Когда слышишь про ?высококачественные структуры карбида кремния?, большинство сразу представляет готовые полированные пластины — но ведь всё начинается с метаморфозы шихты в монокристалл. Наш опыт с АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния показал: даже при стабильном химическом составе партии зёрна чёрного карбида могут давать разную плотность упаковки в тигле. Однажды мы три недели ломали голову, почему вроде бы идентичные параметры роста дают трещины вдоль плоскости (1120) — оказалось, фракция шихты содержала микропримеси кальция, которые не отсеяли на этапе промывки. Такие нюансы редко обсуждают в спецификациях, но они решают всё.
Раньше мы ориентировались на сертификаты соответствия, пока не столкнулись с партией карбида кремния от АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния, где при стандартных показателях чистоты 99.7% обнаружились кластеры оксидов алюминия размером до 50 нм. Лаборатория завода тогда использовала рентгенофлуоресцентный анализ, но он не видел локализованные включения. Пришлось в срочном порядке дооснащать участок растровым микроскопом — теперь каждые 50 кг шихты проверяем на распределение примесей по гранулометрическому составу.
Кстати, их сайт https://www.lzhy.ru указывает на производство шихты как отдельное направление — это важный признак специализации. Многие конкуренты закупают сырьё у третьих лиц, но здесь вертикальная интеграция позволяет контролировать цепочку от добычи кварцита до упаковки готового продукта. Хотя в 2018 году мы пробовали работать с их ферросилицием для модификации структуры — эксперимент провалился из-за нестабильного содержания титана, пришлось вернуться к классическим рецептурам.
Сейчас при заказе мы всегда запрашиваем данные по распределению пор в гранулах 0.5-2 мм — именно этот параметр влияет на газовыделение при нагреве до 2400°C. Если пористость превышает 12%, в монокристалле образуются каверны размером до 3 мкм. Китайские коллеги из Ланьчжоу сначала сопротивлялись такому детальному анализу, но после совместных испытаний на печах Crystal Systems внедрили дополнительную стадию вакуумного отжига шихты.
Высокочастотный нагрев — казалось бы, классика для выращивания структур карбида кремния 4H, но в 2021 году мы получили от АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния партию с аномалией: пластины диаметром 100 мм имели разнотолщинность до 0.3 мм при заявленных 0.15 мм. Разбор показал, что проблема в неравномерном охлаждении после кристаллизации — их печи не обеспечивали градиент температуры лучше 5°C/см вдоль оси роста. Пришлось совместно разрабатывать систему активного теплоотвода через графитовые экраны.
Особенно критично для электроники — плотность дислокаций в зоне перехода от поликристаллической подложки к эпитаксиальному слою. Мы как-то пытались использовать их материал для СВЧ-транзисторов, но столкнулись с пробоем при 600 В из-за скопления винтовых дислокаций. Инженеры Ланьчжоу тогда помогли модифицировать режим легирования азотом — снизили концентрацию с 5×10^18 до 2×10^18 см?3, что позволило поднять пробивное напряжение до 1.2 кВ.
Сейчас они экспериментируют с легированием скандием для повышения теплопроводности, но пока стабильность результатов оставляет желать лучшего. Последняя поставка показала разброс λ от 320 до 380 Вт/м·К в пределах одной пластины — для силовой электроники это недопустимо. Видимо, сказывается неоднородность распределения легирующей примеси в исходной шихте.
Резание монокристаллов карбида кремния — отдельная история. Мы долго не могли подобрать режимы шлифовки для пластин от АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния — стандартные алмазные пасты давали микротрещины глубиной до 8 мкм. Оказалось, их материал имеет анизотропию твёрдости по плоскостям (0001) и (1120) почти 18%, что требовало коррекции давления при химико-механической полировке.
