, η σκόνη θα πρέπει να χαρακτηρίζεται μέσω δοκιμής ελεγχόμενης ανάπτυξης.αλλά η πραγματική απόδοση PVT παραμένει ο πιο άμεσος τρόπος αξιολόγησης της σταθερότητας της πηγής και της χρήσιμης απόδοσης κρυστάλλων.

Συμπεράσματα

Η υψηλής καθαρότητας σκόνη SiC είναι ένα μηχανικό υλικό προέλευσης, όχι ένα απλό καταναλωτικό.η σύνθεση φάσης και το ιστορικό χειρισμού καθορίζουν συλλογικά πώς συμπεριφέρεται μέσα σε φούρνο PVT.

Για την σταθερή παραγωγή σφαιρών SiC, οι κατασκευαστές πρέπει να κοιτάξουν πέρα από τον αριθμό των εννέα στις προδιαγραφές καθαρότητας.προβλέψιμη εξέλιξη της πηγής, σταθερές ηλεκτρικές ιδιότητες και υψηλή αξιοποιήσιμη απόδοση σε επαναλαμβανόμενες περιόδους ανάπτυξης.