समाचार - सिलिकॉन कार्बाइड की संरचना और विकास प्रौद्योगिकी (Ⅱ)

चौथा, भौतिक वाष्प स्थानांतरण विधि

भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधि की उत्पत्ति 1955 में लेली द्वारा आविष्कार की गई वाष्प चरण उर्ध्वपातन तकनीक से हुई है। SiC पाउडर को ग्रेफाइट ट्यूब में रखा जाता है और SiC पाउडर को विघटित और उर्ध्वपातित करने के लिए उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है, और फिर ग्रेफाइट ट्यूब को ठंडा किया जाता है। SiC पाउडर के अपघटन के बाद, वाष्प चरण घटकों को जमा किया जाता है और ग्रेफाइट ट्यूब के चारों ओर SiC क्रिस्टल में क्रिस्टलीकृत किया जाता है। यद्यपि इस विधि से बड़े आकार के SiC एकल क्रिस्टल प्राप्त करना कठिन है, और ग्रेफाइट ट्यूब में जमाव प्रक्रिया को नियंत्रित करना कठिन है, यह बाद के शोधकर्ताओं के लिए विचार प्रदान करता है।
वाईएम टेरैरोव एट अल। रूस में इस आधार पर बीज क्रिस्टल की अवधारणा पेश की गई, और अनियंत्रित क्रिस्टल आकार और SiC क्रिस्टल की न्यूक्लियेशन स्थिति की समस्या को हल किया गया। बाद के शोधकर्ताओं ने सुधार जारी रखा और अंततः आज औद्योगिक उपयोग में भौतिक गैस चरण परिवहन (पीवीटी) विधि विकसित की।

सबसे प्रारंभिक SiC क्रिस्टल विकास विधि के रूप में, भौतिक वाष्प स्थानांतरण विधि SiC क्रिस्टल विकास के लिए सबसे मुख्यधारा विकास विधि है। अन्य तरीकों की तुलना में, इस विधि में विकास उपकरण, सरल विकास प्रक्रिया, मजबूत नियंत्रणीयता, संपूर्ण विकास और अनुसंधान के लिए कम आवश्यकताएं हैं, और औद्योगिक अनुप्रयोग का एहसास हुआ है। वर्तमान मुख्यधारा पीवीटी विधि द्वारा उगाए गए क्रिस्टल की संरचना चित्र में दिखाई गई है।

ग्रेफाइट क्रूसिबल की बाहरी थर्मल इन्सुलेशन स्थितियों को नियंत्रित करके अक्षीय और रेडियल तापमान क्षेत्रों को नियंत्रित किया जा सकता है। SiC पाउडर को उच्च तापमान के साथ ग्रेफाइट क्रूसिबल के नीचे रखा जाता है, और SiC बीज क्रिस्टल को कम तापमान के साथ ग्रेफाइट क्रूसिबल के शीर्ष पर तय किया जाता है। बढ़ते एकल क्रिस्टल और पाउडर के बीच संपर्क से बचने के लिए पाउडर और बीज के बीच की दूरी को आम तौर पर दसियों मिलीमीटर तक नियंत्रित किया जाता है। तापमान प्रवणता आमतौर पर 15-35℃/सेमी की सीमा में होती है। संवहन बढ़ाने के लिए भट्ठी में 50-5000 Pa की एक अक्रिय गैस रखी जाती है। इस तरह, इंडक्शन हीटिंग द्वारा SiC पाउडर को 2000-2500℃ तक गर्म करने के बाद, SiC पाउडर उर्ध्वपातित हो जाएगा और Si, Si2C, SiC2 और अन्य वाष्प घटकों में विघटित हो जाएगा, और गैस संवहन के साथ बीज के अंत तक ले जाया जाएगा, और एकल क्रिस्टल वृद्धि प्राप्त करने के लिए SiC क्रिस्टल को बीज क्रिस्टल पर क्रिस्टलीकृत किया जाता है। इसकी सामान्य वृद्धि दर 0.1-2 मिमी/घंटा है।

