npokrit@yandex.ru

Настоящая статья является продолжением темы – что нас ждет после кремния в микроэлектронике и сможет ли что-то заменить кремний? Первая часть была посвящена графену. Сегодня мы рассмотрим возможности карбида кремния. Наша компания, которая занимается как кремнием, так и углеродными изделиями, всегда c интересом следит за этой темой.

Из полупроводников изготавливаются диоды и транзисторы, создаются интегральные микросхемы и собираются силовые модули. Ни одно предприятие и ни одно домашнее хозяйство не обходится без применения электроники. Среди новых направлений разработок в области силовой электроники следует отметить электротранспорт), электрозарядные станции, ветро- и солнечную энергетику, где возможности кремния становятся уже близки к физическому пределу материала, и применение новых широкозонных полупроводников является весьма перспективным.

Сферы применения различных материалов микроэлектроники проиллюстрированы на рисунке 1. Традиционные приборы на основе кремния работают при умеренных частотах и мощностях. Напряжение пробоя для них обычно не превышает 650 В. Карбид кремния применяют в мощных электронных преобразователях, в частности при напряжениях 1700 В и выше. Много говорят и о нитриде галлия, но о нем мы поговорим позже.

Рис. Области применения кремния и новых полупроводников

Рис. Доступные мощности и рабочие частоты различных полупроводников

Ширина запрещенной зоны определяет, как известно, способность полупроводника работать при высоких напряжениях, токах, частотах и температурах. Среди особенностей карбида кремния — значительная величина электрического поля пробоя и высокая теплопроводность. В конечном счете эти свойства позволяют сделать электронные приборы более компактными и легкими, снизить потери, обеспечить работу при более высоких токах, напряжениях, мощностях, частотах, температурах и в неблагоприятных внешних условиях, а также упростить систему охлаждения.

Еще в первой половине 50-х годов начались поиски полупроводниковых материалов, способных работать при более высоких температурах окружающей среды, чем Ge или Si. Поэтому взоры многих исследователей обратились к карбиду кремния. После преодоления ряда технологических трудностей, о которых мы расскажем ниже, проблему удалось решить. Таким образом, уже сейчас силовая электроника нового поколения применяется, например, в легковых электромобилях. Например, применение карбида кремния (SiC) в электромобилях Tesla Model 3 позволило увеличить длину пробега от батареи на 10%.

Далее возможно применение в таких областях, как грузовой электротранспорт, оборудование для возобновляемой энергетики, линии электропередач, приводы электромоторов с переменной частотой вращения, информационно-коммуникационная техника, центры обработки данных, железнодорожный транспорт. В чуть более отдаленной перспективе появятся полностью электрические самолеты и морские суда. Согласно прогнозу Power SiC 2022 Report компании Yole Developpement, мировой рынок силовой электроники в период до 2027 года будет расти с темпом 34% ежегодно (рис.).

Рис. Объем мирового рынка силовой электроники на карбиде кремния и прогноз

Карбид кремния (SiC) — это химическое соединение кремния и углерода с формулой SiC, которое обладает исключительными механическими, термическими и электрическими характеристиками. Он в 3 раза твёрже алюминия, и в 2 раза твёрже, чем сталь. Однако главное его преимущество — это высокая термостойкость. Карбид кремния способен работать при температурах до 600°C, а в некоторых случаях и выше, что значительно превышает пределы обычных кремниевых полупроводников, которые начинают деградировать при температуре около 150-200°C.

Рис. Кристаллическая решетка карбида кремния

Этап 1: все надо делать исключительно чисто

Для получения абразивного карбида кремния с конца XIX века используется процесс Ачесона. При этом в большие печи засыпают смесь кварцевого песка, нефтяного кокса, древесных опилок, соли и нагревают с помощью графитового нагревателя до температуры примерно 2500 °C. По окончании процесса длительностью несколько суток кладку разбирают. Ближе к графитовому нагревателю получают более чистый (зеленый) карбид кремния. Примерно таким образом работает единственное в России предприятие по производству карбида кремния — Волжский абразивный завод.

