Vad är kiselkarbidkristalltillväxt?

Närmar sig sic | Principen om kiselkarbidkristalltillväxt

I naturen finns kristaller överallt, och deras distribution och tillämpning är mycket omfattande. Och olika kristaller har olika strukturer, egenskaper och beredningsmetoder. Men deras gemensamma egenskap är att atomerna i kristallen regelbundet är ordnade, och gitteret med en specifik struktur bildas sedan genom periodisk stapling i tredimensionellt utrymme. Därför presenterar utseendet på kristallmaterial vanligtvis en regelbunden geometrisk form.

Kiselkarbid -enstaka kristallsubstratmaterial (nedan kallad SiC -substrat) är också ett slags kristallina material. Det tillhör bredt bandgap halvledarmaterial och har fördelarna med högspänningsmotstånd, hög temperaturmotstånd, högfrekvens, låg förlust, etc. Det är ett grundläggande material för att förbereda högeffekt elektroniska enheter och mikrovågs-RF-enheter.

SIC: s kristallstruktur

Sic är ett IV-IV-sammansatt halvledarmaterial som består av kol och kisel i ett stökiometriskt förhållande på 1: 1, och dess hårdhet är bara näst diamant.

Både kol- och kiselatomer har 4 valenselektroner, som kan bilda 4 kovalenta bindningar. Den grundläggande strukturella enheten för Sic Crystal, Sic -tetrahedron, uppstår ut ur den tetraedriska bindningen mellan kisel- och kolatomer. Koordinationsantalet för både kisel- och kolatomer är 4, dvs varje kolatom har 4 kiselatomer runt den och varje kiselatom har också 4 kolatomer runt sig.

Som ett kristallmaterial har SIC -substrat också kännetecknet för periodisk stapling av atomlager. De Si-C-diatomiska skikten staplas längs [0001] riktning.da till den lilla skillnaden i bindningsenergi mellan lager, olika anslutningslägen genereras lätt mellan atomlager, vilket leder till över 200 SiC-polytyper. Vanliga polytyper inkluderar 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, etc. Bland dem kallas staplingssekvensen i ordningen "ABCB" 4H-polytypen. Även om olika polytyper av SIC har samma kemiska sammansättning, är deras fysiska egenskaper, särskilt bandgapbredden, bärarmobilitet och andra egenskaper ganska olika. Och egenskaperna hos 4H polytype är mer lämpliga för halvledarapplikationer.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Tillväxtparametrarna såsom temperatur och tryck påverkar signifikant stabiliteten hos 4H-SIC under tillväxtprocessen. Därför måste parametrarna såsom tillväxttemperatur, tillväxttrycket och tillväxthastigheten för att erhålla det enstaka kristallmaterialet med hög kvalitet och enhetlighet.

Förberedelsemetod för SIC: Fysisk ångtransportmetod (PVT)

För närvarande är beredningsmetoderna för kiselkarbid fysisk ångtransportmetod (PVT) ， hög temperaturkemisk ångavlagringsmetod (HTCVD) och vätskefasmetod (LPE). Och PVT är en mainstream -metod som är lämplig för industriell massproduktion.

(a) En skiss av PVT -tillväxtmetoden för Sic Boules och 

(b) 2D -visualisering av PVT -tillväxten för att avbilda de fantastiska detaljerna om morfologin och kristalltillväxtgränssnittet och förhållandena

Under PVT -tillväxt placeras Sic Seed Crystal på toppen av degeln medan källmaterialet (SiC -pulver) placeras i botten. I en sluten miljö med hög temperatur och lågt tryck sublimerar Sic -pulver och transporterar sedan uppåt till utrymmet nära fröet under effekten av temperaturgradient och koncentrationsskillnad. Och det kommer att omkristallisera efter att ha nått det övermättade tillståndet. Genom denna metod kan storleken och polytypen av SiC -kristall kontrolleras.

PVT -metoden kräver emellertid att upprätthålla lämpliga tillväxtförhållanden under hela tillväxtprocessen, annars kommer det att leda till gitterstörning och form oönskade defekter. Dessutom är SIC -kristalltillväxten slutförd i ett slutet utrymme med begränsade övervakningsmetoder och många variabler, och därför är kontrollen av processen svår.

Huvudmekanismen för att växa enkristall: stegflödesväxt

I processen för att växa SIC -kristall med PVT -metod betraktas stegflödesökning som huvudmekanismen för att bilda enstaka kristaller. De förångade Si- och C -atomerna kommer företrädesvis att bindas med atomerna på kristallytan vid trappsteg och kinks, där de kommer att kärna och växa, så att varje steg flyter framåt parallellt. När bredden mellan varje steg på tillväxtytan är mycket större än den diffusionsfria vägen för de adsorberade atomerna, kan ett stort antal adsorberade atomer agglomerat och bilda den tvådimensionella ön, som kommer att förstöra stegflödet tillväxtläge, vilket resulterar i bildning av andra polytyper istället för 4H. Därför syftar justeringen av processparametrar till att kontrollera stegstrukturen på tillväxtytan, för att förhindra bildning av oönskade polytyper och uppnå målet att erhålla 4H enkelkristallstruktur och slutligen framställa högkvalitativa kristaller.

Stegflödesväxt för SIC -enkristall

Kristallens tillväxt är bara det första steget för att framställa SiC -underlag av hög kvalitet. Innan du används måste 4H-Sic Ingot gå igenom en serie processer som skivning, lappning, avfasning, polering, rengöring och inspektion. Som ett hårt men sprött material har SIC Single Crystal också höga tekniska krav för de avskaffande stegen. Alla skador som genereras i varje process kan ha viss ärftlighet, överföringar till nästa process och slutligen påverka produktkvaliteten. Därför lockar den effektiva skivtekniken för SIC -substrat också branschens uppmärksamhet.