Что такое рост кристаллов карбида кремния?

Приближаясь к sic | Принцип роста кристаллов карбида кремния

В природе кристаллы повсюду, а их распределение и применение очень обширны. И разные кристаллы имеют разные структуры, свойства и методы подготовки. Но их общая особенность заключается в том, что атомы в кристалле регулярно расположены, а затем решетка с определенной структурой образуется посредством периодической укладки в трехмерном пространстве. Следовательно, появление кристаллических материалов обычно представляет собой обычную геометрическую форму.

Силиконовый карбид монокристаллического субстрата (далее именуемый SIC -субстрат) также является своего рода кристаллическими материалами. Он принадлежит к широкополосной полупроводниковой материале и имеет преимущества высокого сопротивления напряжения, высокой температурной сопротивления, высокой частоты, низких потерь и т. Д. Это основной материал для приготовления мощных электронных устройств и микроволновых RF-устройств.

Кристаллическая структура SIC

SIC представляет собой соединенный полупроводниковый материал IV-IV, состоящий из углерода и кремния в стехиометрическом соотношении 1: 1, а его твердость уступает только алмазу.

И атомы углерода и кремния имеют 4 валентные электроны, которые могут образовывать 4 ковалентные связи. Основная структурная единица кристалла SIC, SIC Tetrahedron, возникает из тетраэдрической связи между атомами кремния и углерода. Координационное количество атомов кремния и углерода составляет 4, то есть каждый атом углерода имеет 4 атома кремния вокруг него, и вокруг него также есть 4 атома углерода.

В качестве кристаллического материала субстрат SIC также имеет характеристику периодической укладки атомных слоев. Диатомные слои Si-C складываются вдоль направления [0001]. Обычные политипы включают 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC и т. Д. Среди них последовательность укладки в порядке «ABCB» называется политипом 4H. Хотя различные политипы SIC имеют одинаковую химическую композицию, их физические свойства, особенно ширина полосовой зоны, подвижность носителей и другие характеристики совершенно разные. И свойства 4H Polytype более подходят для полупроводниковых применений.

2H-SIC

4H-SIC

6h-sic

Параметры роста, такие как температура и давление, значительно влияют на стабильность 4H-SIC в процессе роста. Следовательно, чтобы получить монокристаллический материал с высоким качеством и однородности, параметры, такие как температура роста, давление роста и скорость роста, должны точно контролировать во время подготовки.

Метод подготовки SIC: физический метод транспорта пара (Pvt)

В настоящее время методами приготовления кремниевого карбида являются метод физического транспорта пара (PVT) ， метод высокотемпературного химического осаждения пара (HTCVD) и метод жидкой фазы (LPE). И PVT является основным методом, который подходит для промышленного массового производства.

(а) эскиз метода роста PVT для SIC Boules и 

(б) 2D визуализация роста PVT, чтобы представить отличные детали о морфологии и границе раздела и условия роста кристаллов

Во время роста PVT кристалл семян SIC помещается на вершину тигбла, в то время как исходный материал (порошок SIC) помещается в нижнюю часть. В закрытой среде с высокой температурой и низким давлением порошковой порошок подсобликает, а затем переносится вверх в пространство вблизи семян под влиянием градиента температуры и разности концентраций. И он будет перекристаллизоваться после достижения перенасыщенного состояния. С помощью этого метода можно контролировать размер и политип кристалла SIC.

Тем не менее, метод PVT требует поддержания соответствующих условий роста на протяжении всего процесса роста, в противном случае он приведет к расстройству решетки и формирует нежелательные дефекты. Кроме того, рост кристаллов SIC завершается в закрытом пространстве с ограниченными методами мониторинга и многими переменными, таким образом, контроль процесса затруднен.

Основной механизм выращивания монокристаллов: рост пошагового потока

В процессе выращивания кристалла SIC методом PVT рост пошагового потока рассматривается как основной механизм с образованием монокристаллов. Атомы испаренного Si и C будут преимущественно связываться с атомами на поверхности кристалла на ступеньках и изломах, где они будут зародить и расти, так что каждый шаг течет вперед параллельно. Когда ширина между каждым шагом на поверхности роста намного больше, чем диффузионный свободный путь адсорбированных атомов, большое количество адсорбированных атомов может агломерат и образовывать двумерный остров, который разрушит режим роста пошагового потока, что приведет к образованию других политипов вместо 4 часов. Следовательно, корректировка параметров процесса направлена ​​на то, чтобы контролировать этап-структуру на поверхности роста, чтобы предотвратить образование нежелательных политипов и достичь цели получения 4H монокристаллической структуры и, наконец, подготовки высококачественных кристаллов.

Шаг рост потока для монокристалля SIC

Рост кристалла является лишь первым шагом для подготовки высококачественного субстрата SIC. Перед использованием, 4H-SIC Sinot должен пройти через серию процессов, таких как нарезка, утилизация, скопление, полировка, очистка и осмотр. Как жесткий, но хрупкий материал, монокристалл SIC также имеет высокие технические требования для стадий пластин. Любой ущерб, нанесенный в каждом процессе, может иметь определенную наследственность, переносится на следующий процесс и, наконец, влияет на качество продукта. Следовательно, эффективная технология пластин для субстрата SIC также привлекает внимание отрасли.