Однако чистота такого продукта далека от электронного качества. Даже если использовать чистые кварц и порошок углерода, предел метода Ачесона по чистоте — 5N. Производства карбида кремния требуемой чистоты в России нет, и его нужно создавать. В лабораторных масштабах это относительно просто, но в промышленных, когда речь идет о тоннах продукции, — это непростая задача. Контроль порошка осуществляют по чистоте, содержанию примесей отдельных элементов, гранулярному составу и форме частиц порошка, а также фазовому составу.

Градация порошков карбида кремния по качеству:
— абразивы
— огнеупоры
— металлургического качества
— техническая керамика
— электронного качества - начинается с производства ультрачистого порошка карбида кремния. Его чистота должна быть на уровне ~ 6N (то есть шесть девяток — 99,9999%). Соответственно, содержание примесей не должно превышать 1 ppm, или одну миллионную часть по весу. Гранулярный состав порошка должен быть субмиллиметрового диапазона.

Следующий этап — выращивание монокристаллов карбида кремния. Это возможно несколькими способами, но основным промышленным методом, ставшим мировым стандартом де-факто, является физический транспорт паров PVT (Physical Vapor Transport). Проблема в том, что при относительно невысоких температурах и давлениях карбид кремния не плавится. Поэтому методы роста кристалла из расплава типа метода Степанова или Чохральского здесь неприменимы. Поэтому к началу 70-х годов промышленный интерес к карбиду кремния угас. Очевидно, это было вызвано несопоставимостью успеха в развитии технологии Si и GaAs по сравнению с SiC. Значительные технологические трудности при выращивании карбида кремния и формировании приборов на его основе приводили к тому, что параметры получаемых приборов были далеки от теоретических ожиданий. Последующие 15 лет изучение свойств SiC продолжались несколькими исследовательскими группами, большинство из которых находились на территории СССР. Выход был найден в 1978 году советскими учеными Ю. М. Таировым и В. Ф. Цветковым из Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ), которые, собственно, и разработали метод роста PVT на пластине-затравке. Предложенный метод был основан на конденсации пара на монокристаллическую подложку. Рост проводился при температурах около 2000◦C. Диаметр выращиваемого слитка определялся размерами подложки (в настоящее время около 50 мм), а его длина — временем технологического процесса. В этом процессе происходит сублимация порошка карбида кремния в виде паров Si₂C, SiC₂ и их конденсация-кристаллизация на затравке при температуре 2200−2400 °С в среде чистого аргона. Порошок засыпается в графитовый тигель, окруженный графитовой изоляцией. Вакуумная камера выполняется в виде кварцевой или металлической трубы. Нагрев производят с помощью индуктора или графитового нагревателя. В промышленных масштабах метод впервые в мире был внедрен на Подольском химико-металлургическом заводу усилиям замечательного технолога М. П. Черткова. На эксперимент с новым материалом директор ПХМЗ Анатолий Дроздов пошел в те годы на свой страх и риск, интуитивно чувствуя, что у карбида кремния большое будущее. ≪Мы заразили его нашей идеей, и он сумел изыскать средства и поставил на одном из производственных участков опытную линию≫, — рассказывал Юрий Таиров. СССР мог начать промышленное производство карбида кремния в середине 1980-х, значительно раньше западных конкурентов. Но вместо прорыва произошел коллапс.

Исходный материал, как отмечалось, имеет форму чистого порошка. Этот высокотемпературный и строго контролируемый процесс объединяет базовые материалы — очень чистый кремний и углерод. Затравочный кристалл представляет собой монокристаллическую круглую SiC-пластину, он инициирует (и в значительной степени контролирует) рост крупного монокристалла. Структурное совершенство затравочного материала во многом определяет плотность дефектов в окончательной структуре.

