Silikon karbür kristal büyümesi nedir?

Yaklaşan SIC | Silikon karbür kristal büyümesi prensibi

Doğada, kristaller her yerdedir ve dağılımları ve uygulamaları çok kapsamlıdır. Ve farklı kristallerin farklı yapıları, özellikleri ve hazırlık yöntemleri vardır. Ancak ortak özellikleri, kristaldeki atomların düzenli olarak düzenlenmesi ve spesifik bir yapıya sahip kafesin üç boyutlu boşlukta periyodik istifleme yoluyla oluşturulmasıdır. Bu nedenle, kristal malzemelerin görünümü genellikle düzenli bir geometrik şekil sunar.

Silikon karbür tek kristal substrat malzemesi (bundan böyle SIC substrat olarak anılacaktır) aynı zamanda bir tür kristal malzemedir. Geniş bant aralığı yarı iletken malzemesine aittir ve yüksek voltaj direnci, yüksek sıcaklık direnci, yüksek frekans, düşük kayıp vb. Avantajlarına sahiptir. Yüksek güçlü elektronik cihazlar ve mikrodalga RF cihazları hazırlamak için temel bir malzemedir.

Sic'in kristal yapısı

SIC, 1: 1 stokiyometrik bir oranda karbon ve silikondan oluşan bir IV-IV bileşik yarı iletken materyalidir ve sertliği sadece elmastan ikincisidir.

Hem karbon hem de silikon atomu, 4 kovalent bağ oluşturabilen 4 değerlik elektronuna sahiptir. SIC kristalinin temel yapısal birimi, sic tetrahedron, silikon ve karbon atomları arasındaki tetrahedral bağdan ortaya çıkar. Hem silikon hem de karbon atomunun koordinasyon sayısı 4'tür, yani her karbon atomunun etrafında 4 silikon atomu vardır ve her silikon atomunun da etrafında 4 karbon atomu vardır.

Kristal bir malzeme olarak, SIC substratı ayrıca atomik tabakaların periyodik istiflenmesinin özelliğine sahiptir. Si-C diatomik katmanları [0001] yön boyunca istiflenir. Katmanlar arasındaki bağ enerjisindeki küçük farka göre, atomik katmanlar arasında farklı bağlantı modları kolayca üretilir ve 200'den fazla sic politipine yol açar. Yaygın politipler, 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, vb. SIC'nin farklı politipleri aynı kimyasal bileşime sahip olmasına rağmen, fiziksel özellikleri, özellikle bant aralığı genişliği, taşıyıcı hareketliliği ve diğer özellikler oldukça farklıdır. Ve 4H politipinin özellikleri yarı iletken uygulamalar için daha uygundur.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Sıcaklık ve basınç gibi büyüme parametreleri, büyüme işlemi sırasında 4H-SIC'nin stabilitesini önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, yüksek kalite ve homojenliğe sahip tek kristal malzemeyi elde etmek için, büyüme sıcaklığı, büyüme basıncı ve büyüme oranı gibi parametreler hazırlık sırasında tam olarak kontrol edilmelidir.

SIC'nin Hazırlık Yöntemi: Fiziksel Buhar Taşıma Yöntemi (PVT)

Şu anda, silikon karbürün hazırlama yöntemleri fiziksel buhar taşıma yöntemi (PVT) ， yüksek sıcaklıklı kimyasal buhar biriktirme yöntemi (HTCVD) ve sıvı faz yöntemi (LPE). Ve PVT, endüstriyel kitle üretimi için uygun olan ana akım bir yöntemdir.

(a) sic boules için PVT büyüme yönteminin bir taslağı ve 

(b) PVT büyümesinin 2D Görselleştirilmesi Morfoloji ve kristal büyüme arayüzü ve koşulları hakkında büyük detaylar

PVT büyümesi sırasında, kaynak malzeme (SIC tozu) dibe yerleştirilirken, sic tohum kristali pota tepesine yerleştirilir. Yüksek sıcaklık ve düşük basınçlı kapalı bir ortamda, SIC tozu süblimleşir ve daha sonra sıcaklık gradyanı ve konsantrasyon farkının etkisi altında tohumun yakınındaki boşluğa yukarı doğru hareket eder. Ve süper doymuş duruma ulaştıktan sonra yeniden kristalleşecektir. Bu yöntem sayesinde, SIC kristalinin boyutu ve politipleri kontrol edilebilir.

Bununla birlikte, PVT yöntemi, tüm büyüme süreci boyunca uygun büyüme koşullarının korunmasını gerektirir, aksi takdirde kafes bozukluğuna yol açar ve istenmeyen kusurlar oluşturur. Ayrıca, SIC kristal büyümesi sınırlı izleme yöntemleri ve birçok değişkenle kapalı bir alanda tamamlanır, bu nedenle işlemin kontrolü zordur.

Tek kristal yetiştirmenin ana mekanizması: adım akışı büyümesi

PVT yöntemi ile büyüyen SIC kristali sürecinde, adım akışı büyümesi, tek kristaller oluşturmak için ana mekanizma olarak kabul edilir. Buharlaştırılmış Si ve C atomları tercihen, nüklelenecekleri ve büyüyecekleri adımlarda ve bükülmede kristal yüzeydeki atomlarla bağlanır, böylece her adım paralel olarak öne doğru akar. Büyüme yüzeyi üzerindeki her adım arasındaki genişlik, adsorbe edilmiş atomların difüzyonsuz yolundan çok daha büyük olduğunda, çok sayıda adsorbe edilmiş atom toplama yapabilir ve adım akışı büyüme modunu yok edecek ve 4H yerine diğer politiplerin oluşumuna neden olacak iki boyutlu adayı oluşturabilir. Bu nedenle, işlem parametrelerinin ayarlanması, istenmeyen politiplerin oluşumunu önlemek ve 4H tek kristal yapı elde etme ve son olarak yüksek kaliteli kristaller hazırlama hedefine ulaşmak için büyüme yüzeyindeki adım yapısını kontrol etmeyi amaçlamaktadır.

SIC tek kristal için adım akışı büyümesi

Kristalin büyümesi, yüksek kaliteli SIC substratı hazırlayan ilk adımdır. Kullanılmadan önce, 4H-SIC Ingot'un dilimleme, alıştırma, eğim, parlatma, temizleme ve denetleme gibi bir dizi işlemden geçmesi gerekir. Sert ama kırılgan bir malzeme olarak, sic tek kristal, gofret adımları için yüksek teknik gereksinimlere sahiptir. Her işlemde üretilen herhangi bir hasarın belirli kalıtımları olabilir, bir sonraki sürece aktarılabilir ve son olarak ürün kalitesini etkileyebilir. Bu nedenle, SIC substratı için verimli gofret teknolojisi de endüstrinin dikkatini çekmektedir.