Co to jest wzrost kryształu węglika krzemu?

Zbliżający się sic | Zasada wzrostu kryształu węgla krzemu

W naturze kryształy są wszędzie, a ich dystrybucja i zastosowanie są bardzo obszerne. A różne kryształy mają różne struktury, właściwości i metody przygotowania. Ale ich wspólną cechą jest to, że atomy w krysztale są regularnie układane, a sieć o określonej strukturze jest następnie tworzona przez okresowe stosowanie w przestrzeni trójwymiarowej. Dlatego pojawienie się materiałów kryształowych zwykle ma regularny kształt geometryczny.

Materiał z pojedynczego kryształu z węglika krzemu (zwany dalej substratem SIC) jest również rodzajem materiałów krystalicznych. Należy do materiału półprzewodnikowego szerokiego pasma i ma zalety oporu wysokiego napięcia, rezystancji wysokiej temperatury, wysokiej częstotliwości, niskiej straty itp. Jest to podstawowy materiał do przygotowywania urządzeń elektronicznych o dużej mocy i urządzeń mikrofalowych RF.

Struktura krystaliczna SIC

SIC jest złożonym złożonym materiałem półprzewodnikowym złożonym z węgla i krzemowego w stosunku stechiometrycznym 1: 1, a jego twardość jest druga tylko do diamentu.

Zarówno atomy węgla, jak i krzemowe mają 4 elektrony walencyjne, które mogą tworzyć 4 kowalencyjne wiązania. Podstawowa jednostka strukturalna kryształu SIC, SIC tetrahedron, wynika z wiązania czworościennego między atomami krzemu i węgla. Liczba koordynacji zarówno atomów krzemowych, jak i węgla wynosi 4, tj. Każdy atom węgla ma wokół niego 4 atomy krzemowe, a każdy atom krzemowy ma również 4 atomy węgla.

Jako materiał kryształowy podłoże SIC ma również charakterystyczne okresowe układanie warstw atomowych. Warstwy dwuatomiczne SI-C są ułożone w stosy wzdłuż [0001] kierunku. Do niewielkiej różnicy energii wiązania między warstwami różne tryby połączenia można łatwo generować między warstwami atomowymi, co prowadzi do ponad 200 politypów SIC. Wspólne politypy obejmują 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC itp. Wśród nich sekwencja układania w kolejności „ABCB” nazywana jest politypem 4H. Chociaż różne politypy SIC mają ten sam skład chemiczny, ich właściwości fizyczne, zwłaszcza szerokość pasma, mobilność nośnika i inne cechy są zupełnie inne. A właściwości 4H Politype są bardziej odpowiednie do zastosowań półprzewodników.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Parametry wzrostu, takie jak temperatura i ciśnienie, znacząco wpływają na stabilność 4H-SIC podczas procesu wzrostu. Dlatego w celu uzyskania pojedynczego materiału o wysokiej jakości i jednorodności parametry, takie jak temperatura wzrostu, ciśnienie wzrostu i szybkość wzrostu, muszą być precyzyjnie kontrolowane podczas przygotowania.

Metoda przygotowania SIC: Fizyczna metoda transportu pary (PVT)

Obecnie metodą przygotowania węgliku krzemu są metoda transportu pary fizycznej (PVT), metoda osadzania pary w wysokiej temperaturze (HTCVD) i metoda fazy ciekłej (LPE). A PVT to główna metoda odpowiednia do masowej produkcji przemysłowej.

(a) Szkic metody wzrostu PVT dla boules SIC i 

(b) Wizualizacja 2D wzrostu PVT w celu wyobrażenia wielkich szczegółów na temat morfologii i interfejsu i warunków wzrostu kryształów

Podczas wzrostu PVT kryształ nasion SIC umieszcza się na szczycie tygla, podczas gdy materiał źródłowy (proszek sic) jest umieszczony na dnie. W zamkniętym środowisku o wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu sublimaty proszku SIC, a następnie transportuje w górę do przestrzeni w pobliżu nasion pod wpływem gradientu temperatury i różnicy stężenia. I rekrystalizuje się po osiągnięciu stanu przesyconego. Za pomocą tej metody można kontrolować rozmiar i polityp kryształu SIC.

Jednak metoda PVT wymaga utrzymania odpowiednich warunków wzrostu w całym procesie wzrostu, w przeciwnym razie doprowadzi to do zaburzenia sieci i utworzyć niepożądane wady. Poza tym wzrost kryształu SIC jest uzupełniany w zamkniętej przestrzeni z ograniczonymi metodami monitorowania i wieloma zmiennymi, dlatego kontrola procesu jest trudna.

Główny mechanizm wzrostu pojedynczego kryształu: wzrost przepływu kroku

W procesie rosnącego kryształu SIC metodą PVT wzrost przepływu stopnia jest uważany za główny mechanizm tworzenia pojedynczych kryształów. Waporyzowane atomy SI i C będą preferencyjnie wiązać się z atomami na powierzchni kryształów przy etapach i załamaniach, gdzie będą zarodkować i rosnąć, tak że każdy krok płynie równolegle. Gdy szerokość między każdym krokiem na powierzchni wzrostu jest znacznie większa niż bez dyfuzyjnej ścieżki zaadsorbowanych atomów, duża liczba zaadsorbowanych atomów może aglomerat i tworzy dwuwymiarową wyspę, która zniszczy tryb wzrostu kroku, co powoduje utworzenie innych politypów zamiast 4H. Dlatego dostosowanie parametrów procesowych ma na celu kontrolowanie struktury krokowej na powierzchni wzrostu, aby zapobiec tworzeniu niepożądanych politypów i osiągnięcie celu uzyskania 4H pojedynczej struktury krystalicznej, a ostatecznie przygotowania kryształów wysokiej jakości.

Wzrost przepływu kroku dla pojedynczego kryształu SIC

Wzrost kryształu jest pierwszym krokiem do przygotowania podłoża SIC wysokiej jakości. Przed użyciem wlewki 4H-SIC musi przejść szereg procesów, takich jak krojenie, lakierowanie, feling, polerowanie, czyszczenie i kontrola. Jako twardy, ale krucha materiał, SIC pojedynczy kryształ ma również wysokie wymagania techniczne dla etapów opasek. Wszelkie uszkodzenia wygenerowane w każdym procesie mogą mieć pewną dziedziczność, przelewy do następnego procesu i wreszcie wpływać na jakość produktu. Dlatego efektywna technologia opadów dla podłoża SIC również przyciąga uwagę branży.