Их техотдел рекомендовал начинать с абразива зернистостью 15 мкм вместо обычных 30 мкм — это снизило процент брака с 22% до 7% в первых же партиях. Правда, пришлось мириться с увеличенным временем обработки — цикл полировки вырос с 12 до 18 часов. Но для заказчиков, производящих диоды Шоттки, это оказалось приемлемой платой за отсутствие дефектов на границах субзёрен.
Интересно, что при лазерной резке их материал ведёт себя предсказуемее, чем японские аналоги — вероятно, сказывается меньшая концентрация вакансий. Мы как-то резали пластину толщиной 350 мкм на чипы 3×3 мм — выход годных достиг 92% против обычных 85-87%. Правда, для этого пришлось калибровать мощность импульса под каждую партию — видимо, сказываются колебания оптической плотности.
В спецификациях АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния указывают сопротивление 0.02 Ом·см для материала n-типа, но наши замеры показывают разброс от 0.015 до 0.035 Ом·см. Это не критично для нагревательных элементов, но создаёт проблемы при производстве MOSFET. Пришлось ввести дополнительную сортировку пластин по четырём классам — сейчас только 30% поставки соответствует требованиям силовой электроники.
Зато их поликристаллический карбид кремния для термообработки — один из лучших на рынке. Гранулы 5-10 мм сохраняют прочность после 200 циклов нагрева до 1600°C, тогда как у конкурентов уже на 120-м цикле начинается разрушение. Секрет в особой геометрии гранул — они используют дробление с последующей галтовкой, что снимает внутренние напряжения.
На их сайте https://www.lzhy.ru скромно упоминается про минеральную продукцию, но именно этот сегмент приносит им стабильный доход — например, карбид кремния для абразивов имеет постоянный спрос в металлургии. Мы как-то тестировали их порошки F230 для шлифовки титановых сплавов — ресурс оказался на 15% выше, чем у немецких аналогов, при цене на 40% ниже.
Сейчас мы совместно с технологами Ланьчжоу испытываем комбинированное легирование бором и азотом — пытаемся получить p-type структуру с подвижностью дырок выше 120 см2/В·с. Первые результаты обнадёживают: на пластинах диаметром 76 мм удалось достичь 95 см2/В·с, но стабильность пока оставляет желать лучшего — разброс по пластине достигает 25%.
Интересно, что при легировании бором возникает побочный эффект — увеличивается теплопроводность поперёк плоскости C. В некоторых образцах мы фиксировали рост до 400 Вт/м·К, что открывает перспективы для подложек СВЧ-устройств. Но пока не удаётся воспроизвести этот эффект в промышленных масштабах — вероятно, сказывается чистота исходного бора.
Их новая линия по производству карбида кремния особой чистоты (менее 10 ppm металлических примесей) должна запуститься в следующем квартале — посмотрим, удастся ли снизить плотность дислокаций до 500 см?2. Если да, это сделает их продукт конкурентоспособным для производителей диодов на 10 кВ. Пока же для таких применений мы вынуждены использовать дорогие европейские материалы.
Работа с АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния напоминает конструктор — нужно точно понимать, какие параметры критичны для конкретного применения. Их карбид кремния для термообработки практически безупречен, а вот электронные марки требуют жёсткого входного контроля. Зато цена в 2-3 раза ниже японских аналогов позволяет мириться с некоторым процентом брака.
Сейчас они активно инвестируют в исследования структур карбида кремния — недавно приобрели установку молекулярно-пучковой эпитаксии. Если удастся решить проблему с однородностью легирования, через 2-3 года они могут стать серьёзным игроком на рынке полуизолирующих подложек для СВЧ-устройств. Мы уже резервируем производственные мощности под их будущие поставки — риски оправданы.
Главный урок за 15 лет сотрудничества: даже с лучшими производителями нужно постоянно вести диалог. Технология выращивания монокристаллов карбида кремния слишком сложна, чтобы полагаться только на сертификаты. Каждая партия — это новый эксперимент, где наши совместные замеры и корректировки рецептуры дают больше, чем любые ГОСТы.
