1. Réamhrá le Silicon Carbide
Tá ábhair leathsheoltóra mar phointe fócasach d’iomaíocht dhomhanda ardteicneolaíochta agus iomaíochta mórchumhachta. Ina measc, cuireadh ábhair leathsheoltóra leathanbhanda, arna léiriú ag cairbíd sileacain (SiC), i bhfeidhm i-fheidhmchláir mhórscála i bpríomhréimsí amhail cumarsáid shoghluaiste den chéad ghlúin eile, eangacha cliste, iompar iarnróid ardluais, feithiclí nua fuinnimh, agus leictreonaic tomhaltóra. Tá bandáil leathan ag chomhdhúile sileacain, réimse leictreach ard-bhriseadh, seoltacht ard teirmeach, treoluas sáithithe leictreon ard, agus friotaíocht láidir radaíochta. Féadfaidh sé sárú a dhéanamh ar theorainneacha feidhmíochta gléasanna leathsheoltóra atá bunaithe ar sileacain agus breathnaítear air mar “LAP” na bhfeistí minicíochta leictreonaice cumhachta agus raidió micreathonn, chomh maith le “croí-sliseanna” an gheilleagair ghlais [1].
Struchtúr Criostail Carbide Sileacain
Is comhdhúil IV-IV é cairbíd sileacain a bhfuil airíonna fisiceacha agus ceimiceacha uathúla. Cruthaíonn adaimh Si agus C naisc chomhfhiúsacha trí phéirí leictreon a roinnt i bhfithiseáin hibrideacha sp³, rud a fhágann go mbíonn struchtúr nasctha teitrihéidreach ann chun criostail SiC a fhoirmiú. Tá níos mó ná 200 polaitíopa ag cairbíd sileacain, a dhéantar trí dhéshraitheanna Si{-C a chruachadh i seichimh éagsúla. Áirítear leis na polytypes aitheanta 2H-SiC, 3C-SiC,4H-Sic,6H-SiC,15R{15}SiC, srl. Tá an sonrúchán polytype bunaithe ar líon na Si{-SiC, 4H-SiC,6H{13}}SiC,15R{15}SiC, etc. rombohedral). Tá airíonna leictreonacha, optúla agus meicniúla éagsúla ag polytypes SiC éagsúla, rud a thairgeann buntáistí ar leith in iarratais éagsúla [2-4].
3C-SiC: 3C-Is é SiC an polytype is simplí, le struchtúr pacáilte gar ciúbach. Tá adaimh Si agus C eagraithe i bpatrún tríthoiseach ar leith, rud a chruthaíonn criostail an-siméadrach. Mar gheall ar a siméadracht, tá airíonna leictreonacha agus optúla sách lag ag 3C-SiC, agus mar sin tá feidhm phraiticiúil teoranta aige.
4H-SiC agus 6H-Sic: Murab ionann agus 3C-SiC, 4H-SiC agus 6H-tá struchtúir heicseagánacha gar{-phacáistithe{-do SiC. Tá an dá pholaitíopa níos fearr ná 3C-SiC maidir le soghluaisteacht leictreon, seoltacht theirmeach, agus bandáile. 4H-Tá soghluaisteacht leictreon níos airde ag SiC, rud a fhágann go bhfuil sé níos fearr d’fheistí leictreonacha cumhachta ard-minicíochta agus ard{-agus a úsáidtear go forleathan i bhfeithiclí nua fuinnimh, cumarsáid 5G, srl{{1,}Tá banda fuinnimh níos mó ag H. Feidhmíonn sé níos fearr i dtimpeallachtaí ardteochta agus ard-radaíochta [4].
