Apakah Pertumbuhan Kristal Silicon Carbide?

Mendekati SiC | Prinsip Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida

Secara semula jadi, kristal ada di mana-mana, dan pengedaran dan penggunaannya sangat meluas. Dan kristal yang berbeza mempunyai struktur, sifat dan kaedah penyediaan yang berbeza. Tetapi ciri umum mereka ialah atom-atom dalam kristal disusun secara teratur, dan kekisi dengan struktur tertentu kemudiannya terbentuk melalui susunan berkala dalam ruang tiga dimensi. Oleh itu, penampilan bahan kristal biasanya membentangkan bentuk geometri biasa.

Bahan Substrat Kristal Tunggal Silikon Karbida (selepas ini dirujuk sebagai Substrat SiC) juga merupakan sejenis bahan kristal. Ia tergolong dalam bahan semikonduktor celah jalur lebar, dan mempunyai kelebihan rintangan voltan tinggi, rintangan suhu tinggi, frekuensi tinggi, kehilangan rendah, dll. Ia adalah bahan asas untuk menyediakan peranti elektronik berkuasa tinggi dan peranti RF gelombang mikro.

Struktur Kristal SiC

SiC ialah bahan semikonduktor sebatian IV-IV yang terdiri daripada Karbon dan Silikon dalam nisbah stoikiometrik 1:1, dan kekerasannya adalah yang kedua selepas berlian.

Kedua-dua atom Karbon dan Silikon mempunyai 4 elektron valens, yang boleh membentuk 4 ikatan kovalen. Unit struktur asas kristal SiC, tetrahedron SiC, timbul daripada ikatan tetrahedral antara atom Silikon dan Karbon. Nombor koordinasi kedua-dua atom Silikon dan Karbon ialah 4, iaitu setiap atom Karbon mempunyai 4 atom Silikon di sekelilingnya dan setiap atom Silikon juga mempunyai 4 atom Karbon di sekelilingnya.

Sebagai bahan kristal, Substrat SiC juga mempunyai ciri susunan berkala lapisan atom. Lapisan diatomik Si-C disusun mengikut arah [0001]. Disebabkan perbezaan kecil dalam tenaga ikatan antara lapisan, mod sambungan yang berbeza mudah dijana antara lapisan atom, membawa kepada lebih 200 politaip SiC. Politaip biasa termasuk 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, dan lain-lain. Antaranya, urutan susunan dalam susunan "ABCB" dipanggil politaip 4H. Walaupun politip SiC yang berbeza mempunyai komposisi kimia yang sama, sifat fizikalnya, terutamanya lebar celah jalur, mobiliti pembawa dan ciri-ciri lain agak berbeza. Dan sifat politaip 4H lebih sesuai untuk aplikasi semikonduktor.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SiC

Parameter pertumbuhan seperti suhu dan tekanan sangat mempengaruhi kestabilan 4H-SiC semasa proses pertumbuhan. Oleh itu, untuk mendapatkan bahan kristal tunggal dengan kualiti dan keseragaman yang tinggi, parameter seperti suhu pertumbuhan, tekanan pertumbuhan dan kadar pertumbuhan mesti dikawal dengan tepat semasa penyediaan.

Kaedah Penyediaan SiC: Kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT)

Pada masa ini, kaedah penyediaan Silicon Carbide ialah Kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT), Kaedah Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD), dan Kaedah Fasa Cecair (LPE). Dan PVT adalah kaedah arus perdana yang sesuai untuk pengeluaran besar-besaran industri.

(a) Lakaran kaedah pertumbuhan PVT untuk boule SiC dan 

(b) Visualisasi 2D pertumbuhan PVT untuk menggambarkan butiran hebat tentang morfologi dan antara muka dan keadaan pertumbuhan kristal

Semasa pertumbuhan PVT, kristal benih SiC diletakkan di atas pijar manakala bahan sumber (serbuk SiC) diletakkan di bahagian bawah. Dalam persekitaran tertutup dengan suhu tinggi dan tekanan rendah, serbuk SiC menyublim, dan kemudian mengangkut ke atas ke ruang berhampiran benih di bawah kesan kecerunan suhu dan perbezaan kepekatan. Dan ia akan mengkristal semula selepas mencapai keadaan supertepu. Melalui kaedah ini, saiz dan polytype kristal SiC boleh dikawal.

Walau bagaimanapun, kaedah PVT memerlukan mengekalkan keadaan pertumbuhan yang sesuai sepanjang keseluruhan proses pertumbuhan, jika tidak, ia akan membawa kepada gangguan kekisi dan membentuk kecacatan yang tidak diingini. Selain itu, pertumbuhan kristal SiC diselesaikan dalam ruang tertutup dengan kaedah pemantauan terhad dan banyak pembolehubah, oleh itu kawalan proses adalah sukar.

Mekanisme Utama untuk Mengembangkan Kristal Tunggal: Pertumbuhan Aliran Langkah

Dalam proses pertumbuhan kristal SiC dengan kaedah PVT, pertumbuhan aliran langkah dianggap sebagai mekanisme utama untuk membentuk kristal tunggal. Atom Si dan C yang terwap akan lebih suka terikat dengan atom pada permukaan kristal pada langkah-langkah dan kekusutan, di mana ia akan nukleus dan berkembang, supaya setiap langkah mengalir ke hadapan secara selari. Apabila lebar antara setiap langkah pada permukaan pertumbuhan jauh lebih besar daripada laluan bebas resapan atom terjerap, sebilangan besar atom terjerap mungkin terkumpul, dan membentuk pulau dua dimensi, yang akan memusnahkan mod pertumbuhan aliran langkah, mengakibatkan dalam pembentukan politip lain dan bukannya 4H. Oleh itu, pelarasan parameter proses bertujuan untuk mengawal struktur langkah pada permukaan pertumbuhan, untuk mengelakkan pembentukan polytype yang tidak diingini, dan mencapai matlamat untuk mendapatkan struktur kristal tunggal 4H, dan akhirnya menyediakan kristal berkualiti tinggi.

Pertumbuhan aliran langkah untuk Kristal Tunggal sic

Pertumbuhan kristal hanyalah langkah pertama untuk menyediakan Substrat SiC berkualiti tinggi. Sebelum digunakan, jongkong 4H-SiC perlu melalui beberapa siri proses seperti menghiris, menjilat, menyerong, menggilap, membersihkan dan memeriksa. Sebagai bahan keras tetapi rapuh, kristal tunggal SiC juga mempunyai keperluan teknikal yang tinggi untuk langkah wafering. Sebarang kerosakan yang dijana dalam setiap proses mungkin mempunyai keturunan tertentu, dipindahkan ke proses seterusnya dan akhirnya menjejaskan kualiti produk. Oleh itu, teknologi wafer yang cekap untuk Substrat SiC turut menarik perhatian industri.