Zaawansowane materiały krystaliczne półprzewodnikowe

Karbid krzemowy (SiC) stał się jednym z najbardziej strategicznych materiałów w elektronikach mocy, urządzeniach RF i nowej generacji platform półprzewodnikowych.Transport fizycznej pary (PVT) pozostaje dominującą metodą przemysłową do produkcji wysokiej jakości pojedynczych kryształów SiC.

W procesie PVT proszek SiC o wysokiej czystości sublimowany jest termicznie w zamkniętej komorze do wzrostu, a gatunki pary transportowane są i ponownie skondensowane na kryształ nasion,tworzący jednokrystaliczną kulę SiCTypowy system wzrostu PVT składa się z trzech ściśle połączonych podsystemów: kontroli temperatury, kontroli ciśnienia i zespołu wzrostu kryształu.

1Architektura systemu wzrostu PVT

1.1 System kontroli temperatury

Dwa tryby ogrzewania są powszechnie stosowane w piecach SiC PVT:

• Ogrzewanie indukcyjne (10 ̊100 kHz):
  Woda schłodzona dwuskładnikowa cewka kwarcowa indukuje węgle w grzywie grafitowym, generując ciepło.

• Oporne ogrzewanie:
  Podgrzewacz grafitowy wytwarza ciepło Joule'a, które jest przenoszone przez promieniowanie do tygła, a następnie do proszku SiC przez przewodzenie.

W porównaniu z ogrzewaniem oporowym, ogrzewanie indukcyjne zapewnia wyższą wydajność, niższe koszty utrzymania i prostszą konstrukcję pieca,ale jest bardziej wrażliwy na zakłócenia zewnętrzne i wymaga bardziej zaawansowanej kontroli pola cieplnego.

1.2 System regulacji ciśnienia

System ciśnienia najpierw wyprowadza komorę do wysokiej próżni, a następnie wprowadza kontrolowaną ilość gazu obojętnego (zwykle argonu).,Wynika to z faktu, że procesy węglowe i kondensacyjne są silnie uzależnione od ciśnienia.

1.3 Zgromadzenie kryształowego wzrostu

Główny region wzrostu składa się z:

• Grzyb grafitny

• Proszek źródłowy SiC

• Kryształ nasion

Przy wysokiej temperaturze proszek SiC rozkłada się na rodzaje par, takie jak Si, Si2C i SiC2.gdzie rekombinują się i krystalizują w jednokrystaliczny SiC.

2Inżynieria konstrukcji i konstrukcji wewnętrznych.

Wewnętrzna geometria tyglika silnie wpływa na rozmiar kryształu, jednolitość wzrostu i gęstość wad.

Wczesne prace SiCrystal (Niemcy) wykorzystywały przegrody grafitowe, aby zmusić nukleację pasożytniczą na powierzchnie ofiarne, umożliwiając głównemu kryształowi wzrost wielkości.DENSO wprowadziło ruchome płyty osłonowe i stożkowe przewody przepływu w celu kontrolowania transportu pary i poprawy jednolitości krawędzi.

Późniejsze zmiany obejmują:

• Przegrody filtrujące gazy (II-VI, SiCrystal)

• Warstwy oczyszczania źródła (TankeBlue, Chiny)

• Przenośne zbiorniki nasion i regulowane strefy wzrostu (Instytut Fizyki, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

W ostatnim czasie uwaga przeniosła się na dynamiczną kontrolę strefy wzrostu, taką jak podnoszenie nasion lub proszku źródłowego w celu utrzymania stabilnej różnicy temperatury i umożliwienia większej średnicy kule..

3. Seed Crystal Design i Orientacja

Wzrost SiC jest wysoce anizotropowy.

Kluczowe wydarzenia historyczne obejmują:

• Siemens (1989): (0001) twarz polarna

• Toyota (1997): powierzchnie z zewnątrz osi nachylone 20°55°

• Wolfspeed (2005): niewielki nachylenie pomiędzy oś c a gradientem cieplnym

• Bridgestone (2008): wypukłe powierzchnie nasion w celu tłumienia mikropitów

Inżynieria powierzchniowa jeszcze bardziej zmniejsza wady:

• Rury i tekstury okresowe (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Mikrostruktury pustkowe do sterowania przepływem kroków

4Inżynieria nasion o dużej średnicy

Duże kule SiC wymagają dużych nasion. Ponieważ rodzime duże nasiona nie są dostępne, technologia nasion mozaikowych jest szeroko stosowana.

• TankeBlue (2016): złączone małe nasiona → kule 150 mm

• Uniwersytet w Shandong (2019): mozaika + epitaxia boczna i powierzchniowa → nasiona ≥ 8 cali

Takie podejście jest obecnie kluczowe dla 200 mmpłytki SiCrozwoju.

5Krytyczne parametry wzrostu SiC

5.1 Schylnik temperatury

Ponieważ bezpośrednie pomiary wewnątrz tyglika są niemożliwe, do oszacowania pól temperatury wewnętrznej stosuje się narzędzia symulacji numerycznej (np. Wirtualny reaktor).Zgięcia osiowe i promieniowe określają kierunek transportu pary, nadnasycenia i morfologii kryształu.

5.2 Wzrost

Wskaźnik wzrostu SiC wzrasta, gdy:

• Temperatura rośnie.

• Źródło Wzrost gradientu temperatury nasion

• Ciśnienie komory maleje

• Źródło Źródło Źródło Źródło Źródło Źródło Źródło Źródło Źródło

Jednakże nadmierne tempo wzrostu może powodować wady, niestabilność politypu i stres.

5.3 Chemia par

Stosunek C/Si jest najważniejszym parametrem termodynamicznym:

• Niski C/Si → faworyzuje 3C-SiC

• Pary bogate w węgiel → stabilizują 4H-SiC

Skład gazu, dopanty i ciśnienie gazu obojętnego wspólnie określają nadnasycenie, polityp i jednolitość dopingu.

6. Perspektywa

Współczesny wzrost pojedynczych kryształów SiC jest problemem optymalizacji wielofizyki, obejmującym:

• Czystość proszku i wielkość cząstek

• Projektowanie kruszywa i przewodnika

• Orientacja nasion i topologia powierzchni

• Dynamiczna regulacja temperatury i ciśnienia

W celu zwiększenia wielkości kuli powyżej 200 mm, głównymi strategiami są powiększenie strefy wzrostu i nasiona mozaikowe na dużych powierzchniach.kontrola chemicznej pary, i inżynierii źródłowej.

Ponieważ pojazdy elektryczne, moduły zasilania AI i sieci wysokonapięciowe napędzają popyt na SiC,opanowanie fizyki wzrostu kryształów PVT pozostanie podstawową przewagą konkurencyjną w światowej branży półprzewodników szerokopasmowych.