Forbhreathnú ar Fhorbairt Intíre agus Idirnáisiúnta Carbide Sileacain
Sna 1990idí, bhí cuideachtaí thar lear ar nós Cree agus Westinghouse chun tosaigh cheana féin maidir le foshraitheanna SiC 2-4 orlach a fhorbairt agus a tháirgeadh. Ag dul isteach san 21ú haois, le atriall leanúnach teicneolaíochta, tháinig sliseog SiC 6 orlach de réir a chéile chun cinn mar phríomhshrutha an mhargaidh. Arna thiomáint ag fás pléascach na feithicle leictreacha agus na dtionscal nua fuinnimh, tá éileamh domhanda ar ábhair SiC ag méadú i gcónaí. Mhéadaigh fiontair intíre agus eachtrannacha agus institiúidí taighde infheistíocht T&F i-ardchaighdeán, sliseog SIC. Faoi láthair, tá olltáirgeadh foshraitheanna SiC 8 n-orlach bainte amach ag monaróirí idirnáisiúnta ar nós Wolfspeed, II-VI, agus Rohm. Faoi spreagadh "14ú Plean Cúig Bliana" na Síne, tá táirgeadh foshraithe SiC intíre 8-orlach tar éis dul isteach sa chéim tionsclaíochta freisin, agus d'fhógair cuideachtaí ar nós TankeBlue, SICC, agus Jingsheng Mechanical & Electrical soláthar baisc de fhoshraitheanna SiC 8-orlach [5] i ndiaidh a chéile.
Faoi láthair, tá SiC 6-orlach fós mar phríomhshrutha tráchtála domhanda, agus tá táirgí 8 n-orlach ag luasghéarú i dtreo na tionsclaíochta. Léiríonn na cinn comhchruinnithe sa réimse SiC 12-orlach casadh ríthábhachtach don tionscal leathsheoltóra tríú glúin. Tá dul chun cinn mór déanta ag cuideachtaí intíre lena n-áirítear SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, chomh maith le Wolfspeed SAM-bhunaithe, i bhforbairt criostail aonair 12-orlach SiC agus substráit.
2. Modhanna chun Criostail Aonair Silicon Carbide a Ullmhú
Faoi láthair, is iad na trí phríomh-mhodh atá in ann criostail aonair SiC ardcháilíochta a tháirgeadh ná an modh Iompar Gaile Fisiciúil (PVT), an modh Ard-Teocht Ceimiceach um Dhíshuiteáil Gaile (HTCVD), agus an modh Barr-Fás Réitigh Síolta (TSSG).
Modh Iompar Glais Fhisiciúil (PVT).
I 1955, bhain Lely úsáid as an modh sublimation den chéad uair chun criostail aonair SiC a fhás. Mar sin féin, bhí go leor míbhuntáistí bunúsacha ag an modh seo: teocht an fháis thar a bheith ard, deacracht le rialú núiclithe go beacht, éifeachtacht íseal fáis, scaipeadh leathan paraiméadair leictreach sna criostail mar thoradh air, agus méideanna criostail beag go ginearálta. Mar thoradh air sin, bhí cáilíocht na criostail SiC a tháirgtear trí mhodh Lely bocht, agus d'fhan na costais ard. Níor sáraíodh an dúshlán teicniúil seo go dtí 1978, nuair a thug Tairov agus a chomhghleacaithe criostail síl isteach sa phróiseas fáis bunaithe ar an modh traidisiúnta Lely, rud a chuir ar chumas rialú éifeachtach ar núicléasú agus an teocht fáis a laghdú. Tugadh an modh modhnaithe Lely ar an modh seo, ie an modh Iompar Gal Fhisiciúil [6-9].
Tá teicneolaíocht aibí agus inrialaitheacht láidir sa mhodh PVT, agus is é an príomh-mhodh é faoi láthair chun SiC ardchaighdeáin, mórmhéide a tháirgeadh. Ar an modh seo, cuirtear púdar SiC ag bun breogán graifíte, agus cuirtear criostail síl SiC ag an mbarr. Déantar an breogán graifíte a théamh go teocht sublimation SiC, rud a fhágann go dianscaoileann an púdar isteach i speicis ghásacha mar Si gal, Si₂C, agus SiC₂. Tiomáinte ag grádán teochta aiseach, tá na speicis seo sublime go barr an bhreogán agus comhdhlúite ar an dromchla síl SiC, ag criostalú ina chriostail aonair SiC [6]. Is féidir leis an modh seo SIC mórmhéid, ard-íonachta a tháirgeadh agus tá sé oiriúnach do tháirgeadh tionsclaíoch ar scála mór, ach áirítear leis na míbhuntáistí a bhaineann leis na rátaí fáis mall agus an gá atá le trealamh substaintiúil, rud a chruthaíonn costais arda táirgthe.
