Kas yra silicio karbido kristalų augimas?

Artėja prie sic | Silicio karbido kristalų augimo principas

Gamtoje kristalai yra visur, o jų pasiskirstymas ir pritaikymas yra labai platus. Ir skirtingi kristalai turi skirtingas struktūras, savybes ir paruošimo metodus. Tačiau jų bendras bruožas yra tas, kad kristalo atomai yra reguliariai išdėstyti, o grotelių su konkrečia struktūra tada formuojami periodiškai sukraunant trimatę erdvę. Todėl kristalų medžiagų atsiradimas paprastai pasireiškia įprasta geometrine forma.

Silicio karbido vieno kristalo substrato medžiaga (toliau - SiC substratas) taip pat yra tam tikra kristalinė medžiaga. Jis priklauso plačiam juostos puslaidininkės medžiagai ir turi didelės įtampos atsparumo, aukštos temperatūros atsparumo, aukšto dažnio, mažo nuostolio ir tt pranašumus. Tai yra pagrindinė medžiaga didelės galios elektroninių prietaisų ir mikrobangų RF prietaisų paruošimui.

SIC kristalų struktūra

SIC yra IV-IV jungtinė puslaidininkinė medžiaga, sudaryta iš anglies ir silicio, esant stechiometriniam santykiui 1: 1, o jo kietumas yra antras tik su deimantu.

Tiek anglies, tiek silicio atomai turi 4 valentinius elektronus, kurie gali sudaryti 4 kovalentinius ryšius. Pagrindinis sic kristalo, sic tetraedrono struktūrinis vienetas, atsiranda dėl tetraedrinio silicio ir anglies atomų jungimosi. Silicio ir anglies atomų koordinavimo skaičius yra 4, t. Y. Kiekvienas anglies atomas aplink jį turi 4 silicio atomus, o kiekvienas silicio atomas taip pat turi 4 anglies atomus aplink jį.

Kaip krištolo medžiaga, SiC substratas taip pat pasižymi periodiniu atominių sluoksnių sukraumu. Si-C diatominiai sluoksniai yra sukrauti išilgai [0001] krypties. Atsižvelgiant į nedidelį ryšių energijos skirtumą tarp sluoksnių, skirtingi jungčių režimai lengvai generuojami tarp atominių sluoksnių, dėl kurių daugiau nei 200 SiC polipų. Įprasti politainiai apima 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC ir tt. Tarp jų krovimo seka „ABCB“ tvarka vadinama 4H polipe. Nors skirtingi SIC politainiai turi tą pačią cheminę sudėtį, jų fizinės savybės, ypač juostos pločio plotis, nešiklio mobilumas ir kitos savybės, yra gana skirtingos. O 4H polipe savybės yra labiau tinkamos puslaidininkių programoms.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Augimo parametrai, tokie kaip temperatūra ir slėgis, daro didelę įtaką 4H-SIC stabilumui augimo proceso metu. Todėl, norint gauti aukštos kokybės ir vienodumo vienos kristalų medžiagą, paruošimo metu turi būti tiksliai kontroliuojami parametrai, tokie kaip augimo temperatūra, augimo slėgis ir augimo greitis.

SIC paruošimo metodas: fizinio garų transportavimo metodas (PVT)

Šiuo metu silicio karbido paruošimo būdai yra fizinio garų pernešimo metodas (PVT) ， aukštos temperatūros cheminio garų nusėdimo metodas (HTCVD) ir skystos fazės metodas (LPE). Ir PVT yra pagrindinis metodas, tinkamas pramoninei masinei gamybai.

a) PVT augimo metodo eskizas SiC boules ir 

(B) 2D PVT augimo vizualizacija, kad būtų galima vaizduoti puikias detales apie morfologiją ir kristalų augimo sąsają bei sąlygas

Pvt augimo metu SiC sėklų kristalas dedamas ant tiglio viršaus, o šaltinio medžiaga (SiC milteliai) dedami į dugną. Uždaroje aplinkoje, kurioje aukšta temperatūra ir žemas slėgis, SiC milteliai sublimato, o po to perneša aukštyn į erdvę šalia sėklos, esant temperatūros gradiento ir koncentracijos skirtumui. Ir jis perkristalizuos pasiekus supersezinę būseną. Taikant šį metodą, galima valdyti SiC kristalo dydį ir poliipą.

Tačiau PVT metodas reikalauja išlaikyti tinkamas augimo sąlygas per visą augimo procesą, kitaip jis sukels grotelių sutrikimą ir sudarys nepageidaujamus defektus. Be to, SIC kristalų augimas yra baigtas uždaroje erdvėje su ribotais stebėjimo metodais ir daugybe kintamųjų, todėl proceso kontrolė yra sunku.

Pagrindinis vieno kristalo auginimo mechanizmas: žingsnių srauto augimas

SiC kristalo auginimo procese PVT metodu, žingsnių srauto augimas laikomas pagrindiniu pavienių kristalų formavimo mechanizmu. Garinti Si ir C atomai pirmiausia sujungs su atomais, esančiais ant kristalų paviršiaus, esant laipteliams ir kinkams, kur jie branduolį ir augs, kad kiekvienas žingsnis teka į priekį lygiagrečiai. Kai plotis tarp kiekvieno augimo paviršiaus žingsnio yra daug didesnis nei adsorbuotų atomų difuzijos kelias, daugybė adsorbuotų atomų gali aglomeruoti ir sudaryti dvimatę salą, kuri sunaikins žingsnio srauto augimo režimą, todėl susidaro kiti polipai, o ne 4 valandas. Todėl proceso parametrų koregavimui siekiama kontroliuoti augimo paviršiaus žingsnio struktūrą, kad būtų išvengta nepageidaujamų polipų susidarymo, ir pasiekti tikslą gauti 4H vieno kristalų struktūrą ir galiausiai paruošti aukštos kokybės kristalus.

SiC vieno kristalo žingsnio srauto augimas

Krištolo augimas yra tik pirmasis žingsnis paruošti aukštos kokybės SiC substratą. Prieš naudojimą, 4H-SIC luitai turi atlikti daugybę procesų, tokių kaip pjaustymas, plyšimas, vamzdis, poliravimas, valymas, valymas ir tikrinimas. Kaip kieta, bet trapi medžiaga, „Sic Single Crystal“ taip pat turi didelius techninius reikalavimus plyšimo žingsniams. Bet kokia žala, padaryta kiekviename procese, gali turėti tam tikrą paveldimumą, perkelti į kitą procesą ir pagaliau paveikti produkto kokybę. Todėl efektyvi SIC substrato plovimo technologija taip pat patraukia pramonės dėmesį.