Шмариович Василий Михайлович. Реферат. Методы выращивания монокристаллов карбида кремния (SiC)

Глава 2. Метод ЛЭТИ

2.1. Первые результаты

Особенно активная работа по производству монокристаллов карбида кремния велась в СССР в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) [1]. Этот метод обеспечивает сравнительную управляемость процессом образования кристаллов и постепенно увеличивает скорость их роста. Также, данный метод позволил нам получить гексагональные монокристаллы со средним размером до 20 мм.

Первые результаты, касающиеся выращивания объемных монокристаллов слиток, были получены сотрудниками ЛЕТИ Ю. M.Таировым и В. Ф. Цветковым на первой Европейской конференции по выращиванию кристаллов из газовой фазы в 1976 г. (Цюрих) [1].

Рис. 5. Монокристаллы SiC диаметром 75 мм, выращенные «методом ЛЭТИ»: а – слитки SiC (вид сверху и сбоку); б – подложки SiC

Воснову этого метода легли:

-классическая схема конденсации перенасыщенного пара в монокристаллических зародышах (для контроля процесса зародышеобразования);

-ограничение скорости роста на начальной стадии кристаллизации из-за реализации этой стадии в атмосфере инертного газа (для подавления спонтанного зародышеобразования и образования поликристаллов);

-закачка инертных газов из помещения в вакуум (для обеспечения постепенного увеличения скорости роста до нескольких миллиметров в час).

Вкачестве затравки использовался монокристаллический кристалл Лели, а

вкачестве источника – поликристаллический карбид кремния, предварительно синтезированный из кремния и полупроводникового углерода [1].

Рис. 6. Экспериментальный образец слитка SiC диаметром более 100 мм (вид сверху)

2.2. Получение монокристаллов карбида кремния

Этот процесс хорошо описывается в учебном пособии [2]. Поликристаллический карбид кремния (источник) и лист из монокристаллического карбида кремния (затравка) помещаются друг напротив друга в графитовый тигель. Сам тигель нагревают до температуры 2250±150° C. Температура на затравке должна быть меньше температуры источника на 150±100° C. При нагревании источник разлагается и сублимируется в соответствии с двумя параллельными реакциями

2SiCтв = Siг + SiC2г, 3SiCтв = Si2Cг + SiC2г.

Газообразный продукт диффундирует в неотапливаемую часть тигля, где он конденсируется на монокристаллической затравке в соответствии с обратной

реакцией, образуя монокристаллический слиток. Чтобы снизить скорость роста (уменьшить коэффициент массопереноса), рост осуществляется не в вакууме, а при давлении 300…3000 Па в атмосфере остаточного аргона. Типичный темп роста составляет 0,3...1,0 мм/ч. Легирование ростового слитка осуществляется из источника и газовой фазы (когда контролируемое количество азота добавляется в аргон), когда примеси сплава (Al, V) вводятся в начальную нагрузку.

Рис. 7. Модифицированный метод Лели (метод ЛЭТИ). Слева – общая схема ячейки: 1 – монокристаллическая затравка SiC; 2 – формообразователь; 3 – графитовая ячейка;

4 – порошкообразный источник SiC. Справа – распределение температуры вдоль оси ячейки

2.3. Установка для выращивания объемных монокристаллов карбида кремния (SiC)

2.3.1. Внутреннее устройство установки

На рис. 8 [2] и 9 [5] показан типичный реактор (с резистивным нагревателем) для синтеза монокристаллических слитков SiC. Внутри реактора из нержавеющей стали, помимо ростового тигля, находится изоляционный экран из графитового войлока и графитовый нагреватель, прикрепленный к медному токовводу или, в более современных версиях, к стеклянным трубкам с водяным охлаждением.

Рис. 8. Реактор для выращивания монокристаллов SiC. Общий вид (слева), разрез (справа): 1 – верхнее смотровое окно; 2 – токовводы; 3 – резистивный графитовый

нагреватель;

4 – теплоизолирующие экраны; 5 – ростовой тигель; 6 – водоохлаждаемый кожух реактора; 7 – патрубок вакуумной системы; 8 – нижнее смотровое окно

Рис. 9. Реактор для выращивания монокристаллов SiC. Схема в разрезе.

2.3.2. Характеристики и примеры

Установка на рис. 10 [6] производит слитки из монокристаллического карбида (SiC) диаметром до 150 мм путем сублимации исходного порошка

поликристаллического карбида кремния с последующей конденсацией перенасыщенного пара на поверхности затравочного кристалла.