Maidir leis an bpróiseas fáis PVT, bíonn tionchar ag go leor fachtóirí ar fhás criostail SiC, lena n-áirítear teocht, grádán teochta, brú breogán, fad idir an síol agus an púdar polycrystalline, agus íonacht an phúdair.
1.1 Sintéis Púdar SiC
Bíonn tionchar díreach ag púdar SiC, mar an t-amhábhar chun criostail aonair a shintéisiú agus a fhás, ar cháilíocht agus ar airíonna leictreamaiceimiceacha na gcriostail fhásta. Tá laghdú ar leithscaradh comhdhéanta le linn fáis, laghdú ar ábhar neamhíonachta, agus feabhas a chur ar fheidhmíocht iompair mar spriocanna tábhachtacha maidir le hullmhú púdar agus réamhchóireáil [8].
Caithfidh an púdar SiC a úsáidtear chun criostail aonair a fhás freastal ar riachtanais íonachta an-ard, agus go hidéalach go bhfuil ábhar eisíontais faoi bhun 0.001%. Tá go leor modhanna ann chun púdar SiC a ullmhú, ar féidir iad a rangú de réir staid tosaigh na n-amhábhar i modhanna soladacha de chéim, leacht, agus gáis. Áirítear go príomha ar mhodhanna soladacha céime laghdú carbothermal, brúchtadh meicniúil, agus féin-iomadú-sintéis ardteochta; áirítear-modhanna pas-solad-glóthach agus polaiméir; Áirítear le modhanna céime gáis taisceadh gaile ceimiceach agus modhanna plasma. Ina measc seo, is féidir le modhanna gáis púdar SiC ardíonachta a fháil trí leibhéil eisíontais sna foinsí gáis a rialú; i measc modhanna leachta, ní féidir ach leis an modh glóthach sol púdar a tháirgeadh a chomhlíonann na ceanglais íonachta d'fhás criostail aonair; i measc modhanna soladacha na gcéimeanna, is é an modh sintéise féin-iomadaithe ardteochta féin feabhsaithe an próiseas is mó a úsáidtear agus is aibí faoi láthair maidir le hullmhú púdair SiC [2,8].
1.2 breogán
Bíonn tionchar díreach ag struchtúr inmheánach an bhreogán ar mhéid agus ar cháilíocht na gcriostal aonair SiC a fhástar; Is fachtóir tábhachtach é an limistéar fáis teoranta taobh istigh den bhreogán a chuireann srian le méadú trastomhais [7]. Ina theannta sin, féadfaidh breogáin neamhíonachtaí miotail a thabhairt isteach mar gheall ar íonacht ábhartha agus fachtóirí meaisínithe. Nuair a bhíonn neamhíonachtaí den sórt sin i láthair, is cúis le téamh míchothrom an bhreogán, rud a dhéanann difear do dháileadh réimse teochta taobh istigh den fhoirnéis agus mar sin cáilíocht criostail. Chun é seo a sheachaint, ní mór cóireáil íonúcháin a dhéanamh ar an breogán [2].
