Gelişmiş Yarım iletken Kristal Malzemeler

Silikon karbür (SiC), güç elektronikleri, RF cihazları ve yeni nesil yarı iletken platformlarında en stratejik malzemelerden biri haline geldi.Fiziksel Buhar Taşımacılığı (PVT), yüksek kaliteli toplu SiC tek kristali üretmek için baskın endüstriyel yöntem olmaya devam ediyor.

PVT işleminde, yüksek saflıkta SiC tozu mühürlenmiş bir büyüme odasında termal olarak süblim edilir ve buhar türleri taşınır ve bir tohum kristaline yeniden yoğunlaşır.Tek kristal SiC topu oluştururTipik bir PVT büyüme sistemi, sıkıca bağlı üç alt sistemden oluşur: sıcaklık kontrolü, basınç kontrolü ve kristal büyüme montajı.

1PVT Büyüme Sisteminin Mimarlığı

1.1 Sıcaklık Kontrol Sistemi

SiC PVT fırınlarında genellikle iki ısıtma modu kullanılır:

• İndüksiyon ısıtma (10~100 kHz):
  Suyla soğutulmuş çift katmanlı kuvars sarmal, grafit havuzunda girdap akımları uyandırır ve ısı üretir.

• Direniş ısıtma:
  Bir grafit ısıtıcısı, radyasyonla haşereye ve daha sonra iletkenlik yoluyla SiC tozuna aktarılan Joule ısısı üretir.

Direniş ısıtması ile karşılaştırıldığında, indüksiyon ısıtması daha yüksek verimlilik, daha düşük bakım maliyeti ve daha basit bir fırın tasarımı sunar.Ama dış bozukluklara karşı daha duyarlıdır ve daha karmaşık bir ısı alanı kontrolü gerektirir..

1.2 Basınç Kontrol Sistemi

Basınç sistemi öncelikle odayı yüksek vakuma boşaltır, daha sonra kontrol edilen bir miktar inert gaz (tipik olarak argon) girer.,Yüksek kaliteli büyüme, sıcaklık ve basınç kontrolünün sıkı bir şekilde birleştirilmesini gerektirir.

1.3 Kristal Büyüme Montajı

Temel büyüme bölgesi aşağıdakilerden oluşur:

• Grafit kavurması

• SiC kaynağı toz

• Tohum kristalı

Yüksek sıcaklıkta SiC tozu Si, Si2C ve SiC2 gibi buhar türlerine ayrılır.Tek kristal SiC olarak yeniden birleşip kristalleşirler..

2Çukur ve İç Yapı Mühendisliği

Kavcutun iç geometri, kristal boyutunu, büyüme tekdüzeliğini ve kusur yoğunluğunu güçlü bir şekilde etkiler.

SiCrystal'ın (Almanya) erken çalışmaları, parazit nükleerlenmesini kurban yüzeylerine zorlamak için grafit bölmelerini kullandı ve ana kristalin daha büyük olmasına izin verdi.DENSO, buhar naklini kontrol etmek ve kenar tekdüzeliğini iyileştirmek için hareketli koruyucu plakalar ve konik akış kılavuzları tanıttı.

Daha sonraki gelişmeler şunları içerir:

• Gaz filtreleme bölmeler (II-VI, SiCrystal)

• Kaynak arıtma katmanları (TankeBlue, Çin)

• Hareketli tohum saklayıcıları ve ayarlanabilir büyüme bölgeleri (Fizika Enstitüsü, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

Daha yakın zamanda, dikkat, sabit bir sıcaklık farkını korumak ve daha büyük küp çaplarını sağlamak için tohumun veya kaynak tozunun kaldırılması gibi dinamik büyüme bölgesi kontrolüne kaydı..

3. Tohum Kristal Tasarımı ve Yönlendirme

SiC büyümesi son derece anisotropiktir. Tohumun kristalografik yönelimi doğrudan büyüme hızını, kusur oluşumunu ve politip istikrarını belirler.

Önemli tarihsel gelişmeler şunlardır:

• Siemens (1989): (0001) kutup yüzü

• Toyota (1997): eksen dışı yüzler 20°55° eğilmiş

• Wolfspeed (2005): c ekseni ve termal eğim arasındaki küçük eğim

• Bridgestone (2008): Mikropipleri bastırmak için konveks tohum yüzeyleri

Yüzey mühendisliği kusurları daha da azaltır:

• Çukurlar ve periyodik dokular (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Adım akışını kontrol etmek için boş mikrostructures

4Büyük çaplı tohum mühendisliği

Büyük SiC topları büyük tohumlar gerektirir. Yerel büyük tohumlar mevcut olmadığından, mozaik tohum teknolojisi yaygın olarak kullanılır.

• TankeBlue (2016): Bağlı küçük tohumlar → 150 mm'lik toplar

• Shandong Üniversitesi (2019): mozaik + yan ve yüzey epitaksi → ≥8 inçlik tohumlar

Bu yaklaşım artık 200 mm'ye odaklanmıştır.SiC plakalarıGelişim.

5Kritik SiC büyüme parametreleri

5.1 Sıcaklık eğimleri

Kaynarın içindeki doğrudan ölçüm imkansız olduğundan, iç sıcaklık alanlarını tahmin etmek için sayısal simülasyon araçları (örneğin, Sanal Reaktör) kullanılır.Eksenel ve radyal eğimler buhar nakliye yönünü belirler, aşırı doymak ve kristal morfolojisi.

5.2 Büyüme Hızı

SiC büyüme hızı aşağıdaki durumlarda artar:

• Sıcaklık yükseliyor.

• Kaynak “tohumların sıcaklık eğimi artışları”

• Oda basıncı azalıyor.

• Kaynak ırmak mesafesi azalır

Bununla birlikte, aşırı büyüme oranları kusurlara, politip istikrarsızlığına ve strese neden olabilir.

5.3 Buhar Kimyası

C/Si oranı en kritik termodinamik parametredir:

• Düşük C/Si → 3C-SiC'yi tercih eder

• Karbon bakımından zengin buhar → 4H-SiC'yi dengeler

Gaz bileşimi, dopantlar ve inert gaz basıncı birlikte aşırı doymayı, politip ve doping tekdüzeliğini belirler.

6. Görünüm

Modern SiC tek kristal büyümesi, aşağıdakileri içeren bir çok fizik optimizasyon problemidir:

• Toz saflığı ve parçacık boyutu

• Çukur ve rehber tasarımı

• Tohum yönelimi ve yüzey topolojisi

• Dinamik termal ve basınç kontrolü

200 mm'nin ötesinde topları artırmak için, ana stratejiler büyüme bölgesinin genişletilmesi ve büyük alan mozaik tohumlarıdır.Buhar kimyası kontrolü, ve kaynak mühendisliği.

Elektrikli araçlar, yapay zeka güç modülleri ve yüksek voltajlı şebekeler SiC talebini arttırırken,PVT kristal büyüme fizikinin ustalığı, küresel geniş bantlı yarı iletken endüstrisinde temel rekabet avantajı olmaya devam edecek..