ข่าว - เทคโนโลยีโครงสร้างและการเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์ (Ⅱ)

ประการที่สี่ วิธีการถ่ายเทไอทางกายภาพ

วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) มีต้นกำเนิดจากเทคโนโลยีการระเหิดเฟสไอที่คิดค้นโดย Lely ในปี 1955 ผง SiC ถูกใส่ในหลอดกราไฟท์และให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสลายตัวและระเหิดผง SiC จากนั้นหลอดกราไฟท์จะถูกทำให้เย็นลง หลังจากการสลายตัวของผง SiC ส่วนประกอบในเฟสไอจะถูกสะสมและตกผลึกเป็นผลึก SiC รอบท่อกราไฟท์ แม้ว่าวิธีนี้ยากที่จะได้ผลึกเดี่ยว SiC ขนาดใหญ่ และกระบวนการสะสมในหลอดกราไฟท์ก็ควบคุมได้ยาก แต่ก็ให้แนวคิดสำหรับนักวิจัยรุ่นต่อๆ ไป
Ym Terairov และคณะ ในรัสเซียได้นำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับผลึกเมล็ดบนพื้นฐานนี้ และแก้ไขปัญหารูปร่างผลึกที่ไม่สามารถควบคุมได้และตำแหน่งนิวเคลียสของผลึก SiC นักวิจัยคนต่อมายังคงปรับปรุงและพัฒนาวิธีการขนส่งเฟสก๊าซทางกายภาพ (PVT) ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่องในที่สุด

เนื่องจากเป็นวิธีการเติบโตของผลึก SiC ที่เก่าแก่ที่สุด วิธีการถ่ายโอนไอทางกายภาพจึงเป็นวิธีการเจริญเติบโตที่สำคัญที่สุดสำหรับการเติบโตของผลึก SiC เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีอื่นๆ วิธีการนี้มีข้อกำหนดต่ำสำหรับอุปกรณ์การเจริญเติบโต กระบวนการเจริญเติบโตอย่างง่าย สามารถควบคุมได้อย่างดี การพัฒนาและการวิจัยอย่างละเอียด และได้ตระหนักถึงการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม โครงสร้างของผลึกที่ปลูกโดยวิธี PVT กระแสหลักในปัจจุบันแสดงไว้ในภาพ

สามารถควบคุมช่องอุณหภูมิตามแนวแกนและแนวรัศมีได้โดยการควบคุมสภาวะฉนวนความร้อนภายนอกของเบ้าหลอมกราไฟท์ ผง SiC วางอยู่ที่ด้านล่างของเบ้าหลอมกราไฟท์ด้วยอุณหภูมิที่สูงกว่า และผลึกเมล็ด SiC จะถูกตรึงไว้ที่ด้านบนของเบ้าหลอมกราไฟท์ด้วยอุณหภูมิที่ต่ำกว่า โดยทั่วไประยะห่างระหว่างผงและเมล็ดพืชจะถูกควบคุมไว้ที่หลายสิบมิลลิเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสกันระหว่างผลึกเดี่ยวที่กำลังเติบโตกับผง การไล่ระดับอุณหภูมิมักจะอยู่ในช่วง 15-35 ℃/ซม. ก๊าซเฉื่อย 50-5,000 Pa จะถูกเก็บไว้ในเตาเผาเพื่อเพิ่มการพาความร้อน ด้วยวิธีนี้ หลังจากที่ผง SiC ถูกให้ความร้อนถึง 2,000-2500 ℃ โดยการเหนี่ยวนำความร้อน ผง SiC จะระเหิดและสลายตัวเป็น Si, Si2C, SiC2 และส่วนประกอบไออื่น ๆ และถูกส่งไปยังปลายเมล็ดด้วยการพาก๊าซ และ คริสตัล SiC ตกผลึกบนผลึกเมล็ดเพื่อให้เกิดการเติบโตของผลึกเดี่ยว อัตราการเติบโตโดยทั่วไปคือ 0.1-2 มม./ชม.

กระบวนการ PVT มุ่งเน้นไปที่การควบคุมอุณหภูมิการเติบโต การไล่ระดับอุณหภูมิ พื้นผิวการเติบโต ระยะห่างพื้นผิวของวัสดุ และความดันการเติบโต ข้อดีของมันคือกระบวนการค่อนข้างสุก วัตถุดิบผลิตง่าย ต้นทุนต่ำ แต่กระบวนการเติบโตของ วิธี PVT สังเกตได้ยาก อัตราการเติบโตของผลึก 0.2-0.4 มม./ชม. เป็นเรื่องยากที่จะเติบโตผลึกที่มีความหนามาก (>50 มม.) หลังจากความพยายามอย่างต่อเนื่องมานานหลายทศวรรษ ตลาดในปัจจุบันสำหรับเวเฟอร์ซับสเตรต SiC ที่เติบโตโดยวิธี PVT นั้นมีขนาดใหญ่มากและผลผลิตประจำปีของเวเฟอร์ซับสเตรต SiC สามารถเข้าถึงเวเฟอร์หลายแสนเวเฟอร์ และขนาดของมันจะค่อยๆ เปลี่ยนจาก 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว และได้พัฒนาตัวอย่างซับสเตรต SiC ขนาด 8 นิ้ว

