Mi az a szilícium -karbid kristálynövekedés?

Közeledő SIC | A szilícium -karbid kristálynövekedés alapelve

A természetben a kristályok mindenütt megtalálhatók, és eloszlásuk és alkalmazásuk nagyon kiterjedt. És a különböző kristályok különböző struktúrákkal, tulajdonságokkal és előkészítési módszerekkel rendelkeznek. De közös vonása az, hogy a kristályban lévő atomok rendszeresen vannak elrendezve, és egy adott szerkezetű rácsot ezután a háromdimenziós térben történő periodikus egymásra helyezés révén alakítják ki. Ezért a kristályanyagok megjelenése általában rendszeres geometriai alakot mutat.

A szilícium -karbid egykristályos szubsztrát anyag (a továbbiakban: SIC szubsztrát) szintén egyfajta kristályos anyag. Széles sávú félvezető anyaghoz tartozik, és a nagy feszültség ellenállás, a magas hőmérséklet-ellenállás, a magas frekvenciájú, az alacsony veszteség stb. Előnyeivel rendelkezik. Ez alapvető anyag a nagy teljesítményű elektronikus eszközök és a mikrohullámú RF eszközök előkészítéséhez.

A SIC kristályszerkezete

A SIC egy IV-IV összetett félvezető anyag, amely szénből és szilikonból áll, 1: 1 sztöchiometrikus arányban, és keménysége csak a gyémánthoz képest.

Mind a szén, mind a szilíciumatomok 4 valencia elektronnal rendelkeznek, amelyek 4 kovalens kötést képezhetnek. A SIC kristály, a SIC -tetraédron alapvető szerkezeti egysége a szilícium és a szénatomok közötti tetraéderes kötésből fakad. Mind a szilícium, mind a szénatomok koordinációs száma 4, azaz minden szénatom körül 4 szilíciumatom van, és minden szilícium atomnak 4 szénatomja is van.

Kristályanyagként a SIC szubsztrát az atomrétegek periodikus halmozására is jellemző. Az Si-C diatómikus rétegeket a [0001] irányba rakják. A közönséges poliitikusok közé tartozik a 2H-SIC, a 3C-SIC, a 4H-SIC, a 6H-SIC, a 15R-SIC stb. Noha a SIC különböző poliilitjainak különböző kémiai összetétele van, fizikai tulajdonságaik, különösen a sávszélesség szélessége, a hordozó mobilitása és más tulajdonságai meglehetősen eltérőek. És a 4H poliTIPE tulajdonságai jobban alkalmasak félvezető alkalmazásokra.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

A növekedési paraméterek, például a hőmérséklet és a nyomás jelentősen befolyásolják a 4H-SIC stabilitását a növekedési folyamat során. Ezért ahhoz, hogy a kiváló minőségű és egységességű egykristályú anyagot megkapjuk, az előkészítés során pontosan ellenőrizni kell a paramétereket, például a növekedési hőmérsékletet, a növekedési nyomást és a növekedési sebességet.

A SIC előkészítési módja: Fizikai gőz szállítási módszer (PVT)

Jelenleg a szilícium -karbid előkészítési módszerei a fizikai gőz transzport módszer (PVT), a magas hőmérsékletű kémiai gőzlerakódási módszer (HTCVD) és a folyadékfázisú módszer (LPE). És a PVT egy mainstream módszer, amely alkalmas ipari tömegtermelésre.

(a) A PVT növekedési módszer vázlata a SIC -boules és 

(B) A PVT növekedésének 2D megjelenítése a morfológiáról, a kristálynövekedési interfészről és a körülményekről szóló nagyszerű részletek ábrázolásához

A PVT növekedése során a SIC magkristályt a tégely tetejére helyezik, míg a forrásanyagot (SIC por) az aljára helyezik. A magas hőmérsékletű és alacsony nyomású zárt környezetben a SIC por szublimálódik, majd a hőmérséklet -gradiens és a koncentráció különbségének következtében felfelé szállítja a vetőmag közelében lévő térbe. És átkristályosodni fog a túltelített állapot elérése után. Ezen módszer révén a SIC kristály méretét és poliitikusát lehet szabályozni.

A PVT módszer azonban megköveteli a megfelelő növekedési feltételek fenntartását a teljes növekedési folyamat során, különben rácsos rendellenességhez és nem kívánt hibákhoz vezet. Ezenkívül a SIC kristálynövekedés egy zárt térben fejeződik be, korlátozott megfigyelési módszerekkel és sok változóval, így a folyamat irányítása nehéz.

Az egykristály növekedésének fő mechanizmusa: lépés áramlás növekedése

A SIC kristály PVT módszerrel történő növekedésének folyamatában a lépésáram növekedését tekintik az egykristályok kialakulásának fő mechanizmusa. A párologtatott Si és C atomok elsősorban a kristály felületén lévő atomokhoz kötődnek a lépcsőn és a rokonoknál, ahol nukleálódnak és növekednek, így minden lépés párhuzamosan előrehalad. Ha a növekedési felület egyes lépései közötti szélesség jóval nagyobb, mint az adszorbeált atomok diffúziós szabad útja, akkor számos adszorbeált atom agglomerálhat, és a kétdimenziós szigetet képezheti, amely elpusztítja a lépésáram növekedési módját, ami más politypák képződését eredményezi 4H helyett. Ezért a folyamatparaméterek beállítása célja a lépés szerkezetének a növekedési felületen történő szabályozása, hogy megakadályozzák a nem kívánt poliitikusok képződését, és elérjék a 4 órás egykristályszerkezet előállításának célját, és végül kiváló minőségű kristályokat készítsenek.

Lépésáramlás növekedése a SIC egyetlen kristályához

A kristály növekedése csak az első lépés a kiváló minőségű SIC szubsztrát elkészítéséhez. Használat előtt a 4H-SIC Ingotnak olyan folyamatok sorozatán kell átmennie, mint a szeletelés, a csapás, a ferde, a polírozás, a tisztítás és az ellenőrzés. Kemény, de törékeny anyagként a SIC egykristálynak is magas műszaki követelményei vannak a ostya lépéseire. Az egyes eljárások során előforduló károk bizonyos örökséggel rendelkezhetnek, átjuthatnak a következő folyamatba, és végül befolyásolhatják a termék minőségét. Ezért a SIC szubsztrát hatékony ostya technológiája szintén vonzza az ipar figyelmét.