1. Kynning á kísilkarbíði
Hálfleiðaraefni eru orðin þungamiðja alþjóðlegrar-hátæknisamkeppni og mikils-veldissamkeppni. Meðal þeirra hafa breitt-bandgap hálfleiðaraefni, táknað með kísilkarbíði (SiC), verið beitt í stórum-forritum á lykilsviðum eins og næstu-kynslóð farsímasamskipta, snjallnets, háhraða járnbrautarflutninga, nýrra orkutækja og rafeindatækja. Kísilkarbíð er með breitt bandbil, mikið rafsvið, mikla hitaleiðni, háan rafeindamettunarhraða og sterka geislunarþol. Það getur brotið í gegnum frammistöðumörk kísil-hálfleiðaratækja og er litið á það sem „CPU“ rafeindatækni og örbylgjuútvarps{10}}tíðnibúnaðar, sem og „kjarnaflís“ græna hagkerfisins [1].
Kristalsbygging kísilkarbíðs
Kísilkarbíð er IV-IV efnasamband með einstaka eðlis- og efnafræðilega eiginleika. Si og C atóm mynda samgild tengi með því að deila rafeindapörum í sp³ blendingssvigrúmum, sem leiðir til tetrahedral tengibyggingar til að mynda SiC kristalla. Kísilkarbíð hefur meira en 200 fjölgerðir, sem eru smíðaðar með því að stafla Si-C tvílögum í mismunandi röð. Þekktar fjölgerðir innihalda 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, o.s.frv. Fjölgerðatilnefningin byggist á fjölda Si-C sameinaðra einingar fyrir c,C-frumukerfi fyrir hverja einingu sexhyrndur, R fyrir rhombohedral). Mismunandi SiC fjölgerðir hafa mismunandi rafræna, sjónræna og vélræna eiginleika og bjóða þannig upp á sérstaka kosti í ýmsum forritum [2-4].
3C-SíC: 3C-SiC er einfaldasta fjölgerðin, með rúmfastri-pakkaðri byggingu. Si og C frumeindir eru raðað í ákveðið þrívítt mynstur og mynda mjög samhverfan kristal. Vegna samhverfunnar hefur 3C-SiC tiltölulega lélega rafræna og sjónræna eiginleika, svo það hefur takmarkaða hagnýtingu.
4H-SiC og 6H-SiC: Ólíkt 3C-SiC, eru 4H-SiC og 6H-SiC með sexhyrndum þéttum-pökkuðum byggingum. Báðar fjölgerðirnar eru betri en 3C-SiC hvað varðar hreyfanleika rafeinda, hitaleiðni og bandbil. 4H-SiC hefur meiri rafeindahreyfanleika, sem gerir það tilvalið fyrir há-tíðni og há-afl rafeindatæki og mikið notað í nýjum orkutækjum, osfrv. 6H-SiC er með stærra bandbil, sem gerir það að verkum að það skilar sér betur í háum-hita og mikilli-geislun [4].
Yfirlit yfir innlenda og alþjóðlega þróun kísilkarbíðs
Á tíunda áratugnum höfðu erlend fyrirtæki eins og Cree og Westinghouse þegar tekið forystuna í að þróa og framleiða 2–4 tommu SiC hvarfefni. Inn í 21. öldina, með stöðugri tæknilegri endurtekningu, urðu 6-tommu SiC oblátur smám saman aðalstraumurinn á markaðnum. Knúin áfram af sprengilegum vexti rafbíla og nýrra orkuiðnaðar hefur alþjóðleg eftirspurn eftir SiC efni haldið áfram að aukast. Innlend og erlend fyrirtæki og rannsóknarstofnanir hafa aukið fjárfestingar í rannsóknum og þróun í stórum-stærðum,-gæða SiC-skífum. Eins og er, hafa alþjóðlegir framleiðendur eins og Wolfspeed, II-VI og Rohm náð fjöldaframleiðslu á 8 tommu SiC hvarfefni. Undir hvata „14. fimm ára áætlunar Kína“ er innlend 8 tommu SiC hvarfefnisframleiðsla einnig komin á iðnvæðingarstigið, þar sem fyrirtæki eins og TankeBlue, SICC og Jingsheng Mechanical & Electrical tilkynntu í röð framleiðslulotu af 8 tommu SiC hvarfefni [5].
