1. Увод у силицијум карбид
Полупроводнички материјали су постали жариште глобалне конкуренције у високој{0}}овој високој технологији и великог{1} ривалства. Међу њима, полупроводнички материјали-широкопојасни, представљени силицијум карбидом (СиЦ), примењени су у великим-примјенама у кључним областима као што су мобилне комуникације нове{5}}генерације, паметне мреже,-брзи железнички транспорт, нова енергетска возила и потрошачка електроника. Силицијум карбид има широк појас, велико електрично поље, високу топлотну проводљивост, велику брзину засићења електрона и јаку отпорност на зрачење. Може да пробије границе перформанси полупроводничких уређаја заснованих на силицијуму{9}} и сматра се „ЦПУ“ енергетске електронике и микроталасних радио{10}}фреквентних уређаја, као и „језгром чипа“ зелене економије [1].
Кристална структура силицијум карбида
Силицијум карбид је ИВ-ИВ једињење са јединственим физичким и хемијским својствима. Си и Ц атоми формирају ковалентне везе тако што деле електронске парове у сп³ хибридним орбиталама, што резултира тетраедарском структуром везе која формира кристале СиЦ. Силицијум карбид има више од 200 политипова, који су конструисани слагањем двослојева Си-Ц у различитим секвенцама. Познати политипови укључују 2Х-СиЦ, 3Ц-СиЦ, 4Х-СиЦ, 6Х-СиЦ, 15Р-СиЦ, итд. Ознака политипа је заснована на броју Си{17}}Ц кристалних ћелија у комбинацији по јединици кристалних ћелија са Х двослојевима хексагонални, Р за ромбоедарски). Различити СиЦ политипови имају различите електронске, оптичке и механичке особине, нудећи на тај начин јасне предности у различитим применама [2-4].
3Ц-СиЦ: 3Ц-СиЦ је најједноставнији политип, са кубичном блиско-упакованом структуром. Атоми Си и Ц су распоређени у специфичном тродимензионалном -размеру, формирајући високо симетричан кристал. Због своје симетрије, 3Ц-СиЦ има релативно лоша електронска и оптичка својства, тако да има ограничену практичну примену.
4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ: За разлику од 3Ц-СиЦ, 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ имају хексагоналне блиско-упаковане структуре. Оба политипа су супериорнија од 3Ц-СиЦ-а у покретљивости електрона, топлотној проводљивости и размаку појаса. 4Х-СиЦ има већу покретљивост електрона, што га чини идеалнијим за високо-и високофреквентне и-електронске уређаје и широко се користи у возилима за комуникацију са 5Г енергијом итд. 6Х-СиЦ има већи појас, што га чини бољим у окружењима са високим{{17}температурама и високим{18}радијација [4].
Преглед домаћег и међународног развоја силицијум карбида
Током 1990-их, прекоморске компаније као што су Црее и Вестингхоусе већ су преузеле водећу улогу у развоју и производњи 2–4 инча СиЦ супстрата. Уласком у 21. век, уз континуирану технолошку итерацију, 6--инчне СиЦ плочице постепено су постале главна на тржишту. Вођена експлозивним растом електричних возила и нових енергетских индустрија, глобална потражња за СиЦ материјалима наставља да расте. Домаћа и страна предузећа и истраживачке институције повећале су улагања у истраживање и развој у велике-величине, високо-квалитетне СиЦ плочице. Тренутно су међународни произвођачи као што су Волфспеед, ИИ-ВИ и Рохм постигли масовну производњу 8-инчних СиЦ подлога. Под подстицајем кинеског „14. петогодишњег плана“, домаћа производња 8-инчних СиЦ супстрата је такође ушла у фазу индустријализације, при чему су компаније као што су ТанкеБлуе, СИЦЦ и Јингсхенг Мецханицал & Елецтрицал сукцесивно најављивале серијске испоруке 8-инчних СиЦ супстрата [5].
Тренутно, 6- СиЦ остаје глобални комерцијални мејнстрим, док производи од 8 инча убрзавају ка индустријализацији. Концентрисани продори на пољу СиЦ од 12 инча означавају критичну прекретницу за индустрију полупроводника треће генерације. Домаће компаније укључујући СИЦЦ, Јингсхенг Мецханицал & Елецтрицал, Јингиуе Семицондуцтор, Тианцхенг Семицондуцтор, Кеиоу Семицондуцтор, Хосхине Силицон, Нансха Јингиуан, ГлобалВаферс, Схуоке Цристал, као и америчку компанију Волфспеед, постигле су велики напредак у развоју појединачних кристала и субстрата.
2. Методе за припрему монокристала силицијум карбида
Тренутно, три главне методе које могу да произведу високо{0}}квалитетне СиЦ монокристале су метода физичког транспорта паре (ПВТ), метода високотемпературног хемијског таложења испарењем (ХТЦВД) и метода раста-растања раствора на врху (ТССГ).
Метода физичког транспорта паре (ПВТ).
