Čo je rast kryštálových kryštálov kremíka?

Blížiac sa k SIC | Princíp rastu kryštálových kryštálov kremíka

V prírode sú kryštály všade a ich distribúcia a aplikácia sú veľmi rozsiahle. A rôzne kryštály majú rôzne štruktúry, vlastnosti a metódy prípravy. Ich spoločnou črtou je však to, že atómy v kryštáli sú pravidelne usporiadané a mriežka so špecifickou štruktúrou sa potom vytvára periodickým stohovaním v trojrozmernom priestore. Vzhľad kryštálových materiálov preto zvyčajne predstavuje pravidelný geometrický tvar.

Kremíkový karbidový substrátový materiál s jedným kryštalickým substrátom (ďalej len substrát SIC) je tiež druh kryštalických materiálov. Patrí do širokého bandgap polovodičového materiálu a má výhody vysokého odporu napätia, vysokého teplotného odporu, vysokej frekvencie, nízkej straty atď. Je to základný materiál na prípravu vysoko výkonných elektronických zariadení a mikrovlnných RF zariadení.

Kryštálová štruktúra SIC

SIC je polovodičový materiál zlúčeniny IV-IV zložený z uhlíka a kremíka v stechiometrickom pomere 1: 1 a jeho tvrdosť je druhá iba na diamant.

Atómy uhlíka aj kremíka majú 4 valenčné elektróny, ktoré môžu tvoriť 4 kovalentné väzby. Základná štrukturálna jednotka SIC Crystal, SIC Tetrahedron, vychádza z tetraedrálnej väzby medzi atómami kremíka a uhlíka. Koordinačný počet atómov kremíka a uhlíka je 4, t. J. Každý atóm uhlíka má okolo neho 4 atómy kremíka a každý atóm kremíka má okolo neho aj 4 atómy uhlíka.

Ako kryštalický materiál má substrát SIC tiež charakteristiku periodického stohovania atómových vrstiev. Diatomické vrstvy SI-C sú naskladané pozdĺž smeru [0001] smerom k malému rozdielu v oblasti väzby medzi vrstvami, medzi atómovými vrstvami sa ľahko generujú rôzne režimy pripojenia, čo vedie k viac ako 200 SIC polytypom. Bežné polytypy zahŕňajú 2H-siC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-siC atď. Medzi nimi sa stohovacia sekvencia v poradí „ABCB“ nazýva 4H polytype. Aj keď rôzne polytypy SIC majú rovnaké chemické zloženie, ich fyzikálne vlastnosti, najmä šírka bandgap, mobilita nosiča a ďalšie vlastnosti sú celkom odlišné. A vlastnosti 4H polytypu sú vhodnejšie pre polovodičové aplikácie.

2h-siC

4H-siC

6h-siC

Rastové parametre, ako je teplota a tlak, významne ovplyvňujú stabilitu 4H-SIC počas procesu rastu. Preto, aby sa dosiahol jednorazový materiál s vysokou kvalitou a jednotnosťou, musia sa parametre, ako je rastová teplota, rastový tlak a rýchlosť rastu, presne regulované počas prípravy.

Metóda prípravy SIC: Metóda prenosu fyzickej pary (PVT)

V súčasnosti sú metódy prípravy karbidu kremíka fyzická metóda transportu pary (PVT) ， metóda ukladania chemickej pary s vysokou teplotou (HTCVD) a metóda kvapalnej fázy (LPE). A PVT je hlavná metóda, ktorá je vhodná na priemyselnú hromadnú výrobu.

a) Náčrt metódy rastu PVT pre SIC GUULS a 

(B) 2D vizualizácia rastu PVT na zobrazenie veľkých detailov o morfológii a rozhraní a podmienkach rastu kryštálov

Počas rastu PVT sa kryštál semien SIC umiestni na vrchol téglika, zatiaľ čo zdrojový materiál (prášok SIC) je umiestnený do dna. V uzavretom prostredí s vysokou teplotou a nízkym tlakom siC práškový sublimuje a potom transportuje smerom nahor do priestoru blízko semien pod účinkom teplotného gradientu a rozdielu koncentrácie. A bude rekryštalizovať po dosiahnutí presýteného stavu. Prostredníctvom tejto metódy je možné kontrolovať veľkosť a polytype kryštálu SIC.

Metóda PVT si však vyžaduje udržiavanie primeraných rastových podmienok počas celého procesu rastu, inak to povedie k poruche mriežky a tvoria nežiaduce defekty. Okrem toho je rast kryštálov SIC dokončený v uzavretom priestore s obmedzenými metódami monitorovania a mnohými premennými, takže kontrola procesu je zložitá.

Hlavný mechanizmus na pestovanie jednovrokov: Rast toku krokov

V procese pestovania kryštálu SIC pomocou metódy PVT sa rast prietoku kroku považuje za hlavný mechanizmus tvorby jednokryštálov. Odparené atómy SI a C sa prednostne viažu s atómami na povrchu kryštálu v schodoch a zlomeniach, kde budú nukleovať a rásť, takže každý krok prúdi paralelne vpred. Keď je šírka medzi každým krokom na rastovom povrchu oveľa väčšia ako voľná cesta bez difúzie adsorbovaných atómov, veľké množstvo adsorbovaných atómov môže aglomerát a vytvárať dvojrozmerný ostrov, ktorý zničí režim rastu krokov, čo vedie k tvorbe iných polytypov namiesto 4H. Cieľom prispôsobenia parametrov procesu je preto riadiť štruktúru kroku na rastovom povrchu, aby sa zabránilo tvorbe nežiaducich polytypov a dosiahli cieľ získania 4H jednotlivých kryštálových štruktúr a nakoniec prípravy vysoko kvalitných kryštálov.

Rast toku kroku pre SIC jednokryštál

Rast kryštálu je iba prvým krokom na prípravu vysoko kvalitného substrátu SIC. Pred použitím 4H-siC Ingot musí prejsť celým radom procesov, ako je krájanie, lapovanie, skosenie, leštenie, čistenie a kontrolovanie. Ako tvrdý, ale krehký materiál má SIC jednodňový kryštál tiež vysoké technické požiadavky na kroky oblátkov. Akékoľvek poškodenie spôsobené v každom procese môže mať určitú dedičnosť, prevody do ďalšieho procesu a nakoniec ovplyvňujú kvalitu produktu. Účinná technológia oblátkov pre substrát SIC preto priťahuje aj pozornosť odvetvia.