Sem stendur er 6- tommu SiC áfram almennur viðskiptalegur almennur straumur á meðan 8 tommu vörur eru að flýta sér í átt að iðnvæðingu. Einbeittu byltingarnar á 12 tommu SiC sviðinu marka mikilvæg tímamót fyrir þriðju kynslóðar hálfleiðaraiðnaðinn. Innlend fyrirtæki, þar á meðal SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, sem og bandaríska Wolfspeed, hafa öll tekið miklum framförum í þróun 12-tommu SiC undirlags og SiC undirlags.
2. Aðferðir til að undirbúa kísilkarbíð einkristalla
Sem stendur eru þrjár aðalaðferðirnar sem geta framleitt hágæða SiC einkristalla aðferðin Physical Vapor Transport (PVT), High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) aðferðin og Top-Seeded Solution Growth (TSSG) aðferðin.
Líkamleg gufuflutningsaðferð (PVT).
Árið 1955 notaði Lely fyrst sublimation aðferðina til að rækta SiC einkristalla. Hins vegar hafði þessi aðferð marga eðlislæga galla: afar hátt vaxtarhitastig, erfiðleikar við að stjórna kjarnamyndun nákvæmlega, lítil vaxtarvirkni, mikil dreifing rafmagnsbreyta í kristöllum sem mynduðust og yfirleitt litlar kristalstærðir. Fyrir vikið voru gæði SiC kristalla sem framleidd voru með Lely aðferð léleg á meðan kostnaður hélst mikill. Þessari tæknilegu áskorun var ekki sigrast á fyrr en árið 1978, þegar Tairov og félagar kynntu frækristall í vaxtarferlið sem byggist á hefðbundinni Lely aðferð, sem gerði skilvirka stjórn á kjarnamyndun og minnkaði vaxtarhitann. Þessi aðferð varð þekkt sem breytt Lely aðferð, þ.e. Physical Vapor Transport aðferðin [6-9].
PVT aðferðin býður upp á þroskaða tækni og sterka stjórnhæfni og hún er sem stendur aðalaðferðin til að framleiða hágæða, stór-stærð SiC. Í þessari aðferð er SiC duft sett neðst á grafítdeiglu og SiC frækristall er settur efst. Grafítdeiglan er hituð að sublimation hitastigi SiC, sem veldur því að duftið brotnar niður í lofttegundir eins og Si gufu, Si₂C og SiC₂. Knúnar áfram af áslægum hitastigli, lækka þessar tegundir efst í deiglunni og þéttast á SiC fræyfirborðinu og kristallast í SiC einkristalla [6]. Þessi aðferð getur -framleitt stóra-stærð, há-hreinleika SiC og hentar fyrir stóra-iðnframleiðslu, en ókostir hennar eru meðal annars hægur vöxtur og þörf fyrir umtalsverðan búnað, sem leiðir til hás framleiðslukostnaðar.
Fyrir PVT vaxtarferlið hafa margir þættir áhrif á SiC kristalvöxt, þar á meðal hitastig, hitastig, deigluþrýsting, fjarlægð milli fræsins og fjölkristallaða duftsins og hreinleika duftsins.
1.1 SiC duftmyndun
SiC duft, sem hráefni til að mynda og vaxa staka kristalla, hefur bein áhrif á gæði og rafefnafræðilega eiginleika ræktaðra kristalla. Að draga úr aðskilnaði í samsetningu meðan á vexti stendur, lækka innihald óhreininda og bæta flutningsgetu eru mikilvæg markmið í duftgerð og formeðferð [8].
SiC duftið sem notað er til að rækta einkristalla verður að uppfylla mjög miklar kröfur um hreinleika, með óhreinindi helst undir 0,001%. Það eru margar aðferðir til að útbúa SiC duft, sem hægt er að flokka eftir upphafsástandi hráefna í fasta-fasa, fljótandi-fasa og gas-fasa. Aðferðir með fasta-fasa fela aðallega í sér kolvetnislækkun, vélrænan mulning og sjálf-útbreiðslu há-hitamyndun; vökva-fasaaðferðir innihalda sól-gel og niðurbrot fjölliða; gasfasaaðferðir innihalda efnagufuútfellingu og plasmaaðferðir. Þar á meðal geta gas-fasaaðferðir fengið há-Hreinleika SiC duft með því að stjórna magni óhreininda í gasgjafanum; meðal fljótandi-fasaaðferða getur aðeins sól-gelaðferðin framleitt duft sem uppfyllir hreinleikakröfur fyrir eins-kristallavöxt; meðal fastfasa-aðferða er endurbætt sjálf-útbreiðslu há-hitamyndunaraðferðin sem stendur mest notaða og þroskaða ferlið við SiC duftframleiðslu [2,8].
