Hva er silisiumkarbidkrystallvekst?

Nærmer seg SiC | Prinsippet om silisiumkarbidkrystallvekst

I naturen er krystaller overalt, og deres distribusjon og anvendelse er veldig omfattende. Og forskjellige krystaller har forskjellige strukturer, egenskaper og preparasjonsmetoder. Men deres fellestrekk er at atomene i krystallen regelmessig er anordnet, og gitteret med en spesifikk struktur blir deretter dannet gjennom periodisk stabling i tredimensjonalt rom. Derfor presenterer utseendet til krystallmaterialer vanligvis en vanlig geometrisk form.

Silisiumkarbid enkeltkrystallsubstratmateriale (heretter referert til som SIC -underlag) er også et slags krystallinske materialer. Det tilhører bredt båndgap halvledermateriale, og har fordelene med høyspenningsmotstand, høy temperaturmotstand, høy frekvens, lavt tap, etc. Det er et grunnleggende materiale for å fremstille elektroniske enheter med høy effekt og mikrobølgeovn RF-enheter.

Krystallstrukturen til SiC

SIC er et IV-IV-sammensatt halvledermateriale sammensatt av karbon og silisium i et støkiometrisk forhold på 1: 1, og hardheten er bare nest til diamant.

Både karbon- og silisiumatomer har 4 valenselektroner, som kan danne 4 kovalente bindinger. Den grunnleggende strukturelle enheten til SiC Crystal, Sic Tetrahedron, oppstår ut av tetraedralbindingen mellom silisium og karbonatomer. Koordineringsnummeret til både silisium- og karbonatomer er 4, dvs. hvert karbonatom har 4 silisiumatomer rundt seg, og hvert silisiumatom har også 4 karbonatomer rundt seg.

Som et krystallmateriale har SIC -underlag også kjennetegn ved periodisk stabling av atomlag. Si-C diatomiske lag er stablet langs [0001] retning. Vanlige polytyper inkluderer 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, etc. Blant dem kalles stablingssekvensen i størrelsesorden "ABCB" 4H polytype. Selv om forskjellige polytyper av SIC har samme kjemiske sammensetning, er deres fysiske egenskaper, spesielt båndgapets bredde, bærermobilitet og andre egenskaper ganske forskjellige. Og egenskapene til 4H polytype er mer egnet for halvlederapplikasjoner.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SIC

Vekstparametrene som temperatur og trykk påvirker stabiliteten til 4H-SIC betydelig under vekstprosessen. For å oppnå enkeltkrystallmaterialet med høy kvalitet og ensartethet, må parametrene som veksttemperatur, veksttrykk og veksthastighet kontrolleres nøyaktig under preparatet.

Forberedelsesmetode for SIC: Fysisk damptransportmetode (PVT)

For tiden er preparasjonsmetodene for silisiumkarbid fysisk damptransportmetode (PVT) ， høy temperatur kjemisk dampavsetningsmetode (HTCVD), og væskefasemetode (LPE). Og PVT er en mainstream -metode som er egnet for industriell masseproduksjon.

(a) En skisse av PVT -vekstmetoden for Sic Boules og 

(b) 2D -visualisering av PVT -veksten for å avbilde de flotte detaljene om morfologien og krystallvekstgrensesnittet og forholdene

Under PVT -vekst plasseres SIC frøkrystall på toppen av digel mens kildematerialet (SIC -pulveret) er plassert i bunnen. I et lukket miljø med høy temperatur og lavt trykk sublimater SIC, og transporterer deretter oppover til rommet nær frøet under effekten av temperaturgradient og konsentrasjonsforskjell. Og det vil omkrystalisere etter å ha nådd overtettet tilstand. Gjennom denne metoden kan størrelsen og polytype av SIC -krystall kontrolleres.

Imidlertid krever PVT -metoden å opprettholde passende vekstbetingelser gjennom hele vekstprosessen, ellers vil det føre til gitterforstyrrelse og danne uønskede feil. Dessuten er SIC -krystallveksten fullført i et lukket rom med begrensede overvåkningsmetoder og mange variabler, og dermed er kontrollen av prosessen vanskelig.

Hovedmekanismen for å vokse enkeltkrystall: trinnstrømvekst

I prosessen med å vokse SiC -krystall ved PVT -metode, blir trinnstrømvekst betraktet som hovedmekanismen for å danne enkeltkrystaller. De fordampede Si- og C -atomene vil fortrinnsvis binde seg til atomene på krystalloverflaten ved trinn og knekk, hvor de vil kjernefulle og vokse, slik at hvert trinn strømmer fremover parallelt. Når bredden mellom hvert trinn på vekstoverflaten er langt større enn den diffusjonsfrie banen til de adsorberte atomer, kan et stort antall adsorberte atomer agglomeratet, og danne den todimensjonale øya, som vil ødelegge trinnstrømningsvekstmodusen, noe som resulterer i dannelsen av andre polytypes i stedet for 4H. Derfor har justering av prosessparametere som mål å kontrollere trinnstrukturen på vekstoverflaten, for å forhindre dannelse av uønskede polytyper, og oppnå målet om å oppnå 4H enkeltkrystallstruktur, og til slutt fremstille krystaller av høy kvalitet.

Trinnstrømvekst for SiC enkeltkrystall

Veksten av krystallen er bare det første trinnet for å fremstille SIC -underlag av høy kvalitet. Før du brukes, må 4H-Sic Ingot gå gjennom en serie prosesser som skiver, lapping, skråning, polering, rengjøring og inspeksjon. Som et hardt, men sprøtt materiale, har SiC enkeltkrystall også høye tekniske krav til de avvikende trinnene. Eventuelle skader som genereres i hver prosess kan ha visse arveligheter, overføringer til neste prosess og til slutt påvirke produktkvaliteten. Derfor tiltrekker den effektive avviklingsteknologien for SIC -underlag også bransjens oppmerksomhet.