Ce este creșterea cristalului de carbură de siliciu?

Abordarea sic | Principiul creșterii cristalelor din carbură de siliciu

În natură, cristalele sunt peste tot, iar distribuția și aplicarea lor sunt foarte extinse. Și cristale diferite au structuri, proprietăți și metode de pregătire diferite. Dar caracteristica lor comună este că atomii din cristal sunt aranjați în mod regulat, iar rețeaua cu o structură specifică este apoi formată prin stivuirea periodică în spațiul tridimensional. Prin urmare, aspectul materialelor de cristal prezintă de obicei o formă geometrică obișnuită.

Materialul de substrat cu un singur cristal de siliciu (denumit în continuare substratul SIC) este, de asemenea, un fel de materiale cristaline. Acesta aparține materialului semiconductor cu bandă largă și are avantajele rezistenței de înaltă tensiune, rezistență la temperatură ridicată, frecvență ridicată, pierderi scăzute, etc. Este un material de bază pentru prepararea dispozitivelor electronice de mare putere și a dispozitivelor RF cu microunde.

Structura cristalină a sic

SIC este un material semiconductor compus IV-IV compus din carbon și siliciu într-un raport stoechiometric de 1: 1, iar duritatea acestuia este a doua doar la diamant.

Atât atomii de carbon cât și siliciu au 4 electroni de valență, care pot forma 4 legături covalente. Unitatea structurală de bază a cristalului sic, tetraedrul sic, apare din legătura tetraedrică dintre atomii de siliciu și carbon. Numărul de coordonare atât al atomilor de siliciu cât și al carbonului este de 4, adică fiecare atom de carbon are 4 atomi de siliciu în jurul său și fiecare atom de siliciu are, de asemenea, 4 atomi de carbon în jurul său.

Ca material de cristal, substratul SIC are, de asemenea, caracteristica stivuirii periodice a straturilor atomice. Straturile diatomice Si-C sunt stivuite de-a lungul direcției [0001]. Du-te la mica diferență de energie a legăturii între straturi, diferite moduri de conectare sunt generate cu ușurință între straturile atomice, ceea ce duce la peste 200 de politepuri SIC. Politypes-urile obișnuite includ 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, etc. Printre ele, secvența de stivuire în ordinea „ABCB” se numește Polytype 4H. Deși diferite politepuri de SIC au aceeași compoziție chimică, proprietățile lor fizice, în special lățimea bandgapului, mobilitatea purtătorului și alte caracteristici sunt destul de diferite. Iar proprietățile politepului 4H sunt mai potrivite pentru aplicațiile cu semiconductor.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Parametrii de creștere, cum ar fi temperatura și presiunea, influențează semnificativ stabilitatea 4H-SIC în timpul procesului de creștere. Prin urmare, pentru a obține materialul cu un singur cristal cu o calitate și uniformitate înaltă, parametrii, cum ar fi temperatura de creștere, presiunea de creștere și rata de creștere trebuie controlate cu precizie în timpul pregătirii.

Metoda de preparare a SIC: Metoda de transport a vaporilor fizici (PVT)

În prezent, metodele de preparare a carburii de siliciu sunt metoda de transport a vaporilor fizici (PVT) ， Metoda de depunere a vaporilor chimici cu temperaturi ridicate (HTCVD) și metoda fazei lichide (LPE). Și PVT este o metodă principală care este potrivită pentru producția de masă industrială.

(a) O schiță a metodei de creștere a PVT pentru sic boules și 

(b) Vizualizarea 2D a creșterii PVT pentru a imagina detaliile mari despre morfologie și interfața și condițiile de creștere a cristalelor

În timpul creșterii PVT, cristalul de semințe SIC este plasat pe partea de sus a creuzetului, în timp ce materialul sursă (pulbere sic) este plasat în partea de jos. Într -un mediu închis cu temperatură ridicată și presiune scăzută, pulberea SIC se sublimează, apoi se transportă în sus în spațiul din apropierea seminței sub efectul gradientului de temperatură și diferența de concentrație. Și se va recristaliza după ce a ajuns la starea suprasaturată. Prin această metodă, dimensiunea și politetul cristalului SIC pot fi controlate.

Cu toate acestea, metoda PVT necesită menținerea condițiilor de creștere adecvate pe întregul proces de creștere, altfel va duce la tulburarea de zăbrele și va forma defecte nedorite. În plus, creșterea cristalului SIC este finalizată într -un spațiu închis, cu metode de monitorizare limitate și multe variabile, astfel încât controlul procesului este dificil.

Principalul mecanism pentru a crește un singur cristal: creșterea fluxului de trepte

În procesul de creștere a cristalului SIC prin metoda PVT, creșterea fluxului de etapă este considerată principalul mecanism pentru a forma cristale unice. Atomii vaporizați de Si și C se vor lega în mod preferențial cu atomii de pe suprafața cristalului la trepte și kink -uri, unde vor nuclea și crește, astfel încât fiecare pas să curgă înainte în paralel. Când lățimea dintre fiecare pas pe suprafața de creștere este mult mai mare decât calea liberă de difuzie a atomilor adsorbați, un număr mare de atomi adsorbiți se pot aglomera și formează insula bidimensională, care va distruge modul de creștere a fluxului de pas, rezultând în formarea altor polytipuri în loc de 4H. Prin urmare, ajustarea parametrilor procesului își propune să controleze structura pasului pe suprafața de creștere, astfel încât să prevină formarea de policituri nedorite și să atingă obiectivul de a obține o structură de cristal unică de 4H și de a prepara în final cristale de înaltă calitate.

Creșterea fluxului de pas pentru sic unic cristal

Creșterea cristalului este doar primul pas pentru prepararea substratului SIC de înaltă calitate. Înainte de a fi utilizat, lingotul 4H-SIC trebuie să treacă printr-o serie de procese precum feliere, scurgere, teșină, lustruire, curățare și inspecție. Ca material dur, dar fragil, SIC unic cristal are, de asemenea, cerințe tehnice ridicate pentru etapele de rătăcire. Orice pagubă generată în fiecare proces poate avea o anumită ereditate, transferuri la următorul proces și afectează în sfârșit calitatea produsului. Prin urmare, tehnologia eficientă de răscumpărare pentru substratul SIC atrage și atenția industriei.