1.2 Deigla
Innri uppbygging deiglunnar hefur bein áhrif á stærð og gæði hinna ræktuðu SiC einkristalla; takmarkað vaxtarsvæði inni í deiglunni er mikilvægur þáttur sem takmarkar þvermálsstækkun [7]. Að auki geta deiglur komið fyrir óhreinindum úr málmi vegna hreinleika efnisins og vinnsluþátta. Þegar slík óhreinindi eru til staðar valda þau ójafnri hitun á deiglunni, sem hefur áhrif á dreifingu hitasviðs inni í ofninum og þar með kristalgæði. Til að forðast þetta þarf deiglan að gangast undir hreinsunarmeðferð [2].
1.3 Fræ kristal
Fyrir SiC kristalla sýna mismunandi vaxtarstefnur mismunandi vaxtarhraða. Val og fyrirkomulag vaxtarfletsins hefur ekki aðeins áhrif á kristalgæði heldur einnig kristalstærð. Formgerð og uppbygging fræyfirborðsins hefur bein áhrif á fjölda örpípa og galla í kristalinu. Til að fá stóra-stóra einkristalla er stór frækristall forsenda. Fræfesting er almennt náð með því að nota lím. Venjulega er breytt fenólplastefni leyst upp í etýlasetóasetati til að mynda lím sem er jafnt borið á bakhlið SiC fræsins og neðra yfirborð deiglunnar. Þrýstingur er settur á fræyfirborðið til að fjarlægja loftbólur og umfram lím. Lokið er síðan sett í ofn til upphitunar og haldið í 2 klukkustundir, fylgt eftir með kolsýringu á límið í argon andrúmslofti. Gæta þarf þess að tryggja jafnan þrýsting meðan á tengingu stendur til að forðast sprungur í fræinu vegna ójafnrar álags [2].
1.4 Vaxtarfæribreytur
Stillingar hitastigs, þrýstings, hitastigs, gasgjafar og annarra breytu meðan á SiC eins-kristallavexti stendur hafa bein áhrif á einsleitni, kristöllun og gallaeiginleika útsettra kristalla. Rannsóknir og hönnun kristalvaxtarstærða hefur alltaf verið lykilatriði. Kristallvaxtarferlar fela aðallega í sér að stjórna hitastigi og þrýstingi. SiC kristalvöxtur felur í sér hitaflutning, massaflutning og efnahvörf. Dreifing hitastigssviðsins inni í ofninum ákvarðar að miklu leyti gæði og vaxtarhraða SiC einkristallanna. Nákvæmur skilningur á hitasviðinu og gufuflutningsferlum er mikilvægur til að fá hágæða, stóra-kristalla [7].
Topp-Seeded Solution Growth (TSSG) aðferðin
TSSG aðferðin, einnig þekkt sem fljótandi-fasa aðferðin, ræktar SiC einkristalla á hægari hraða, en kristallarnir sem framleiddir eru hafa mikla uppbyggingu fullkomnunar. TSSG tækið samanstendur af virkjunarspólu, grafíteinangrun, grafítdeiglu, Si bræðslu, SiC frækristalli og togstöng. Grafítdeiglan er notuð vegna þess að hún er hita-þolin og tæringarþolin-, þjónar sem ílát fyrir Si-bræðsluna, og hún sér einnig fyrir kolefnisgjafa fyrir kristalvöxt. Kísilhráefni og íblöndunarefni eru sett í grafítdeigluna. Þar sem hitastigið við deigluna er hátt á meðan það er við fræstöngina er lágt, leysist kolefni úr grafítdeiglunni og sameinast bráðnu sílikoni við fræið og myndar SiC kristalla. Í samanburði við PVT-aðferðina býður fljótandi-fasaaðferðin upp á kosti eins og minni tilfærsluþéttleika, auðveldari þvermálsstækkun og getu til að fá p-gerð kristalla. Hins vegar eru enn vandamál varðandi eftirlit með innihaldi óhreininda og val á umbreytingarþáttum.
