Когда слышишь словосочетание 'атомарные решетки карбида кремния', первое, что приходит в голову — это идеальные кристаллы в вакуумных камерах. Но на практике, в цеху АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния все выглядит иначе: здесь с 2004 года учатся балансировать между теоретической чистотой и экономической целесообразностью. Многие ошибочно полагают, что главное — достичь максимальной чистоты SiC, но на деле даже 99,99% чистоты не гарантируют стабильности решетки при термообработке — и это лишь один из десятков подводных камней.
Начинали с производства стандартного карбида кремния для абразивов — тогда, в середине 2000-х, о атомарных решетках речь шла разве что в исследовательских отчетах. Переломный момент наступил в 2012-м, когда появились первые заказы на монохроматические подложки для ВУФ-фотолитографии. Тогда и осознали: классической очистки шихты недостаточно, нужен контроль на уровне межатомных расстояний.
Помню, как пытались адаптировать немецкие печи для эпитаксиального наращивания — выходило либо с трещинами по границам зерен, либо с углеродными кластерами в узлах решетки. Оказалось, проблема не в оборудовании, а в подготовке шихты: даже 0,001% примеси алюминия вызывал дислокации на 10^8 см?2. Пришлось разрабатывать многостадийную очистку с использованием хлорсодержащих реагентов — решение, которое позже легло в основу патента RU 2681543.
Сейчас для особо ответственных применений (СВЧ-транзисторы, датчики радиации) используем метод сублимационной эпитаксии — но и там есть нюансы. Например, скорость роста выше 50 мкм/ч неизбежно приводит к образованию пор в приповерхностном слое. Приходится жертвовать производительностью ради качества: 15-20 мкм/ч дает почти идеальную решетку с плотностью дислокаций < 500 см?2.
В учебниках пишут про гексагональные politипы 4H-SiC и 6H-SiC как стабильные конфигурации. На практике же в промышленных печах часто возникает кубический 3C-SiC — метастабильная фаза, которая 'застревает' в зонах с градиентом температуры выше 120 °C/см. Боролись с этим полтора года, пока не внедрили трехзонный нагрев с точностью ±3 °C в рабочем объеме.
Еще один миф — о воспроизводимости параметров. Даже при идентичных режимах в разных партиях наблюдается разброс по концентрации вакансий азота до 15%. Объяснение простое: исходный кремний разных поставщиков имеет различную историю термоциклирования, что сказывается на кинетике диффузии. Поэтому сейчас работаем только с двумя проверенными производителями сырья из ЗАРЕЧНОГО и КИТАЯ.
Самое неприятное — когда идеальная по данным рентгеноструктурного анализа пластина дает аномальную люминесценцию. Выяснили, что виной микродефекты упаковки размером 2-3 нм, не детектируемые стандартными методами. Пришлось закупать просвечивающие электронные микроскопы с разрешением 0,1 нм — дорого, но без этого нельзя говорить о реальном контроле атомарной структуры.
В 2018-м пытались сделать упор на крупноформатные подложки диаметром 150 мм для солнечной энергетики. Технологически все получилось, но стоимость оказалась в 2,3 раза выше китайских аналогов — проект закрыли. Зато наработки по гетероэпитаксии пригодились для создания буферных слоев под нитрид галлия.
А вот история с заказом для оборонного комплекса в 2021-м: требовались пластины с радиационной стойкостью 10^7 Гр. Лабораторные образцы выдерживали, но при масштабировании начался катастрофический разброс по термостабильности. Причина — разная скорость охлаждения в центре и по краям печи. Спасли ситуацию кастомные теплоотводы из пиролитического графита, но сроки сорвали на три месяца.
Сейчас наиболее стабильно идут поставки пластин диаметром 100 мм с отклонением от плоскостности < 5 мкм для силовой электроники. Здесь удалось достичь повторяемости 98,7% по электрофизическим параметрам — во многом благодаря тому, что отказались от 'идеальной' чистоты в пользу контролируемого легирования азотом 10^16 см?3.
Основной парк — модифицированные печи Lely с индукционным нагревом до 2400 °C. Ключевое улучшение — система подачи газовой смеси Ar+C3H8 с компьютерным контролем парциальных давлений. Позволяет управлять стехиометрией в режиме реального времени, минимизируя образование кремниевых кластеров.
Для контроля используем нестандартную комбинацию методов: рентгеновская дифрактометрия + катодолюминесценция при 80 K. Так выявляем фазовые неоднородности, невидимые при комнатной температуре. Методику разрабатывали совместно с ИФТТ РАН, сейчас она защищена как know-how.
Самое ценное приобретение последних лет — установка ионной полировки с криогенным охлаждением. Позволяет готовить образцы для ПЭМ без механических напряжений, которые искажают атомарную структуру. До этого потери на стадии подготовки составляли до 40% пластин.
Сейчас основной тренд — переход к гетероструктурам SiC/GaN для СВЧ-устройств. Но здесь возникает фундаментальная проблема: коэффициент термического расширения GaN на 25% выше, что приводит к деформациям решетки при циклических нагрузках. Пытаемся решить через градиентные буферные слои, но пока КПД таких структур не превышает 68%.
Другое направление — создание пористых шаблонов для наногетероструктур. Интересная технология, но коммерциализация сложна: себестоимость в 7-8 раз выше традиционных методов, а надежность пока оставляет желать лучшего. Хотя для специализированных применений (квантовые сенсоры) уже есть пилотные заказы.
Что действительно будет востребовано в ближайшие 5 лет — это гибридные подложки SiC-on-Si. Позволяют снизить стоимость в 3-4 раза при сохранении 80% преимуществ чистого карбида кремния. В АО Ланьчжоу Хуая уже запустили опытную линию, но столкнулись с проблемой дислокаций плотностью 10^6 см?2 — на два порядка выше допустимого для силовой электроники. Работаем над этим.
Главный урок за 20 лет: не существует универсального решения. Для каждого применения — свой оптимум по чистоте, дефектности и стоимости. Иногда пластина с дислокациями 10^4 см?2 работает лучше 'идеальной' из-за особенностей пассивации дефектов.
Сырье — это 70% успеха. Даже самое современное оборудование не компенсирует нестабильность исходных материалов. Поэтому в АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния создали отдел входного контроля с ускоренными тестами на термоциклирование.
И да, атомарные решетки — это не про идеальную симметрию, а про управляемую и воспроизводимую неидеальность. Именно этот принцип позволяет нам оставаться одним из ведущих производителей в сегменте специальных применений, где важны не столько паспортные характеристики, сколько предсказуемость поведения в реальных условиях.
