Hvad er siliciumcarbidkrystallvækst?

Nærmer sig Sic | Princippet om siliciumcarbidkrystallvækst

I naturen er krystaller overalt, og deres distribution og anvendelse er meget omfattende. Og forskellige krystaller har forskellige strukturer, egenskaber og forberedelsesmetoder. Men deres fælles træk er, at atomerne i krystallen regelmæssigt er arrangeret, og gitteret med en specifik struktur dannes derefter gennem periodisk stabling i tredimensionelt rum. Derfor præsenterer udseendet af krystalmaterialer normalt en regelmæssig geometrisk form.

Siliciumcarbid -enkeltkrystallsubstratmateriale (i det følgende benævnt SIC -substrat) er også en slags krystallinske materialer. Det hører til bredt bandgap halvledermateriale og har fordelene ved højspændingsmodstand, høj temperaturresistens, højfrekvens, lavt tab osv. Det er et grundlæggende materiale til fremstilling af elektroniske enheder med høj effekt og mikrobølgeovn.

Krystalstrukturen af ​​SIC

SIC er et IV-IV-sammensat halvledermateriale sammensat af kulstof og silicium i et støkiometrisk forhold på 1: 1, og dets hårdhed er kun anden til diamant.

Både carbon- og siliciumatomer har 4 valenselektroner, som kan danne 4 kovalente bindinger. Den grundlæggende strukturelle enhed af SIC -krystal, SIC -tetrahedron, opstår ud af den tetrahedrale binding mellem silicium og carbonatomer. Koordinationsnummeret for både silicium- og carbonatomer er 4, dvs. hvert carbonatom har 4 siliciumatomer omkring det, og hvert siliciumatom har også 4 carbonatomer omkring det.

Som krystalmateriale har SIC -substrat også karakteristisk for periodisk stabling af atomlag. De Si-C-diatomiske lag er stablet langs [0001] retning. Almindelige polytyper inkluderer 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC osv. Blandt dem kaldes stablingssekvensen i rækkefølgen af ​​"ABCB" 4H-polytypen. Selvom forskellige polytyper af SIC har den samme kemiske sammensætning, er deres fysiske egenskaber, især båndbredden, bærermobilitet og andre egenskaber ganske forskellige. Og egenskaberne ved 4H polytype er mere egnede til halvlederanvendelser.

2H-SIC

4H-Sic

6H-Sic

Vækstparametrene såsom temperatur og tryk påvirker stabiliteten af ​​4H-SIC under vækstprocessen. For at opnå det enkelte krystalmateriale med høj kvalitet og ensartethed skal parametrene såsom væksttemperatur, væksttryk og væksthastighed kontrolleres nøjagtigt under præparatet.

Forberedelsesmetode til SIC: Fysisk damptransportmetode (PVT)

På nuværende tidspunkt er fremstillingsmetoderne til siliciumcarbid fysisk damptransportmetode (PVT) ， høj temperatur kemisk dampaflejringsmetode (HTCVD) og flydende fase metode (LPE). Og PVT er en mainstream -metode, der er egnet til industriel masseproduktion.

(a) En skitse af PVT -vækstmetoden for Sic Boules og 

(b) 2D -visualisering af PVT -væksten for at afbilde de store detaljer om morfologien og krystalvækstgrænsefladen og betingelserne

Under PVT -vækst anbringes sic frøkrystall på toppen af ​​digel, mens kildematerialet (sic -pulver) anbringes i bunden. I et lukket miljø med højt temperatur og lavt tryk sublimeres SIC -pulver og transporterer derefter opad til rummet nær frøet under virkningen af ​​temperaturgradient og koncentrationsforskel. Og det vil omkrystallisere efter at have nået den overmættede tilstand. Gennem denne metode kan størrelsen og polytypen af ​​SIC -krystal kontrolleres.

PVT -metoden kræver imidlertid opretholdelse af passende vækstbetingelser gennem hele vækstprocessen, ellers vil den føre til gitterforstyrrelse og danne uønskede defekter. Desuden afsluttes SIC -krystalvæksten i et lukket rum med begrænsede overvågningsmetoder og mange variabler, og derfor er kontrol af processen vanskelig.

Hovedmekanismen til at dyrke en enkelt krystal: trinstrømsvækst

I processen med at dyrke SIC -krystal ved PVT -metode betragtes trinstrømsvækst som den vigtigste mekanisme til dannelse af enkeltkrystaller. De fordampede Si- og C -atomer vil fortrinsvis binde med atomerne på krystaloverfladen ved trin og kninks, hvor de vil nukleat og vokse, så hvert trin strømmer fremad parallelt. Når bredden mellem hvert trin på vækstoverfladen er langt større end den diffusionsfrie sti for de adsorberede atomer, kan et stort antal adsorberede atomer agglomerate og danner den to-dimensionelle ø, som vil ødelægge trinstrømningstilstand, hvilket resulterer i dannelsen af ​​andre polytyper i stedet for 4H. Derfor sigter justeringen af ​​procesparametre at kontrollere trinstrukturen på vækstoverfladen for at forhindre dannelse af uønskede polytyper og nå målet om at opnå 4H-enkelt krystalstruktur og til sidst tilberede krystaller af høj kvalitet.

Trinstrømsvækst for Sic Single Crystal

Væksten af ​​krystallen er bare det første skridt til at fremstille SIC -underlag af høj kvalitet. Før 4H-Sic Ingot skal gennemgå en række processer, såsom skæring, laping, skridt, polering, rengøring og inspektion. Som et hårdt, men sprødt materiale har Sic Single Crystal også høje tekniske krav til skivningstrinnene. Enhver skade, der genereres i hver proces, kan have en vis arvelighed, overførsler til den næste proces og til sidst påvirke produktkvaliteten. Derfor tiltrækker den effektive skivningsteknologi til SIC -substrat også industriens opmærksomhed.