Kaj je rast kristalov iz silicijevega karbida?

Približevanje sic | Načelo rasti kristalov iz silicijevega karbida

V naravi so kristali povsod, njihova porazdelitev in uporaba pa sta zelo obsežna. In različni kristali imajo različne strukture, lastnosti in metode priprave. Toda njihova skupna značilnost je, da so atomi v kristalu redno razporejeni, rešetka s specifično strukturo pa se nato oblikuje s periodičnim zlaganjem v tridimenzionalnem prostoru. Zato pojav kristalnih materialov ponavadi predstavlja redno geometrijsko obliko.

Silicijev karbidni enojni material za kristalno substrat (v nadaljevanju podlaga sic) je tudi neke vrste kristalni materiali. Pripada širokemu polprevodniškemu materialu in ima prednosti visoke napetostne odpornosti, visoke temperaturne odpornosti, visoke frekvence, nizke izgube itd. Je osnovni material za pripravo elektronskih naprav z visoko močjo in mikrovalovne RF naprave.

Kristalna struktura sic

SIC je polprevodniški material IV-IV, sestavljen iz ogljika in silicija v stehiometričnem razmerju 1: 1, njegova trdota pa je druga le do diamanta.

Tako ogljikovi kot silicijevi atomi imajo 4 valenčne elektrone, ki lahko tvorijo 4 kovalentne vezi. Osnovna strukturna enota sic kristala, sic tetraedra, izhaja iz tetraedrske vezi med silicijevim in ogljikovim atomom. Koordinacijsko število silicijevih in ogljikovih atomov je 4, to je, da ima vsak ogljikov atom okoli njega 4 silikonske atome in vsak silicijev atom ima tudi okoli njega 4 ogljikove atome.

Kot kristalni material ima SIC substrat tudi značilno za periodično zlaganje atomskih plasti. Diatomske plasti SI-C so zložene vzdolž smeri [0001]. Na majhno razliko v energiji vezi med plastmi se med atomskimi plastmi zlahka ustvarijo različni načini povezave, kar vodi do več kot 200 politipov SIC. Običajni politipi vključujejo 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC itd. Med njimi se zaporedje zlaganja v vrstnem redu "ABCB" imenuje 4H politip. Čeprav imajo različni politipi SIC enako kemično sestavo, so njihove fizikalne lastnosti, zlasti širina pasu, mobilnost nosilcev in druge značilnosti precej drugačne. In lastnosti 4H politipa so primernejše za polprevodniške aplikacije.

2H-sic

4H-sic

6H-SIC

Parametri rasti, kot sta temperatura in tlak, pomembno vplivajo na stabilnost 4H-SIC med procesom rasti. Zato je treba med pripravo natančno nadzorovati parametre, kot so temperatura rasti in hitrost rasti, za pridobitev posameznega kristalnega materiala z visoko kakovostjo in enakomernostjo.

Način priprave sic: fizikalna metoda prevoza hlapov (PVT)

Trenutno so metode priprave silicijevega karbida fizikalna metoda transporta hlapov (PVT) ， visoko temperaturna metoda kemičnega nalaganja hlapov (HTCVD) in metoda tekoče faze (LPE). In PVT je glavna metoda, ki je primerna za industrijsko maso.

(a) Skica metode rasti PVT za sic Boules in 

(b) 2D vizualizacija rasti PVT za prikaz velikih podrobnosti o morfologiji in vmesniku in pogojih kristalne rasti

Med rastjo PVT je kristal sic semena nameščen na vrhu lončka, medtem ko je izvorni material (sic prah) postavljen na dno. V zaprtem okolju z visoko temperaturo in nizkim tlakom se SIC v prahu sublimira in nato prepelje navzgor v prostor v bližini semena pod vplivom temperaturne gradienta in razlike v koncentraciji. In se bo rekristalizirala po doseganju prenasičenega stanja. S to metodo je mogoče nadzorovati velikost in politip sic kristala.

Vendar pa PVT metoda zahteva ohranjanje ustreznih pogojev rasti v celotnem procesu rasti, sicer bo privedla do motnje rešetk in oblikovala neželene napake. Poleg tega je rast kristala SIC dokončana v zaprtem prostoru z omejenimi metodami spremljanja in številnimi spremenljivkami, zato je nadzor nad postopkom težaven.

Glavni mehanizem za rast posameznega kristala: rast pretoka koraka

V procesu gojenja kristala SIC po Pvt metodi se rast korakov pretok šteje za glavni mehanizem za oblikovanje posameznih kristalov. Atomi izhlapene Si in C se bodo prednostno vezali z atomi na kristalni površini pri stopnicah in kinkih, kjer bodo nukleatirali in rasli, tako da vsak korak vzporedno teče naprej. Kadar je širina med vsakim korakom na rastni površini veliko večja od difuzijske poti adsorbiranih atomov, se lahko veliko število adsorbiranih atomov aglomera in tvori dvodimenzionalni otok, ki bo uničil način rasti koraka, ki je posledica tvorbe drugih politipov namesto 4h. Zato je namen prilagoditve procesnih parametrov nadzorovati strukturo korakov na površini rasti, da se prepreči nastanek neželenih politipov in doseže cilj pridobiti 4H enojne kristalne strukture in na koncu pripraviti visokokakovostne kristale.

Rast pretoka koraka za sic samski kristal

Rast kristala je le prvi korak za pripravo visokokakovostne podlage SIC. Preden ga uporabljamo, mora 4H-SIC ingot skozi vrsto procesov, kot so rezanje, zapiranje, poševnost, poliranje, čiščenje in pregled. Kot trd, a krhek material ima sic Single Crystal tudi visoke tehnične zahteve za korake rezine. Vsaka škoda, pridobljena v vsakem postopku, ima lahko določeno dednost, prenaša se v naslednji postopek in na koncu vpliva na kakovost izdelka. Zato učinkovita tehnologija rezin za SIC substrat pritegne tudi pozornost industrije.