а)

б)

Рис. 10. Установка для выращивания объемных монокристаллов карбида кремния

(SiC) «Сектор-ТЛ»

Данная установка имеет следующие некоторые характеристики, как гласит

официальный сайт [6]:

-Максимальная рабочая температура в зоне роста – 2420 °C

-Способ нагрева зоны роста – Резистивный

-Предельное остаточное давление в объеме вакуумной камеры – 2·10 ³ Па

-Максимальный расход инертного газа (Ar) – 261 л/ч

-Максимальный расход легирующего газа (N ) – 0,5 л/ч

-Скорость вертикального перемещения тигля – 0.1 - 25 мм/ч

-Скорость вращения тигля – 1-6 об/мин

-Максимальный расход охлаждающей воды – 6 м³/ч

Атакже, вот некоторые технические данные кристаллов и пластин (рис. 11), которые производит данная установка:

-Диаметр – 100 мм, 150 мм

-Толщина в центральной точке – 18-25 мм

-Удельное сопротивление – 0.0001–0.01 Ом·м

-Плотность микропор – ≤ 5 см ²

-Плотность дислокаций – ≤ 4 × 103 см ²

Рис. 11. Продукт установки «Сектор-ТЛ»

Заключение

В заключение, монокристаллы карбида кремния (SiC) представляют собой сложный элемент. Однако очень важный и много, где необходимый материал в самых разных сферах инженерии.

Сейчас существует множество методов и способов создания и выращивания карбида кремния (SiC). Каждый из них имеет свои особенности и недостатки, почти все из них сложны и энерго затратны. Проблемы, с которыми сталкиваются инженеры серьезны и нуждаются в специальном подходе. С прошлого века, умы мира создают и изобретают все новые и новые методы для решения этих задач.

Особого внимания достоин модифицированный метод Лели или метод ЛЭТИ. Ведь методом Лели создается самый чистый карбид кремния, однако именно его модифицированная версия позволяет использовать данный метод в промышленных масштабах.

Сегодня, спустя 80 лет, эти технологии продолжают активно применяться, совершенствоваться и охватывать все большие отрасли. Оригинальные идеи отечественных ученых, исследователей и конструкторов, которые уже на протяжении семи десятилетий ведут непрерывную работу в этой сфере, создают конкуренцию ведущим мировым производителям.

Список используемой литературы

1.Коллектив кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина) Физика и технология микро- и наносистем: Сб. научн. трудов / под общ. ред. В. В. Лучинина; СПб.: Русская коллекция, 2011. 240 с Коллектив авторов Физика и технология микро- и наносистем. С. 57-59.

2.Авров, Д. Д. Технология материалов микроэлектроники: от минерального сырья к монокристаллу / Д. Д. Авров, О. А. Александрова, А. О. Лебедев, Е. В. Мараева, Ю. М. Таиров, А. Ю. Фадеев Технология материалов микроэлектроники: от минерального сырья к монокристаллу: учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ

"ЛЭТИ", 2017. – 146 с.

Д. Д. Авров, О. А. Александрова, А. О. Лебедев, Е. В. Мараева, Ю. М. Таиров, А. Ю. Фадеев Технология материалов микроэлектроники. С. 22-28.

3.Никитин, Д. С. Плазмодинамический синтез и получение ультрадисперсного карбида кремния / Д. С. Никитин Плазмодинамический синтез и получение ультрадисперсного карбида кремния: выпускная квалификационная работа. Томск. :

изд. НИ ТПУ, 2012. – 101 с.

Д. С. Никитин Плазмодинамический синтез и получение ультрадисперсного карбида кремния. С. 16-37.

4.Ремпель, А.А. Нанотехнологии, свойства и применение наноструктурированных материалов // Успехи химии. – 2007. – Вып. 76 (5). – C. 474-500.

5.Краштов Евгений, Экштейн Роберт, Машали Али, “Эволюция в создании карбида кремния — революционного полупроводника”, научная статья.

Электронный журнал “Силовая электроника”: официальный сайт. – URL: https://power-e.ru/sic/evolyucziya/ (дата обращения 24.05.2024)

6.ООО “КОНТРОЛ СИСТЕМС”: официальный сайт. – URL: https://sector-systems.ru/# (дата обращения 25.05.2024)

7.“PAM-XIAMEN's Company Profile and Products”: официальный сайт.

– URL:

https://www.powerwaywafer.com/ru/silicon-carbide-crystal-growth.html (дата обращения 24.05.2024)

8.Российская Академия Наук: официальный сайт. – URL: https://new.ras.ru/activities/news/vpervye-v-rf-sozdana-tekhnologiya-pro izvodstva-glavnogo-materiala-dlya-mikroelektroniki-budushchego/ (дата обращения 26.05.2024)