ประการที่ห้าวิธีการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง

การสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) เป็นวิธีการที่ได้รับการปรับปรุงโดยใช้การสะสมไอสารเคมี (CVD) วิธีการนี้ถูกเสนอครั้งแรกในปี 1995 โดย Kordina และคณะ, มหาวิทยาลัย Linkoping ประเทศสวีเดน
แผนภาพโครงสร้างการเติบโตแสดงในรูป:

ประการที่ห้าวิธีการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง

เมื่อผลึก SiC เติบโตโดยวิธีเฟสของเหลว อุณหภูมิและการพาความร้อนภายในสารละลายเสริมจะแสดงในรูป:

จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิใกล้ผนังเบ้าหลอมในสารละลายเสริมจะสูงกว่า ในขณะที่อุณหภูมิที่ผลึกเมล็ดจะต่ำกว่า ในระหว่างกระบวนการเติบโต ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์จะให้แหล่ง C สำหรับการเจริญเติบโตของผลึก เนื่องจากอุณหภูมิที่ผนังเบ้าหลอมสูง ความสามารถในการละลายของ C จึงมีมากและอัตราการละลายเร็ว C จำนวนมากจะถูกละลายที่ผนังเบ้าหลอมเพื่อสร้างสารละลายอิ่มตัวของ C สารละลายเหล่านี้ที่มีปริมาณมาก ของ C ที่ละลายจะถูกขนส่งไปยังส่วนล่างของผลึกเมล็ดโดยการพาความร้อนภายในสารละลายเสริม เนื่องจากอุณหภูมิต่ำของปลายผลึกของเมล็ด ความสามารถในการละลายของ C ที่สอดคล้องกันจะลดลงตามลำดับ และสารละลายอิ่มตัวด้วย C ดั้งเดิมจะกลายเป็นสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดของ C หลังจากถูกถ่ายโอนไปยังปลายอุณหภูมิต่ำภายใต้เงื่อนไขนี้ C ที่ถูกทำให้อิ่มตัวในสารละลายรวมกับ Si ในสารละลายเสริมสามารถทำให้ผลึก SiC เติบโตบนผลึกเมล็ดได้ เมื่อส่วนที่เป็นรูพรุนของ C ตกตะกอน สารละลายจะกลับไปที่ปลายอุณหภูมิสูงของผนังเบ้าหลอมที่มีการพาความร้อน และละลาย C อีกครั้งเพื่อสร้างสารละลายอิ่มตัว

กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นซ้ำ และคริสตัล SiC ก็เติบโตขึ้น ในกระบวนการการเจริญเติบโตของสถานะของเหลว การละลายและการตกตะกอนของ C ในสารละลายเป็นดัชนีความก้าวหน้าการเติบโตที่สำคัญมาก เพื่อให้แน่ใจว่าผลึกจะเติบโตอย่างมั่นคง จำเป็นต้องรักษาสมดุลระหว่างการละลายของ C ที่ผนังเบ้าหลอมและการตกตะกอนที่ปลายเมล็ด หากการละลายของ C มากกว่าการตกตะกอนของ C C จะทำให้ C ในคริสตัลค่อยๆ เข้มข้นขึ้น และการเกิดนิวเคลียสของ SiC ที่เกิดขึ้นเอง หากการละลายของ C น้อยกว่าการตกตะกอนของ C การเติบโตของผลึกจะทำได้ยากเนื่องจากขาดตัวถูกละลาย
ในเวลาเดียวกัน การขนส่ง C โดยการพาความร้อนยังส่งผลต่อปริมาณ C ในระหว่างการเติบโตด้วย เพื่อที่จะเติบโตผลึก SiC ที่มีคุณภาพคริสตัลดีเพียงพอและมีความหนาเพียงพอ จำเป็นต้องรับประกันความสมดุลขององค์ประกอบทั้งสามข้างต้น ซึ่งจะเพิ่มความยากในการเติบโตของเฟสของเหลวของ SiC อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ด้วยการปรับปรุงและการปรับปรุงทฤษฎีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องอย่างค่อยเป็นค่อยไป ข้อดีของการเติบโตของเฟสของเหลวของผลึก SiC จะค่อยๆ แสดงให้เห็น
ปัจจุบัน การเติบโตของเฟสของเหลวของคริสตัล SiC ขนาด 2 นิ้วสามารถทำได้ในญี่ปุ่น และการเติบโตของเฟสของเหลวของคริสตัลขนาด 4 นิ้วก็กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาเช่นกัน ปัจจุบันการวิจัยในประเทศที่เกี่ยวข้องยังไม่เห็นผลลัพธ์ที่ดีจึงจำเป็นต้องติดตามงานวิจัยที่เกี่ยวข้องต่อไป