पीवीटी प्रक्रिया विकास तापमान, तापमान प्रवणता, विकास सतह, सामग्री सतह अंतर और विकास दबाव के नियंत्रण पर केंद्रित है, इसका लाभ यह है कि इसकी प्रक्रिया अपेक्षाकृत परिपक्व है, कच्चे माल का उत्पादन करना आसान है, लागत कम है, लेकिन विकास प्रक्रिया पीवीटी विधि का निरीक्षण करना मुश्किल है, क्रिस्टल की वृद्धि दर 0.2-0.4 मिमी/घंटा है, बड़ी मोटाई (>50 मिमी) के साथ क्रिस्टल विकसित करना मुश्किल है। दशकों के निरंतर प्रयासों के बाद, पीवीटी विधि द्वारा उगाए गए SiC सब्सट्रेट वेफर्स का वर्तमान बाजार बहुत बड़ा हो गया है, और SiC सब्सट्रेट वेफर्स का वार्षिक उत्पादन सैकड़ों हजारों वेफर्स तक पहुंच सकता है, और इसका आकार धीरे-धीरे 4 इंच से 6 इंच तक बदल रहा है। , और 8 इंच SiC सब्सट्रेट नमूने विकसित किए हैं।

पांचवां,उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव विधि

उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (HTCVD) रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) पर आधारित एक उन्नत विधि है। यह विधि पहली बार 1995 में कोर्डिना एट अल., लिंकोपिंग यूनिवर्सिटी, स्वीडन द्वारा प्रस्तावित की गई थी।
विकास संरचना आरेख चित्र में दिखाया गया है:

पांचवां,उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव विधि

जब SiC क्रिस्टल को तरल चरण विधि द्वारा उगाया जाता है, तो सहायक समाधान के अंदर तापमान और संवहन वितरण चित्र में दिखाया गया है:

यह देखा जा सकता है कि सहायक घोल में क्रूसिबल दीवार के पास का तापमान अधिक है, जबकि बीज क्रिस्टल के पास का तापमान कम है। विकास प्रक्रिया के दौरान, ग्रेफाइट क्रूसिबल क्रिस्टल विकास के लिए सी स्रोत प्रदान करता है। क्योंकि क्रूसिबल दीवार पर तापमान अधिक है, C की घुलनशीलता बड़ी है, और विघटन दर तेज है, C का संतृप्त घोल बनाने के लिए क्रूसिबल दीवार पर बड़ी मात्रा में C घुल जाएगा। बड़ी मात्रा में ये समाधान घुले हुए C को सहायक घोल के भीतर संवहन द्वारा बीज क्रिस्टल के निचले हिस्से में ले जाया जाएगा। बीज क्रिस्टल सिरे के कम तापमान के कारण, संबंधित C की घुलनशीलता तदनुसार कम हो जाती है, और मूल C-संतृप्त घोल इस स्थिति के तहत कम तापमान वाले सिरे पर स्थानांतरित होने के बाद C का सुपरसैचुरेटेड घोल बन जाता है। सहायक घोल में Si के साथ संयुक्त घोल में सुपरटेचुरेटेड C, बीज क्रिस्टल पर SiC क्रिस्टल एपिटैक्सियल विकसित कर सकता है। जब C का सतही भाग अवक्षेपित हो जाता है, तो घोल संवहन के साथ क्रूसिबल दीवार के उच्च तापमान वाले सिरे पर वापस आ जाता है, और संतृप्त घोल बनाने के लिए C को फिर से घोल देता है।

