Какво представлява растежът на кристали от силициев карбид?

Приближаващ се към sic | Принципът на растежа на кристала на силициевия карбид

В природата кристалите са навсякъде и тяхното разпределение и приложение са много обширни. И различните кристали имат различни структури, свойства и методи за приготвяне. Но тяхната обща характеристика е, че атомите в кристала са редовно подредени, а решетката със специфична структура след това се образува чрез периодично подреждане в триизмерно пространство. Следователно появата на кристални материали обикновено представлява редовна геометрична форма.

Силиконов карбиден материал с единичен кристален субстрат (наричан по -долу SIC субстрат) също е вид кристални материали. Той принадлежи към полупроводниковия материал с широк обхват и има предимствата на високо съпротивление на напрежението, висока температурно съпротивление, висока честота, ниска загуба и др. Това е основен материал за приготвяне на електронни устройства с висока мощност и микровълнови RF устройства.

Кристалната структура на sic

SIC е IV-IV съставен полупроводник, съставен от въглерод и силиций в стехиометрично съотношение 1: 1, а твърдостта му е втора само за диамант.

Както въглеродните, така и силициевите атоми имат 4 валентни електрона, които могат да образуват 4 ковалентни връзки. Основната структурна единица на SIC кристала, SIC Tetrahedron, възниква от тетраедричното свързване между силициеви и въглеродни атоми. Координационният брой както на силициевите, така и на въглеродните атоми е 4, т.е. всеки въглероден атом има 4 силициеви атома около него и всеки силициев атом също има 4 въглеродни атома около него.

Като кристален материал, SIC субстратът също има характеристиката на периодичното подреждане на атомни слоеве. Диатомичните слоеве на Si-C са подредени по посока [0001]. Доставяне към малката разлика в енергията на връзката между слоевете, различни режими на свързване се генерират лесно между атомните слоеве, което води до над 200 SIC политипа. Обикновените политипи включват 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC и т.н. Сред тях последователността на подреждане в реда на „ABCB“ се нарича 4H политип. Въпреки че различните политипи на SIC имат един и същ химичен състав, техните физични свойства, особено ширината на лентата, мобилността на носителите и други характеристики са доста различни. И свойствата на 4H политип са по -подходящи за полупроводникови приложения.

2H-SIC

4H-SIC

6h-sic

Параметрите на растеж като температура и налягане значително влияят на стабилността на 4H-SIC по време на процеса на растеж. Следователно, за да се получи единичен кристален материал с високо качество и равномерност, параметрите като температура на растеж, налягане на растежа и темп на растеж трябва да бъдат прецизно контролирани по време на подготовката.

Метод на подготовка на SIC: Метод на физически пари за транспортиране (PVT)

Понастоящем методите на подготовка на силициев карбид са метод на физически пари за транспортиране (PVT) ， Метод на химическо отлагане на химически пари (HTCVD) и метод на течна фаза (LPE). И PVT е основен метод, който е подходящ за производството на индустриална маса.

а) скица на метода за растеж на PVT за sic були и 

(б) 2D Визуализация на растежа на PVT, за да изобрази страхотните подробности за морфологията и интерфейса на кристалния растеж и условията

По време на растежа на PVT, Crystal на SIC семена се поставя върху горната част на тигела, докато изходният материал (SIC прах) се поставя в дъното. В затворена среда с висока температура и ниско налягане, SIC прах сублимира и след това се транспортира нагоре до пространството в близост до семената при ефекта на температурния градиент и разликата в концентрацията. И ще прекристализира след достигане на свръхнаситото състояние. Чрез този метод могат да бъдат контролирани размерите и политип на SIC кристал.

Методът на PVT обаче изисква поддържане на подходящи условия за растеж през целия процес на растеж, в противен случай това ще доведе до разстройство на решетката и ще образува нежелани дефекти. Освен това растежът на кристалите SIC се завършва в затворено пространство с ограничени методи за наблюдение и много променливи, като по този начин контролът на процеса е труден.

Основният механизъм за растеж на единичен кристал: растеж на потока на стъпката

В процеса на отглеждане на SIC кристал чрез метода на PVT растежът на стъпките се счита за основен механизъм за образуване на единични кристали. Изпарените атоми на Si и C за предпочитане ще се свързват с атомите на кристалната повърхност на стъпала и извивки, където те ще се нуклеят и растат, така че всяка стъпка тече напред паралелно. Когато ширината между всяка стъпка на повърхността на растеж е много по-голяма от дифузионния свободен път на адсорбираните атоми, голям брой адсорбирани атоми могат да агромерат и да образуват двуизмерен остров, който ще унищожи режима на растеж на стъпката, което води до образуването на други политипове вместо 4H. Следователно, регулирането на параметрите на процеса има за цел да контролира структурата на стъпката върху повърхността на растежа, така че да се предотврати образуването на нежелани политипове и да се постигне целта за получаване на 4H единична кристална структура и накрая приготвяне на висококачествени кристали.

Растеж на потока на стъпката за SIC единичен кристал

Растежът на кристала е само първата стъпка за приготвяне на висококачествен SIC субстрат. Преди да бъде използван, 4H-SIC Ingot трябва да премине през серия от процеси като нарязване, прилепване, скосяване, полиране, почистване и инспектиране. Като твърд, но крехък материал, SIC единичен кристал също има високи технически изисквания за стъпващите стъпки. Всяка повреда, генерирана във всеки процес, може да има определена наследственост, прехвърля към следващия процес и накрая да повлияе на качеството на продукта. Следователно, ефективната технология за вафинг за SIC субстрат също привлича вниманието на индустрията.