Године 1955, Лели је први пут употребио метод сублимације за узгој СиЦ монокристала. Међутим, овај метод је имао многе инхерентне недостатке: изузетно високе температуре раста, потешкоће у прецизној контроли нуклеације, ниску ефикасност раста, широку дисперзију електричних параметара у резултујућим кристалима и генерално мале величине кристала. Као резултат тога, квалитет кристала СиЦ произведених Лели методом је био лош, док су трошкови остали високи. Овај технички изазов није превазиђен све до 1978. године, када су Таиров и његове колеге увели кристал за семе у процес раста заснован на традиционалној Лели методи, омогућавајући ефективну контролу над нуклеацијом и смањење температуре раста. Ова метода је постала позната као модификована Лели метода, односно метода физичког транспорта паре [6-9].
ПВТ метода карактерише зрела технологија и јака могућност контроле, и тренутно је примарни метод за производњу високо{0}}квалитетне, велике-СиЦ-а. У овој методи, СиЦ прах се поставља на дно графитног лончића, а СиЦ семенски кристал се поставља на врх. Графитни лончић се загрева до температуре сублимације СиЦ, што доводи до распада праха у гасовите врсте као што су Си пара, Си₂Ц и СиЦ₂. Вођене аксијалним температурним градијентом, ове врсте се сублимирају до врха лончића и кондензују на површини семена СиЦ, кристалишући у монокристале СиЦ [6]. Овај метод може масовно-произвести велике-СиЦ велике-чистоће и погодан је за-индустријску производњу великих размера, али његови недостаци укључују споре стопе раста и потребу за значајном опремом, што доводи до високих трошкова производње.
За процес раста ПВТ, многи фактори утичу на раст кристала СиЦ, укључујући температуру, температурни градијент, притисак у лончићу, растојање између семена и поликристалног праха и чистоћу праха.
1.1 Синтеза СиЦ праха
СиЦ прах, као сировина за синтезу и узгој монокристала, директно утиче на квалитет и електрохемијска својства узгојених кристала. Смањење композицијске сегрегације током раста, смањење садржаја нечистоћа и побољшање перформанси транспорта су важни циљеви у припреми праха и претходном третману [8].
СиЦ прах који се користи за узгој монокристала мора да испуњава веома високе захтеве за чистоћу, са садржајем нечистоћа идеално испод 0,001%. Постоји много метода за припрему СиЦ праха, који се према почетном стању сировина могу класификовати на методе чврсте-фазе, течне-фазе и гасовите{4}}фазе. Методе у чврстој-фази углавном укључују карботермалну редукцију, механичко дробљење и само{7}}синтезу на високим температурама-; Методе у течној{9}}фази обухватају сол-гел и разлагање полимера; Методе у гасној{11}}фази обухватају хемијско таложење паре и методе плазме. Међу њима, методе у гасној{13}}фази могу да добију прах -СиЦ високе чистоће контролисањем нивоа нечистоћа у изворима гаса; међу методама течне{15}}фазе, само сол-гел метода може произвести прах који испуњава захтеве чистоће за раст једног-кристала; међу методама у чврстој{18}}фази, побољшана само{19}}метода синтезе на високим температурама{20} је тренутно најраспрострањенији и најзрелији процес за припрему СиЦ праха [2,8].
1.2 Цруцибле
Унутрашња структура лончића директно утиче на величину и квалитет узгојених монокристала СиЦ; ограничена површина раста унутар лончића је важан фактор који ограничава повећање пречника [7]. Поред тога, лончићи могу унети металне нечистоће због чистоће материјала и фактора обраде. Када су такве нечистоће присутне, оне изазивају неравномерно загревање лончића, утичући на расподелу температурног поља унутар пећи, а самим тим и на квалитет кристала. Да би се ово избегло, лончић мора бити подвргнут третману пречишћавања [2].
1.3 Сеед Цристал
За кристале СиЦ, различити правци раста показују различите стопе раста. Избор и распоред површине раста утиче не само на квалитет кристала већ и на величину кристала. Морфологија и структура површине семена директно утичу на број микроцеви и дефеката у кристалу. Да бисте добили монокристале велике{3}}величине, предуслов је велики кристал за семе. Причвршћивање семена се углавном постиже лепком. Типично, модификована фенолна смола се раствара у етил ацетоацетату да би се формирао лепак, који се равномерно наноси на полеђину СиЦ семена и доњу површину поклопца лончића. Притисак се примењује на површину семена да би се избацили мехурићи и вишак лепка. Затим се поклопац ставља у рерну за загревање и држи 2 сата, након чега следи карбонизација лепка у атмосфери аргона. Мора се водити рачуна да се обезбеди равномеран притисак током везивања како би се избегло пуцање семена услед неуједначеног напрезања [2].