पूरी प्रक्रिया दोहराई जाती है, और SiC क्रिस्टल बढ़ता है। तरल चरण वृद्धि की प्रक्रिया में, समाधान में सी का विघटन और अवक्षेपण विकास प्रगति का एक बहुत ही महत्वपूर्ण सूचकांक है। स्थिर क्रिस्टल वृद्धि सुनिश्चित करने के लिए, क्रूसिबल दीवार पर सी के विघटन और बीज के अंत में वर्षा के बीच संतुलन बनाए रखना आवश्यक है। यदि C का विघटन C के अवक्षेपण से अधिक है, तो क्रिस्टल में C धीरे-धीरे समृद्ध होता है, और SiC का सहज न्यूक्लिएशन घटित होगा। यदि C का विघटन C के अवक्षेपण से कम है, तो विलेय की कमी के कारण क्रिस्टल का विकास करना कठिन होगा।
साथ ही, संवहन द्वारा C का परिवहन भी विकास के दौरान C की आपूर्ति को प्रभावित करता है। पर्याप्त अच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता और पर्याप्त मोटाई के साथ SiC क्रिस्टल विकसित करने के लिए, उपरोक्त तीन तत्वों का संतुलन सुनिश्चित करना आवश्यक है, जिससे SiC तरल चरण के विकास की कठिनाई काफी बढ़ जाती है। हालाँकि, संबंधित सिद्धांतों और प्रौद्योगिकियों के क्रमिक सुधार और सुधार के साथ, SiC क्रिस्टल के तरल चरण के विकास के फायदे धीरे-धीरे दिखाई देंगे।
वर्तमान में, जापान में 2-इंच SiC क्रिस्टल का तरल चरण विकास प्राप्त किया जा सकता है, और 4-इंच क्रिस्टल का तरल चरण विकास भी विकसित किया जा रहा है। वर्तमान में, प्रासंगिक घरेलू शोध में अच्छे परिणाम नहीं दिखे हैं, और प्रासंगिक शोध कार्य का पालन करना आवश्यक है।

सातवां, SiC क्रिस्टल के भौतिक और रासायनिक गुण

(1) यांत्रिक गुण: SiC क्रिस्टल में अत्यधिक कठोरता और अच्छा पहनने का प्रतिरोध होता है। इसकी मोह कठोरता 9.2 और 9.3 के बीच है, और इसकी क्रिट कठोरता 2900 और 3100 किलोग्राम/मिमी2 के बीच है, जो खोजी गई सामग्रियों में हीरे के क्रिस्टल के बाद दूसरे स्थान पर है। SiC के उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के कारण, पाउडर SiC का उपयोग अक्सर काटने या पीसने वाले उद्योग में किया जाता है, जिसकी वार्षिक मांग लाखों टन तक होती है। कुछ वर्कपीस पर पहनने के लिए प्रतिरोधी कोटिंग में SiC कोटिंग का भी उपयोग किया जाएगा, उदाहरण के लिए, कुछ युद्धपोतों पर पहनने के लिए प्रतिरोधी कोटिंग SiC कोटिंग से बनी होती है।

(2) तापीय गुण: SiC की तापीय चालकता 3-5 W/cm·K तक पहुंच सकती है, जो पारंपरिक अर्धचालक Si की 3 गुना और GaAs की 8 गुना है। SiC द्वारा तैयार डिवाइस के ताप उत्पादन को जल्दी से दूर किया जा सकता है, इसलिए SiC डिवाइस की ताप अपव्यय स्थितियों की आवश्यकताएं अपेक्षाकृत ढीली हैं, और यह उच्च-शक्ति उपकरणों की तैयारी के लिए अधिक उपयुक्त है। SiC में स्थिर थर्मोडायनामिक गुण होते हैं। सामान्य दबाव की स्थिति में, SiC सीधे उच्च स्तर पर Si और C युक्त वाष्प में विघटित हो जाएगा.