ที่เจ็ด คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของผลึก SiC

(1) คุณสมบัติทางกล: คริสตัล SiC มีความแข็งสูงมากและทนต่อการสึกหรอได้ดี ความแข็ง Mohs อยู่ระหว่าง 9.2 ถึง 9.3 และความแข็ง Krit อยู่ระหว่าง 2900 ถึง 3100Kg/mm2 ซึ่งเป็นอันดับสองรองจากคริสตัลเพชรในบรรดาวัสดุที่ถูกค้นพบ เนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมของ SiC จึงมักใช้ผง SiC ในอุตสาหกรรมการตัดหรือเจียร โดยมีความต้องการสูงถึงล้านตันต่อปี การเคลือบทนต่อการสึกหรอบนชิ้นงานบางชิ้นจะใช้การเคลือบ SiC ด้วย ตัวอย่างเช่น การเคลือบป้องกันการสึกหรอบนเรือรบบางลำประกอบด้วยการเคลือบ SiC

(2) คุณสมบัติทางความร้อน: ค่าการนำความร้อนของ SiC สามารถเข้าถึง 3-5 W/cm·K ซึ่งเป็น 3 เท่าของ Si เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมและ 8 เท่าของ GaAs การผลิตความร้อนของอุปกรณ์ที่เตรียมโดย SiC สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นข้อกำหนดของสภาวะการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ SiC จึงค่อนข้างหลวม และเหมาะสำหรับการเตรียมอุปกรณ์กำลังสูงมากกว่า SiC มีคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่เสถียร ภายใต้สภาวะความดันปกติ SiC จะถูกสลายตัวโดยตรงเป็นไอที่มี Si และ C สูงกว่า.

(3) คุณสมบัติทางเคมี: SiC มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และไม่ทำปฏิกิริยากับกรดใดๆ ที่รู้จักที่อุณหภูมิห้อง SiC ที่วางอยู่ในอากาศเป็นเวลานานจะค่อยๆ ก่อตัวเป็นชั้น SiO2 ที่มีความหนาแน่นบางๆ อย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเพิ่มเติม เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึงมากกว่า 1,700°C ชั้นบางๆ ของ SiO2 จะละลายและออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว SiC สามารถเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ช้าๆ กับสารออกซิแดนท์หรือเบสหลอมเหลว และโดยปกติแล้วเวเฟอร์ SiC จะถูกกัดกร่อนใน KOH และ Na2O2 หลอมเหลว เพื่อระบุลักษณะการเคลื่อนที่ในผลึก SiC.

(4) คุณสมบัติทางไฟฟ้า: SiC เป็นวัสดุตัวแทนของเซมิคอนดักเตอร์แถบความถี่กว้าง ความกว้างของแถบความถี่ 6H-SiC และ 4H-SiC คือ 3.0 eV และ 3.2 eV ตามลำดับ ซึ่งเป็น 3 เท่าของ Si และ 2 เท่าของ GaAs อุปกรณ์กึ่งตัวนำที่ทำจาก SiC มีกระแสรั่วไหลน้อยกว่าและมีสนามไฟฟ้าสลายขนาดใหญ่ ดังนั้น SiC จึงถือเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์กำลังสูง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวของ SiC นั้นสูงกว่าของ Si ถึง 2 เท่าและยังมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการเตรียมอุปกรณ์ความถี่สูง สามารถรับผลึก SiC ชนิด P หรือผลึก SiC ชนิด N ได้โดยการเติมอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ในผลึก ในปัจจุบัน ผลึก SiC ชนิด P ส่วนใหญ่จะเจือโดย Al, B, Be, O, Ga, Sc และอะตอมอื่นๆ และผลึก sic ชนิด N ส่วนใหญ่จะเจือด้วยอะตอม N ความแตกต่างของความเข้มข้นและประเภทของสารต้องห้ามจะมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของ SiC ในเวลาเดียวกัน ตัวพาอิสระสามารถตอกตะปูได้ด้วยการเติมระดับลึก เช่น V ความต้านทานสามารถเพิ่มขึ้น และสามารถรับคริสตัล SiC กึ่งฉนวนได้