Vegna þess að kjarninn í TSSG aðferðinni er upplausn og endurkristöllun kolefnis í kísilbræðslunni, er að auka kolefnisleysni í Si lausninni lykillinn að árangursríkum SiC einkristallavexti. Hins vegar er leysni kolefnis í kísil afar lágt, aðeins um 13% jafnvel við 3037 K lofthita. Þar að auki gufar kísill beint upp fyrir 2273 K, þannig að öðrum umbreytingar- eða sjaldgæfum -jarðarþáttum verður að bæta við Si lausnina til að auka leysni kolefnis. Þess vegna er val á viðeigandi leysi mikilvægasta skrefið fyrir árangursríkan SiC kristalvöxt með TSSG aðferðinni. Önnur lykiláhersla rannsókna er að stjórna hreyfiferlum meðan á vexti stendur. Að auki eru leysiefni og fjölgerðastjórnun mikilvæg atriði í vexti lausnar [5,10].
Háhita-efnafræðileg gufuútfelling (HTCVD) aðferð
HTCVD kjarnaofninn samanstendur af grafítdeiglu með frækristalli efst, ytri einangrun og örvunarhitun. Hráefnin eru loftkenndur sílikon- og kolefnis-efnasambönd eins og SiH₄, SiCl₄, C₃H₈ og C₂H₂. Með því að stjórna hitastigi og þrýstingi inni í reactor, vex SiC á fræinu við hitastig 2200 gráður -2500 gráður. Í samanburði við PVT aðferðina býður HTCVD aðferðin upp á kosti eins og mikinn hreinleika, þægilega stjórn á C/Si hlutfallinu og stöðugt framboð á upprunaefni. Ókostir þess eru þeir að bæði kísil- og kolefnisuppsprettur koma frá lofttegundum og hár vaxtarhiti leiðir til mikillar orkunotkunar og framleiðslukostnaðar [2-3].
3. Þróunarþróun kísilkarbíð einkristalla
Þegar horft er fram á veginn mun há-gæða SiC eins-undirbúningstækni halda áfram að uppfærast í fjórar megin áttir: stór-stærð, mikil-gæði, lítil-kostnaður og greindur [11]:
Stór-stærð: Þvermál SiC einkristalla hefur stækkað úr fyrri millimetra-kvarða í núverandi 6-tommu, 8-tommu og jafnvel 12 tommu og meira. Stór kristalundirbúningur getur bætt framleiðslu skilvirkni verulega, dregið úr framleiðslukostnaði eininga og betur mætt þörfum rafeindatækja með miklum krafti.
Há-gæði: Há-gæða SiC hvarfefni eru grunnurinn að áreiðanlegum-afkastamiklum tækjum. Þrátt fyrir að SiC einkristal gæði hafi batnað til muna, eru kristalsgallar eins og örpípur, tilfærslur og óhreinindi enn útbreidd, sem hefur bein áhrif á afköst tækisins og langtímaáreiðanleika. Framtíðarviðleitni mun einbeita sér að stöðugum byltingum í gallaeftirliti.
Lágur-kostnaður: Eins og er, takmarkar tiltölulega hár kostnaður við SiC einkristalla-undirbúning í stórum-skala notkun þess í fleiri tilfellum. Framtíðarlækkun kostnaðar er hægt að ná fram með því að hámarka kristalvaxtarferla, bæta afrakstur og framleiðsluhagkvæmni og draga úr hráefnis- og rekstrarkostnaði um alla iðnaðarkeðjuna.
Greindur: Styrkt af gervigreind, stórum gögnum og annarri tækni mun SiC kristalvaxtarferlið smám saman verða gáfaðra. Með uppsetningu á-línu skynjurum og sjálfvirkum stjórnkerfum er hægt að ná rauntíma-vöktun og nákvæmri stjórnun á öllu vaxtarferlinu, sem bætir stöðugleika og samkvæmni ferlisins. Ásamt stórri-gagnagreiningu er hægt að fínstilla vaxtarbreytur ítrekað til að auka enn frekar kristalgæði og framleiðsluhagkvæmni.