(3) रासायनिक गुण: SiC में स्थिर रासायनिक गुण, अच्छा संक्षारण प्रतिरोध होता है, और कमरे के तापमान पर किसी भी ज्ञात एसिड के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है। लंबे समय तक हवा में रखा SiC धीरे-धीरे घने SiO2 की एक पतली परत बना देगा, जिससे आगे ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को रोका जा सकेगा। जब तापमान 1700℃ से अधिक हो जाता है, तो SiO2 की पतली परत पिघल जाती है और तेजी से ऑक्सीकृत हो जाती है। SiC पिघले हुए ऑक्सीडेंट या क्षार के साथ धीमी ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से गुजर सकता है, और SiC क्रिस्टल में अव्यवस्था को चिह्नित करने के लिए SiC वेफर्स आमतौर पर पिघले हुए KOH और Na2O2 में संक्षारित होते हैं।.

(4) विद्युत गुण: विस्तृत बैंडगैप अर्धचालकों की प्रतिनिधि सामग्री के रूप में SiC, 6H-SiC और 4H-SiC बैंडगैप चौड़ाई क्रमशः 3.0 eV और 3.2 eV है, जो Si की 3 गुना और GaAs की 2 गुना है। SiC से बने सेमी-कंडक्टर उपकरणों में कम लीकेज करंट और बड़ा ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र होता है, इसलिए SiC को उच्च-शक्ति उपकरणों के लिए एक आदर्श सामग्री माना जाता है। SiC की संतृप्त इलेक्ट्रॉन गतिशीलता भी Si की तुलना में 2 गुना अधिक है, और उच्च आवृत्ति उपकरणों की तैयारी में इसके स्पष्ट लाभ भी हैं। पी-प्रकार सीआईसी क्रिस्टल या एन-प्रकार सीआईसी क्रिस्टल क्रिस्टल में अशुद्धता परमाणुओं को डोप करके प्राप्त किए जा सकते हैं। वर्तमान में, पी-प्रकार के एसआईसी क्रिस्टल मुख्य रूप से अल, बी, बीई, ओ, गा, एससी और अन्य परमाणुओं द्वारा डोप किए जाते हैं, और एन-प्रकार के एसआईसी क्रिस्टल मुख्य रूप से एन परमाणुओं द्वारा डोप किए जाते हैं। डोपिंग सांद्रता और प्रकार के अंतर का SiC के भौतिक और रासायनिक गुणों पर बहुत प्रभाव पड़ेगा। साथ ही, मुक्त वाहक को वी जैसे गहरे स्तर के डोपिंग द्वारा पकड़ा जा सकता है, प्रतिरोधकता बढ़ाई जा सकती है, और अर्ध-इन्सुलेटिंग सीआईसी क्रिस्टल प्राप्त किया जा सकता है।

(5) ऑप्टिकल गुण: अपेक्षाकृत चौड़े बैंड गैप के कारण, अनडॉप्ड SiC क्रिस्टल रंगहीन और पारदर्शी होता है। डोप किए गए SiC क्रिस्टल अपने अलग-अलग गुणों के कारण अलग-अलग रंग दिखाते हैं, उदाहरण के लिए, डोपिंग N के बाद 6H-SiC हरा होता है; 4H-SiC भूरा है। 15R-SiC पीला है। अल के साथ मिलाए जाने पर, 4H-SiC नीला दिखाई देता है। यह रंग के अंतर को देखकर SiC क्रिस्टल प्रकार को अलग करने की एक सहज विधि है। पिछले 20 वर्षों में SiC से संबंधित क्षेत्रों पर निरंतर शोध के साथ, संबंधित प्रौद्योगिकियों में बड़ी सफलताएं हासिल हुई हैं।

आठवां,SiC विकास स्थिति का परिचय

वर्तमान में, SiC उद्योग तेजी से परिपूर्ण हो गया है, सब्सट्रेट वेफर्स, एपिटैक्सियल वेफर्स से लेकर डिवाइस उत्पादन, पैकेजिंग तक, पूरी औद्योगिक श्रृंखला परिपक्व हो गई है, और यह बाजार में SiC संबंधित उत्पादों की आपूर्ति कर सकती है।