1.3 Criostail Síl
Maidir le criostail SiC, léiríonn treoracha fáis éagsúla rátaí fáis éagsúla. Bíonn tionchar ag rogha agus socrú an dromchla fáis ní hamháin ar chaighdeán criostail ach freisin ar mhéid criostail. Bíonn tionchar díreach ag moirfeolaíocht agus struchtúr an dromchla síl ar líon na micriphíopaí agus na lochtanna sa chriostail. Chun criostail shingil mhóra a fháil, tá síolchriostail mhór ina réamhriachtanas. Go ginearálta baintear úsáid as greamachán síolta ag baint úsáide as greamacháin. De ghnáth, déantar roisín feanólach modhnaithe a thuaslagadh in aicéatóicéatáit eitile chun greamachán a dhéanamh, a chuirtear i bhfeidhm go cothrom ar chúl an tsíl SiC agus ar dhromchla íochtair an chlúdaigh breogáin. Cuirtear brú ar dhromchla an tsíl chun boilgeoga agus breis ghreamaitheach a dhíbirt. Ansin cuirtear an clúdach in oigheann lena théamh agus coinnítear é ar feadh 2 uair an chloig, agus ina dhiaidh sin déantar an ghreamachán a charbónú in atmaisféar argóin. Ní mór a bheith cúramach brú aonfhoirmeach a chinntiú le linn an nascáil chun scoilteadh an tsíl a sheachaint mar gheall ar strus míchothrom [2].
1.4 Paraiméadair Fáis
Bíonn tionchar díreach ag socruithe teochta, brú, grádán teochta, soláthar gáis, agus paraiméadair eile le linn fás criostail aonair SiC ar aonfhoirmeacht, criostalacht, agus airíonna fabhtacha na gcriostal taiscthe. Bhí taighde agus dearadh paraiméadair fáis criostail mar phríomhfhócas i gcónaí. Baineann próisis fáis criostail den chuid is mó le rialú teochta agus brú. Áirítear le fás criostail SiC aistriú teasa, aistriú mais, agus imoibrithe ceimiceacha. Cinneann an dáileadh réimse teochta taobh istigh den fhoirnéis den chuid is mó cáilíocht agus ráta fáis na criostail aonair SiC. Tá tuiscint chruinn ar an réimse teochta agus ar phróisis iompair ghal ríthábhachtach chun criostail mhóra agus ardchaighdeáin a fháil [7].
Barr-Modh Fáis Réitigh Síolta (TSSG).
Fásann an modh TSSG, ar a dtugtar an modh céime leachta freisin, criostail shingil SiC ag ráta níos moille, ach tá foirfeacht struchtúrach ard ag na criostail a tháirgtear. Tá gaireas TSSG comhdhéanta de chorna ionduchtaithe, insliú graifíte, breogán graifíte, leá Si, criostal síl SiC, agus slat tarraingthe. Úsáidtear an breogán graifíte toisc go bhfuil sé teas-resistant agus resistant creimeadh, ag feidhmiú mar choimeádán don leá Si, agus soláthraíonn sé an fhoinse carbóin freisin le haghaidh fás criostail. Cuirtear amhábhar sileacain agus dopants sa bhreogán graifíte. Ós rud é go bhfuil an teocht ag an mballa breogán ard agus go bhfuil an teocht íseal ag an tslat síl, tuaslagann carbón as an breogán graifíte agus comhcheanglaíonn sé le sileacain leáite ag an síol, ag cruthú criostail SiC. I gcomparáid leis an modh PVT, tá buntáistí ag baint leis an modh céime leachta ar nós dlús díláithrithe níos ísle, leathnú trastomhais níos éasca, agus an cumas cineál criostail p{9}}a fháil. Mar sin féin, tá saincheisteanna fós ann maidir le rialú ábhair eisíontais agus roghnú na n-eilimintí trasdula.
Toisc gurb é croílár mhodh TSSG ná díscaoileadh agus athchriostalú carbóin sa leá sileacain, tá feabhas a chur ar intuaslagthacht carbóin i dtuaslagán Si ríthábhachtach d'fhás criostail aonair rathúil SiC. Mar sin féin, tá tuaslagthacht an charbóin i sileacain thar a bheith íseal, ach thart ar 13% fiú ag an teocht peritectic de 3037 K. Ina theannta sin, gal sileacain díreach os cionn 2273 K, mar sin ní mór trasdul eile nó eilimintí tearc-domhain a chur leis an réiteach Si chun tuaslagthacht carbóin a mhéadú. Mar sin, is é roghnú tuaslagóir cuí an chéim is tábhachtaí d'fhás criostail SiC rathúil ag modh TSSG. Príomhfhócas taighde eile is ea na próisis chinéiteach a rialú le linn fáis. Ina theannta sin, is saincheisteanna tábhachtacha iad cuimsiú tuaslagóirí agus rialú polytype maidir le fás réitigh [5,10].