(5) คุณสมบัติทางแสง: เนื่องจากช่องว่างของแถบความถี่ค่อนข้างกว้าง คริสตัล SiC ที่ไม่มีการเจือจึงไม่มีสีและโปร่งใส ผลึก SiC ที่เจือแสดงสีที่ต่างกันเนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น 6H-SiC จะเป็นสีเขียวหลังจากการเติม N; 4H-SiC เป็นสีน้ำตาล 15R-SiC เป็นสีเหลือง เมื่อเจือด้วย Al 4H-SiC จะปรากฏเป็นสีน้ำเงิน เป็นวิธีการที่ใช้งานง่ายในการแยกแยะประเภทคริสตัล SiC โดยการสังเกตความแตกต่างของสี ด้วยการวิจัยอย่างต่อเนื่องในสาขาที่เกี่ยวข้องกับ SiC ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ในเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

แปด,การแนะนำสถานะการพัฒนา SiC

ในปัจจุบัน อุตสาหกรรม SiC มีความสมบูรณ์แบบมากขึ้นเรื่อยๆ ตั้งแต่เวเฟอร์ซับสเตรต เวเฟอร์เอพิแทกเซียล ไปจนถึงการผลิตอุปกรณ์ บรรจุภัณฑ์ ห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมดได้เติบโตเต็มที่ และสามารถจัดหาผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องกับ SiC ออกสู่ตลาดได้

Cree เป็นผู้นำในอุตสาหกรรมการเติบโตของคริสตัล SiC โดยเป็นผู้นำในด้านขนาดและคุณภาพของเวเฟอร์ซับสเตรต SiC ปัจจุบัน Cree ผลิตชิปซับสเตรต SiC 300,000 ชิ้นต่อปี คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 80% ของการจัดส่งทั่วโลก

ในเดือนกันยายน 2019 Cree ประกาศว่าจะสร้างโรงงานแห่งใหม่ในรัฐนิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา ซึ่งจะใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดเพื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. และเวเฟอร์ซับสเตรต RF SiC ซึ่งบ่งชี้ว่าเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุซับสเตรต SiC 200 มม. ของบริษัทได้ เป็นผู้ใหญ่มากขึ้น

ปัจจุบันผลิตภัณฑ์หลักของชิปพื้นผิว SiC ในตลาดส่วนใหญ่เป็นประเภทสื่อกระแสไฟฟ้า 4H-SiC และ 6H-SiC และกึ่งฉนวนขนาด 2-6 นิ้ว
ในเดือนตุลาคม 2015 Cree เป็นคนแรกที่เปิดตัวเวเฟอร์ซับสเตรต SiC ขนาด 200 มม. สำหรับชนิด N และ LED ถือเป็นจุดเริ่มต้นของเวเฟอร์ซับสเตรต SiC ขนาด 8 นิ้วออกสู่ตลาด
ในปี 2016 Romm เริ่มให้การสนับสนุนทีม Venturi และเป็นคนแรกที่ใช้ชุด IGBT + SiC SBD ในรถยนต์เพื่อแทนที่โซลูชัน IGBT + Si FRD ในอินเวอร์เตอร์ 200 kW แบบดั้งเดิม หลังจากการปรับปรุง น้ำหนักของอินเวอร์เตอร์จะลดลง 2 กก. และขนาดลดลง 19% โดยที่ยังคงกำลังไฟเท่าเดิม

ในปี 2017 หลังจากนำ SiC MOS + SiC SBD ไปใช้เพิ่มเติม ไม่เพียงแต่น้ำหนักจะลดลง 6 กิโลกรัม ขนาดก็ลดลง 43% และกำลังอินเวอร์เตอร์ก็เพิ่มขึ้นจาก 200 kW เป็น 220 kW ด้วย
หลังจากที่ Tesla นำอุปกรณ์ที่ใช้ SIC มาใช้ในอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนหลักของผลิตภัณฑ์ Model 3 ในปี 2018 ผลการสาธิตก็ขยายออกไปอย่างรวดเร็ว ทำให้ตลาดยานยนต์ xEV กลายเป็นแหล่งสร้างความตื่นเต้นให้กับตลาด SiC ในไม่ช้า ด้วยการใช้ SiC ที่ประสบความสำเร็จ มูลค่าผลผลิตในตลาดที่เกี่ยวข้องก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน

เก้าบทสรุป:

ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับ SiC ผลผลิตและความน่าเชื่อถือจะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม ราคาของอุปกรณ์ SiC ก็จะลดลงเช่นกัน และความสามารถในการแข่งขันในตลาดของ SiC จะชัดเจนยิ่งขึ้น ในอนาคต อุปกรณ์ SiC จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในด้านต่างๆ เช่น รถยนต์ การสื่อสาร โครงข่ายไฟฟ้า และการขนส่ง และตลาดผลิตภัณฑ์จะกว้างขึ้น และขนาดของตลาดจะถูกขยายเพิ่มเติม กลายเป็นการสนับสนุนที่สำคัญสำหรับประเทศ เศรษฐกิจ.

เวลาโพสต์: 25 มกราคม 2024

โครงสร้างและเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์ (Ⅱ)