1.4 Параметри раста
Подешавања температуре, притиска, градијента температуре, снабдевања гасом и других параметара током раста СиЦ моно{0}}кристала директно утичу на униформност, кристалност и дефектна својства депонованих кристала. Истраживање и дизајн параметара раста кристала су увек били кључни фокус. Процеси раста кристала углавном укључују контролу температуре и притиска. Раст кристала СиЦ укључује пренос топлоте, пренос масе и хемијске реакције. Расподела температурног поља унутар пећи у великој мери одређује квалитет и брзину раста монокристала СиЦ. Прецизно разумевање температурног поља и процеса транспорта паре је кључно за добијање кристала високог{6}}квалитета великих-величина [7].
Врх{0}}Метода раста са засадом раствора (ТССГ).
Метода ТССГ, такође позната као метода течне{0}}фазе, узгаја монокристале СиЦ спорије, али добијени кристали имају високо структурно савршенство. ТССГ апарат се састоји од индукционог намотаја, графитне изолације, графитног лончића, растапања Си, кристала за семе СиЦ и шипке за повлачење. Графитни лончић се користи зато што је отпоран на топлоту-и отпоран на корозију-, служи као контејнер за растоп Си, а такође је извор угљеника за раст кристала. Силицијумска сировина и додаци се стављају у графитни лончић. Пошто је температура на зиду лончића висока док је температура код шипке за семе ниска, угљеник се раствара из графитног лончића и комбинује се са растопљеним силицијумом на семену, формирајући кристале СиЦ. У поређењу са ПВТ методом, метода течне-фазе нуди предности као што су мања густина дислокација, лакше проширење пречника и могућност добијања кристала п-типа. Међутим, остају проблеми у вези са контролом садржаја нечистоћа и избором прелазних елемената.
Пошто је суштина ТССГ методе растварање и рекристализација угљеника у топљењу силицијума, повећање растворљивости угљеника у раствору Си је кључ за успешан раст појединачних- кристала СиЦ. Међутим, растворљивост угљеника у силицијуму је изузетно ниска, само око 13% чак и на перитектичкој температури од 3037 К. Штавише, силицијум испарава директно изнад 2273 К, тако да се у раствор Си морају додати други прелазни или ретки{6}}елементи да би се повећала растворљивост угљеника. Стога је одабир одговарајућег растварача најкритичнији корак за успешан раст кристала СиЦ ТССГ методом. Други кључни фокус истраживања је контрола кинетичких процеса током раста. Поред тога, укључивање растварача и контрола политипа су важна питања у расту раствора [5,10].
Метода хемијског таложења на високим{0}}има (ХТЦВД).
ХТЦВД реактор се састоји од графитног лончића са семенским кристалом постављеним на врху, спољне изолације и индукционог грејања. Сирови материјали су гасовити силицијум- и угљеник-који садрже једињења као што су СиХ₄, СиЦл₄, Ц₃Х₈ и Ц₂Х₂. Контролом температуре и притиска унутар реактора, СиЦ расте на семену на температурама од 2200 до 2500 степени. У поређењу са ПВТ методом, ХТЦВД метода нуди предности као што су висока чистоћа, погодна контрола односа Ц/Си и континуирано снабдевање изворним материјалима. Његови недостаци су што и силицијум и извор угљеника потичу из гасова, а висока температура раста доводи до велике потрошње енергије и трошкова производње [2-3].
3. Трендови развоја монокристала силицијум карбида
Гледајући унапред, високо{0}}квалитетна СиЦ технологија за припрему једног кристала{1}}ће наставити да се надограђује у четири главна правца: велика-величина, висок-квалитет, ниска-цена и интелигентна [11]:
Велика-величина: Пречник СиЦ монокристала се проширио са раних милиметарских-скала на тренутне 6-инча, 8-, па чак и 12 инча и више. Припрема кристала великих димензија може значајно побољшати ефикасност производње, смањити трошкове производње јединице и боље задовољити потребе електронских уређаја велике снаге.
Висок-квалитет: Високо{0}}квалитетне СиЦ подлоге су основна основа за поуздане{1}}уређаје високих перформанси. Иако се квалитет једног-кристала СиЦ-а значајно побољшао, дефекти кристала као што су микроцеви, дислокације и нечистоће су и даље распрострањени, директно утичући на перформансе уређаја и дугорочну{4}}поузданост. Будући напори ће се фокусирати на континуирани напредак у контроли кварова.
Ниска-цена: Тренутно, релативно висока цена СиЦ моно-припреме једног кристала ограничава његову-примену у великим размерама у више сценарија. Будуће смањење трошкова може се постићи оптимизацијом процеса раста кристала, побољшањем приноса и ефикасности производње и смањењем трошкова сировина и потрошног материјала у целом индустријском ланцу.
Интелигентан: Омогућен вештачком интелигенцијом, великим подацима и другим технологијама, процес раста кристала СиЦ постепено ће постати интелигентнији. Кроз примену-линијских сензора и аутоматизованих контролних система, може се постићи праћење-у реалном времену и прецизна регулација целог процеса раста, побољшавајући стабилност и доследност процеса. У комбинацији са анализом великих{4}}података, параметри раста се могу итеративно оптимизовати да би се додатно побољшао квалитет кристала и ефикасност производње.