Ard-Modh Taistil Cheimiceach Gaile (HTCVD).
Is éard atá san imoibreoir HTCVD ná breogán graifíte le criostal síl curtha ag an mbarr, insliú seachtrach, agus téamh ionduchtaithe. Is iad na hamhábhair ná sileacan gásach- agus carbóin{-ina bhfuil comhdhúile mar SiH₄, SiCl₄, C₃H₈, agus C₂H₂. Trí theocht agus brú laistigh den imoibreoir a rialú, fásann SiC ar an síol ag teochtaí 2200 céim – 2500 céim . I gcomparáid leis an modh PVT, tá buntáistí ag baint le modh HTCVD mar ard-íonacht, rialú áisiúil ar an gcóimheas C/Si, agus soláthar leanúnach bunábhar. Is iad na míbhuntáistí a bhaineann leis ná go dtagann foinsí sileacain agus carbóin araon ó gháis, agus mar thoradh ar an teocht ardfhás tá tomhaltas ardchumhachta agus costais táirgthe [2-3].
3. Treochtaí Forbartha Criostail Aonair Silicon Carbide
Ag féachaint romhainn, leanfar ag uasghrádú teicneolaíochta ullmhúcháin criostail aonair ardchaighdeáin SiC i gceithre mhórthreo: méid mór, ardcháilíochta, ísealchostas, agus cliste [11]:
Méid -mór: Tá trastomhas criostail aonair SiC méadaithe ón scála luath-mhilliméadar go dtí an scála reatha 6-orlach, 8-orlach, agus fiú 12-orlach agus níos faide anonn. Is féidir le hullmhú criostail ar mhéid mór feabhas mór a chur ar éifeachtúlacht táirgthe, costais déantúsaíochta aonaid a laghdú, agus freastal níos fearr ar riachtanais gléasanna leictreonacha cumhachta ard-chumhachta.
Ard-chaighdeán-: Is iad foshraitheanna ardchaighdeáin SiC an bhunsraith le haghaidh gléasanna iontaofa ardfheidhmíochta. Cé go bhfuil feabhas mór tagtha ar cháilíocht chriostail aonair SiC, tá lochtanna criostail ar nós micrea-phíopaí, díláithriúcháin agus neamhíonachtaí fós go forleathan, rud a chuireann isteach go díreach ar fheidhmíocht gléas agus ar iontaofacht fadtéarmach. Díreoidh iarrachtaí amach anseo ar dhul chun cinn leanúnach i rialú lochtanna.
Costas íseal-: Faoi láthair, cuireann costas réasúnta ard ullmhúcháin criostail aonair SiC teorainn lena fheidhmiú ar scála mór i gcásanna eile. Is féidir laghduithe costais sa todhchaí a bhaint amach trí phróisis fáis criostail a bharrfheabhsú, feabhas a chur ar éifeachtúlacht toraidh agus táirgthe, agus costais amhábhar agus inchaite a laghdú ar fud an tslabhra tionscail.
Chliste: Cumhachtaithe ag hintleachta saorga, sonraí móra, agus teicneolaíochtaí eile, beidh próiseas fáis criostail SiC níos cliste de réir a chéile. Trí úsáid a bhaint as braiteoirí i-líne agus córais rialaithe uathoibrithe, is féidir faireachán fíor-ama agus rialú beacht a bhaint amach ar an bpróiseas fáis ar fad, rud a fheabhsóidh cobhsaíocht agus comhsheasmhacht an phróisis. In éineacht le hanailís sonraí móra, is féidir paraiméadair fáis a optamú go atriallach chun cáilíocht chriostail agus éifeachtúlacht táirgthe a fheabhsú tuilleadh.