Рис. Юрий Михайлович Таиров и Михаил Петрович Чертков

Этап 2: вырастить правильный кристалл

Оборудование для выращивания кристаллов, технология выращивания, исходный материал и затравочные кристаллы играют важную роль в процессах, используемых для производства и других полупроводников (включая кремний). Однако SiC в этом плане заметно отличается. Диаметр затравочного элемента должен, как минимум, равняться диаметру выращиваемого кристалла. Невозможно вырастить большой кристалл высокого качества на «затравочной» пластине относительно небольшого диаметра, как это делается в случае с Si по методу Чохральского (рис).

Рис. Значение «затравочных» кристаллов для выращивания Si- и SiC-структур - сравнение

Любые дефекты исходной структуры достанутся «в наследство» растущему кристаллу из-за «генетических» особенностей, описанных выше, поэтому при производстве SiC обязательно использование бездефектных затравочных кристаллов большого диаметра. Таким образом, их наличие является одним из факторов, обеспечивающих стабильную работу предприятия.

Для производства SiC обычно используется метод сублимационного выращивания. Установка состоит из графитового тигля, окруженного углеродным изоляционным материалом. Это помогает экономить энергию и использовать оборудование для индукционного нагрева (рис.). Процесс выращивания кристаллов протекает следующим образом.

Индукционная катушка, входящая в состав установки, создает вихревые токи в графитовом тигле, нагревая его свыше 2273 К. При таких высоких температурах исходный материал в нижней области тигля испаряется, происходит возгонка порошкового SiC, который превращается в различные газы, состоящие из кремния и/или углерода и заполняющие свободное пространство тигля. Затравочный кристалл, прикрепленный к верхней части тигля, не испаряется, потому что температура там несколько меньше, чем внизу, но она все равно выше 2273 К.

В соответствии с законами термодинамики, газообразные примеси, образованные из исходного материала при температуре гораздо выше 2273 К, склонны к осаждению из паровой фазы, если они перемещаются ближе к более холодной «затравке». Кристаллизуясь на ее поверхности, они образуют дополнительный объем кристалла и позволяют ему расти. В процессе роста кристалла в паровой фазе производится добавление примесного материала (обычно это газообразный азот). Внедряясь в кристалл в малых, четко заданных количествах, легирующая примесь выступает в качестве электрического донора, обеспечивая необходимую проводимость кристалла.

Таким образом, процесс требует постоянной передачи материала от источника к растущему кристаллу. Выращивание, сопровождающееся непрерывным переходом газов и легирующей примеси через паровую фазу, длится пару дней. Когда порошок почти полностью испарится и кристалл вырастет в длину на несколько сантиметров, цикл прекращается в управляемом режиме.

Карбид кремния имеет свыше 200 политипов или кристаллических форм: с кубической, гексагональной, ромбической кристаллическими решетками. Для электроники наиболее подходящим политипом является 4H-SiC. Выращивание требуемого политипа достигается подбором поля температур и давления аргона применительно к конкретному порошку. После завершения роста требуется проведение контроля (характеризации) для определения уровня дефектов в кристаллической решетке.

Выращенная буля определенным образом ориентируется относительно кристаллографических осей и обрабатывается с получением цилиндрического слитка. С учетом исключительной твердости карбида кремния шлифовка осуществляется суспензией на основе алмазных порошков. При разделке слитка на подложки толщиной около 0,4 мм важно обеспечить минимальные потери материала. Поэтому разделка (slicing) ведется на многопроволочных станках. Применяется алмазированная проволока диаметром около 0,2 мм. Весь слиток разделывается на подложки за один раз, но процесс резки может занимать от 10 часов до нескольких суток. В России пока нет своих станков для многопроволочной резки. Однако Минпромторг РФ разработал техническое задание на такой станок, и есть надежда на появление соответствующей техники.

