Що таке ріст кристала карбіду кремнію?

Наближаючись до SIC | Принцип росту кристалів карбіду кремнію

У природі кристали є скрізь, а їх розповсюдження та застосування дуже великі. А різні кристали мають різні структури, властивості та методи підготовки. Але їх поширена особливість полягає в тому, що атоми в кристалі регулярно розташовані, а решітки з певною структурою потім утворюються через періодичне укладання в тривимірному просторі. Тому поява кристалічних матеріалів зазвичай представляє звичайну геометричну форму.

Силіконовий карбідний матеріал монокристалічного субстрату (далі - субстрат SIC) також є своєрідним кристалічним матеріалами. Він належить до широкого напівпровідникового матеріалу пропускної смуги і має переваги високої напруги, високої температурної стійкості, високої частоти, низьких втрат тощо. Це основний матеріал для підготовки електронних пристроїв високої потужності та мікрохвильових пристроїв РФ.

Кристалічна структура SIC

SIC-це напівпровідниковий матеріал IV-IV, що складається з вуглецю та кремнію в стехіометричному співвідношенні 1: 1, і його твердість поступається лише алмазу.

Як атоми вуглецю, так і кремнію мають 4 валентні електрони, які можуть утворювати 4 ковалентні зв’язки. Основна структурна одиниця кристала SIC, тетраедр SIC, виникає з тетраедричного зв’язку між кремнієвими та атомами вуглецю. Координаційне число як кремнієвих, так і атомів вуглецю становить 4, тобто кожен атом вуглецю має 4 атоми кремнію, і кожен атом кремнію також має 4 атоми вуглецю.

Як кристалічний матеріал, підкладка SIC також має характерне періодичне укладання атомних шарів. Діатомічні шари Si-C складаються вздовж [0001] напрямку. До числа невеликої різниці енергії зв’язку між шарами, між атомними шарами легко генеруються різні режими з'єднання, що призводить до понад 200 політипів SIC. Поширені політипи включають 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC тощо. Хоча різні політипи SIC мають однаковий хімічний склад, їх фізичні властивості, особливо ширина пропускної смуги, рухливість носія та інші характеристики зовсім інші. І властивості 4H політипу є більш підходящими для напівпровідникових застосувань.

2H-SIC

4H-SIC

6 год

Параметри росту, такі як температура та тиск, значно впливають на стабільність 4H-SIC під час процесу росту. Отже, для отримання монокристалічного матеріалу з високою якістю та рівномірністю, такі параметри, як температура росту, тиск росту та швидкість росту, повинні точно контролюватися під час підготовки.

Метод підготовки SIC: метод фізичного транспорту пари (PVT)

В даний час методи підготовки карбіду кремнію - це метод фізичного транспорту пари (ПВТ) ， метод високотемпературної хімічної осадження пари (HTCVD) та метод рідкої фази (LPE). А PVT - це основний метод, який підходить для виробництва промислової маси.

(a) Ескіз методу зростання ПВТ для SIC Boules та 

(b) 2D візуалізація зростання ПВТ для зображення великих деталей про морфологію та інтерфейс росту кристалів та умови

Під час росту ПВТ кристал насіння SIC розміщується у верхній частині тиглі, тоді як вихідний матеріал (порошок SIC) розміщується внизу. У закритому середовищі з високою температурою та низьким тиском порошку SIC сублімує, а потім транспортується вгору до простору біля насіння під впливом температурної градієнта та різниці концентрацій. І це буде перекристалізуватися після досягнення перенасиченого стану. За допомогою цього методу можна керувати розмір та політип кристала SIC.

Однак метод ПВТ вимагає підтримки відповідних умов росту протягом усього процесу росту, інакше це призведе до розладу решітки та утворення небажаних дефектів. Крім того, зростання кристалів SIC завершується у закритому просторі з обмеженими методами моніторингу та багатьма змінними, тому контроль процесу складно.

Основний механізм вирощування монокристала: ріст кроків

У процесі вирощування кристала SIC методом ПВТ ріст кроку вважається основним механізмом для формування монокристалів. Парафіковані атоми СІ та С переважно пов'язуватимуться з атомами на поверхні кристала на стадіях і перегинах, де вони будуть нуклеїти і рости, так що кожен крок тече вперед паралельно. Коли ширина між кожним етапом на поверхні росту набагато більша, ніж дифузійний вільний шлях адсорбованих атомів, велика кількість адсорбованих атомів може агломерувати і утворювати двовимірний острів, який знищить режим росту ступеня, що призводить до утворення інших політипів замість 4 год. Тому коригування параметрів процесу має на меті контролювати структуру кроку на поверхні росту, щоб запобігти утворенню небажаних політипів та досягти мети отримання одноразової структури 4H та, нарешті, підготовки високоякісних кристалів.

Зростання кроків для монокристала SIC

Зростання кристала - це лише перший крок для підготовки високоякісної субстрату SIC. Перш ніж використовувати, 4H-SIC Intot повинен пройти ряд процесів, таких як нарізка, плескання, скошіння, полірування, очищення та огляд. Як жорсткий, але крихкий матеріал, монокристал SIC також має високі технічні вимоги до кроків для підвищення кваліфікації. Будь -які пошкодження, отримані в кожному процесі, може мати певну спадковість, перехід до наступного процесу і, нарешті, впливати на якість продукції. Тому ефективна технологія для надання підприємств SIC також привертає увагу галузі.