Когда слышишь про 'атомарные кристаллы карбида кремния', многие сразу представляют идеальные структуры из учебников. На практике же даже у проверенных поставщиков бывают расхождения в 5-7% по дефектности между опытными образцами и серийными партиями.
В 2018 году мы столкнулись с парадоксом: три разных производителя предоставляли сертификаты с идентичными параметрами чистоты 99.99%, но при осаждении эпитаксиальных слоев разница в подвижности носителей достигала 30%. Оказалось, ключевым был не химический состав, а топография поверхности субстрата.
Особенно критичен угол разориентации подложек - даже отклонение на 0.2° от плоскости (0001) приводит к образованию ступенек роста высотой до 3 нм. Такие дефекты не видны в стандартной электронной микроскопии, но убивают всю гетероструктуру.
Сейчас мы требуем от поставщиков данные атомно-силовой микроскопии для каждой партии, хотя многие до сих пор считают это избыточным. Особенно упорно сопротивляются китайские производители, где контроль часто ограничивается рентгенофазовым анализом.
История с АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния показательна - их сайт https://www.lzhy.ru декларирует производство с 2004 года, но когда мы в 2021 запросили 50 кг монокристаллов с диаметром 150 мм, выяснились нюансы.
Технологи сообщали о неравномерном легировании азотом в верхней части слитка - концентрация падала на 15% относительно центра. Причина оказалась в конструкции нагревателей печей Сокорского, которые они тогда использовали.
Интересно, что их карбид кремния для металлургии стабильно получал положительные отзывы, но для электроники требовалась доработка. Они быстро модернизировали систему термостабилизации, хотя это отодвинуло сроки поставки на три месяца.
Больше всего времени уходит не на сам отбор поставщиков, а на согласование методик измерений. Например, плотность дислокаций - российские лаборатории часто используют травление в расплаве KOH, тогда как японские партнеры настаивают на катодолюминесценции.
Разница в результатах достигает порядка величины, что совершенно неприемлемо для атомарных кристаллов. Пришлось разрабатывать гибридный протокол, где мы сравниваем данные обоих методов плюс добавляем электронную микроскопию высокого разрешения для реперных точек.
АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния в итоге внедрили у себя наш протокол контроля, что стало конкурентным преимуществом - теперь они могут предоставлять сопоставимые данные с корейскими и европейскими производителями.
Для силовой электроники класса 3.3 кВ нам пришлось снизить требования к плотности дефектов с 0.5 см?2 до 2 см?2 после анализа стоимости. Дороговизна кристаллов с ультранизкой дефектностью не окупалась при конечной цене модулей.
Здесь сыграла роль гибкость поставщика - АО Ланьчжоу Хуая оперативно адаптировали технологию для этого компромиссного варианта, тогда как два других претендента настаивали на 'либо идеальные кристаллы, либо брак'.
Кстати, их опыт в производстве шихты и ферросилиция, указанный в описании компании, оказался полезен - они лучше понимают взаимосвязь исходных материалов и параметров конечного продукта.
В 2022 году столкнулись с аномалией - при идентичных технологических параметрах разные партии карбида кремния давали стабильное расхождение по теплопроводности. Расследование показало, что проблема в графитовой оснастке для роста кристаллов.
Поставщик графита сменил месторождение сырья, что привело к изменению примесей бора на уровне 0.8 ppm. Для большинства применений это незначительно, но для наших атомарных кристаллов оказалось критично.
Теперь мы требуем от АО Ланьчжоу Хуая и других поставщиков фиксировать не только параметры самого карбида кремния, но и всех расходных материалов, включая партии графита и даже источники кремния.
Последние два года многие пытались внедрить методы машинного обучения для прогнозирования качества кристаллов. На практике оказалось, что для отличных атомарных кристаллов это работает плохо - слишком много скрытых параметров, не фиксируемых в реальном времени.
Более перспективным направлением считаю не деструктивный контроль, а создание 'цифровых двойников' технологического процесса. АО Ланьчжоу Хуая как раз начали такой проект, хотя пока на уровне сбора телеметрии с 20% оборудования.
К 2025 году ожидаю, что ведущие поставщики перейдут на предиктивные модели, где можно будет заранее вычислять параметры кристалла по данным с первых часов роста. Пока же приходится ориентироваться на традиционные методы контроля и человеческий опыт.