После разделки подложки шлифуются и полируются методами CMP (Chemical Mechanical Polishing — химико-механическая полировка) для получения пластин с заданными геометрическими размерами и шероховатостью. Помимо контроля геометрии осуществляется контроль количества дислокаций, микропор, макродефектов и политипной однородности. Методы контроля, например рентгеноструктурный анализ, весьма непросты и представляют собой сложную методическую и метрологическую задачу.

Этап 3: обработать без потерь

Этап 4: с микронной точностью

Последней из рассматриваемых операций является эпитаксия, под которой подразумевается выращивание тонкой кристаллической пленки поверх пластины из кристалла карбида кремния. Толщина пленки — от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. В данном случае возможна гомоэпитаксия с нанесением карбида кремния или гетероэпитаксия с нанесением нитрида алюминия-галлия. Эпитаксия дает возможность нанести слой (слои) с требуемым типом проводимости или концентрацией носителей заряда, а также снизить число дефектов по сравнению с пластиной.

Основным методом для гомоэпитаксии в данном случае является высокотемпературное химическое осаждение из газовой фазы HTCVD (High Temperature Chemical Vapor Deposition), а для гетероэпитаксии — МОС-гидридная эпитаксия MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). В этих процессах применяются чистые газовые прекурсоры, например трихлорсилан SiHCl₃ и пропан C₃H₈, легирующие газы и газы-носители — водород, аргон. Пластины размещаются на графитовом подложкодержателе с CVD-покрытием из карбида тантала или карбида кремния. Отечественных эпитаксиальных установок пока нет, но в нескольких организациях в Зеленограде накоплен определенный опыт эксплуатации западной техники. Имеются предпосылки к тому, что отечественные эпитаксиальные установки все-таки появятся.

Спецификация пластин карбида кремния

Рис. Процесс выращивания SiC-кристалла

Рис. Производственный цикл

Рис. Динамика роста диаметра подложек карбида кремния

Согласно отчету американского министерства энергетики Critical Materials Assessment за 2023 год, доля кремния и карбида кремния в электронике в 2022 году составила 96% и 3% соответственно. Прогнозируемые цифры на 2028 год (80% и 17%) означают шестикратный рост доли карбида кремния.

В настоящее время не существует Подольского химико-металлургического завода. Но на предприятиях госкорпорации «Росатом» за долгие годы заложен достаточно прочный фундамент по многим технологиям, необходимым для развития силовой электроники на основе карбида кремния в России. В частности, участие научного блока Росатома в таком проекте дало бы, помимо прямого эффекта в виде создания продуктовой линейки диодов, транзисторов, силовых модулей и других электронных изделий, качественный технологический скачок для отечественных продуктов более высокого передела. К примеру, это относится к чистым и высокотемпературным материалам, технологиям роста кристаллов и эпитаксии, метрологии и измерениям, к получению и очистке электронных газов, созданию изостатического графита, формированию CVD-покрытий и расчетным методам термодинамики (кинетики) реакции для сублимационного роста кристаллов, а также к компьютерному моделированию полупроводниковых гетероструктур класса TCAD (Technology Computer-Aided Design). А предприятие НПО КРИТ готово взяться за проблему чистых графитовых тиглей для процесса.

Что же мешает массовому внедрению широкозонных полупроводников? Прежде всего, это сложности технологии производства и, соответственно, высокая цена материалов. Пока мировой лидер в использовании карбида кремния для силовой электроники — США. Китай энергично пытается догнать лидера. Другие страны — Япония, Германия, Южная Корея — не обладают всем спектром технологий в этой области. Рынок бурно развивается (Рис.) Можно сказать, что наличие разработок в области широкозонных полупроводников является одним из показателей уровня научно-технологического развития страны. Россия должна безусловно приложить максимум усилий для развития этого направления.

ООО «Научно-производственное объединение «Кремний интегральные технологии»
© Все права защищены

О нас

Главный офис:

142101, Московская область, г. Подольск, ул. Плещеевская, д. 15А, пом. 3

npokrit@yandex.ru