क्री SiC क्रिस्टल विकास उद्योग में अग्रणी है और SiC सब्सट्रेट वेफर्स के आकार और गुणवत्ता दोनों में अग्रणी स्थान पर है। क्री वर्तमान में प्रति वर्ष 300,000 SiC सब्सट्रेट चिप्स का उत्पादन करती है, जो वैश्विक शिपमेंट के 80% से अधिक के लिए जिम्मेदार है।

सितंबर 2019 में, क्री ने घोषणा की कि वह न्यूयॉर्क राज्य, संयुक्त राज्य अमेरिका में एक नई सुविधा का निर्माण करेगी, जो 200 मिमी व्यास की शक्ति और आरएफ SiC सब्सट्रेट वेफर्स विकसित करने के लिए सबसे उन्नत तकनीक का उपयोग करेगी, यह दर्शाता है कि इसकी 200 मिमी SiC सब्सट्रेट सामग्री तैयारी तकनीक है अधिक परिपक्व बनें.

वर्तमान में, बाजार में SiC सब्सट्रेट चिप्स के मुख्यधारा उत्पाद मुख्य रूप से 4H-SiC और 6H-SiC प्रवाहकीय और 2-6 इंच के अर्ध-इन्सुलेटेड प्रकार हैं।
अक्टूबर 2015 में, क्री एन-टाइप और एलईडी के लिए 200 मिमी SiC सब्सट्रेट वेफर्स लॉन्च करने वाला पहला था, जो बाजार में 8-इंच SiC सब्सट्रेट वेफर्स की शुरुआत का प्रतीक था।
2016 में, रॉम ने वेंचुरी टीम को प्रायोजित करना शुरू किया और पारंपरिक 200 किलोवाट इन्वर्टर में आईजीबीटी + सी एफआरडी समाधान को बदलने के लिए कार में आईजीबीटी + सीआईसी एसबीडी संयोजन का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे। सुधार के बाद, इन्वर्टर का वजन 2 किलोग्राम कम हो जाता है और समान शक्ति बनाए रखते हुए आकार 19% कम हो जाता है।

2017 में, SiC MOS + SiC SBD को आगे अपनाने के बाद, न केवल वजन 6 किलो कम हो गया, आकार 43% कम हो गया, और इन्वर्टर की शक्ति भी 200 किलोवाट से बढ़कर 220 किलोवाट हो गई।
टेस्ला द्वारा 2018 में अपने मॉडल 3 उत्पादों के मुख्य ड्राइव इनवर्टर में एसआईसी-आधारित उपकरणों को अपनाने के बाद, प्रदर्शन प्रभाव तेजी से बढ़ गया, जिससे एक्सईवी ऑटोमोटिव बाजार जल्द ही एसआईसी बाजार के लिए उत्साह का स्रोत बन गया। SiC के सफल अनुप्रयोग के साथ, इसके संबंधित बाजार उत्पादन मूल्य में भी तेजी से वृद्धि हुई है।

नौवां,निष्कर्ष:

SiC संबंधित उद्योग प्रौद्योगिकियों के निरंतर सुधार के साथ, इसकी उपज और विश्वसनीयता में और सुधार होगा, SiC उपकरणों की कीमत भी कम हो जाएगी, और SiC की बाजार प्रतिस्पर्धात्मकता अधिक स्पष्ट होगी। भविष्य में, ऑटोमोबाइल, संचार, पावर ग्रिड और परिवहन जैसे विभिन्न क्षेत्रों में SiC उपकरणों का अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाएगा, और उत्पाद बाजार व्यापक होगा, और बाजार का आकार और विस्तारित होगा, जो राष्ट्रीय के लिए एक महत्वपूर्ण समर्थन बन जाएगा। अर्थव्यवस्था।

पोस्ट समय: जनवरी-25-2024

सिलिकॉन कार्बाइड की संरचना और विकास तकनीक (Ⅱ)