Τι είναι η ανάπτυξη κρυστάλλων καρβιδίου πυριτίου;

Πλησιάζοντας το SIC | Η αρχή της ανάπτυξης κρυστάλλων καρβιδίου πυριτίου

Στη φύση, οι κρύσταλλοι είναι παντού και η κατανομή και η εφαρμογή τους είναι πολύ εκτεταμένες. Και διαφορετικοί κρύσταλλοι έχουν διαφορετικές δομές, ιδιότητες και μεθόδους προετοιμασίας. Αλλά το κοινό χαρακτηριστικό τους είναι ότι τα άτομα στο κρύσταλλο είναι τακτικά διατεταγμένα και το πλέγμα με μια συγκεκριμένη δομή σχηματίζεται στη συνέχεια μέσω περιοδικής στοίβαξης σε τρισδιάστατο χώρο. Επομένως, η εμφάνιση κρυστάλλινων υλικών συνήθως παρουσιάζει ένα κανονικό γεωμετρικό σχήμα.

Το υλικό ενιαίου κρυσταλλικού υποστρώματος του πυριτίου (στο εξής αναφέρεται ως υπόστρωμα SIC) είναι επίσης ένα είδος κρυσταλλικών υλικών. Ανήκει σε ευρύ υλικό ημιαγωγού Bandgap και έχει τα πλεονεκτήματα της αντοχής υψηλής τάσης, της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία, της υψηλής συχνότητας, της χαμηλής απώλειας κλπ. Είναι ένα βασικό υλικό για την παρασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος και συσκευών RF μικροκυμάτων.

Η κρυσταλλική δομή του SIC

Το SIC είναι ένα υλικό ημιαγωγού σύνθετου IV-IV που αποτελείται από άνθρακα και πυρίτιο σε στοιχειομετρική αναλογία 1: 1 και η σκληρότητα του είναι δεύτερη μόνο στο διαμάντι.

Και τα δύο άτομα άνθρακα και πυριτίου έχουν 4 ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία μπορούν να σχηματίσουν 4 ομοιοπολικούς δεσμούς. Η βασική δομική μονάδα του SIC Crystal, SIC Tetrahedron, προκύπτει από την τετραεδρική δέσμευση μεταξύ ατόμων πυριτίου και άνθρακα. Ο αριθμός συντονισμού τόσο των ατόμων πυριτίου όσο και του άνθρακα είναι 4, δηλ. Κάθε άτομο άνθρακα έχει 4 άτομα πυριτίου γύρω του και κάθε άτομο πυρίτιο έχει επίσης 4 άτομα άνθρακα γύρω του.

Ως κρυσταλλικό υλικό, το υπόστρωμα SIC έχει επίσης το χαρακτηριστικό της περιοδικής στοίβαξης ατομικών στρωμάτων. Τα διατομικά στρώματα SI-C στοιβάζονται κατά μήκος της κατεύθυνσης [0001]. Η μικρή διαφορά στην ενέργεια των δεσμών μεταξύ των στρωμάτων, οι διαφορετικοί τρόποι σύνδεσης παράγονται εύκολα μεταξύ των ατομικών στρωμάτων, οδηγώντας σε πάνω από 200 SIC Polytypes. Οι συνήθεις πολυτύποι περιλαμβάνουν 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, κλπ. Μεταξύ αυτών, η ακολουθία στοίβαξης της σειράς "ABCB" ονομάζεται Polytype 4H. Αν και οι διαφορετικοί πολυκύμοι του SIC έχουν την ίδια χημική σύνθεση, οι φυσικές τους ιδιότητες, ειδικά το πλάτος του Bandgap, η κινητικότητα των φορέων και άλλα χαρακτηριστικά είναι αρκετά διαφορετικά. Και οι ιδιότητες του 4Η πολυτύου είναι πιο κατάλληλες για εφαρμογές ημιαγωγών.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Οι παράμετροι ανάπτυξης, όπως η θερμοκρασία και η πίεση, επηρεάζουν σημαντικά τη σταθερότητα του 4H-SIC κατά τη διαδικασία ανάπτυξης. Επομένως, προκειμένου να ληφθεί το απλό κρυσταλλικό υλικό με υψηλή ποιότητα και ομοιομορφία, οι παράμετροι όπως η θερμοκρασία ανάπτυξης, η πίεση ανάπτυξης και ο ρυθμός ανάπτυξης πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια κατά τη διάρκεια της παρασκευής.

Μέθοδος προετοιμασίας του SIC: Μέθοδος μεταφοράς φυσικών ατμών (PVT)

Επί του παρόντος, οι μέθοδοι παρασκευής του καρβιδίου του πυριτίου είναι η μέθοδος φυσικής μεταφοράς ατμών (PVT), η μέθοδος εναπόθεσης χημικών ατμών υψηλής θερμοκρασίας (HTCVD) και η μέθοδος υγρής φάσης (LPE). Και η PVT είναι μια μέθοδος mainstream που είναι κατάλληλη για βιομηχανική μαζική παραγωγή.

(α) ένα σκίτσο της μεθόδου ανάπτυξης PVT για sic boules και 

(β) 2D απεικόνιση της ανάπτυξης PVT για να απεικονίσει τις μεγάλες λεπτομέρειες σχετικά με τη μορφολογία και τη διεπαφή και τις συνθήκες της κρυστάλλου ανάπτυξης

Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης PVT, ο κρύσταλλος SIC σπόρων τοποθετείται στην κορυφή του Crucible, ενώ το υλικό πηγής (σκόνη SIC) τοποθετείται στο κάτω μέρος. Σε ένα κλειστό περιβάλλον με υψηλή θερμοκρασία και χαμηλή πίεση, το SIC σκόνης εξάγει και στη συνέχεια μεταφέρει προς τα πάνω στο χώρο κοντά στον σπόρο κάτω από την επίδραση της διαβάθμισης της θερμοκρασίας και της διαφοράς συγκέντρωσης. Και θα ανακρυσταλλοποιηθεί αφού φτάσει στην υπερκορεσμένη κατάσταση. Μέσω αυτής της μεθόδου, μπορεί να ελεγχθεί το μέγεθος και ο πολυείλος του Sic Crystal.

Ωστόσο, η μέθοδος PVT απαιτεί τη διατήρηση των κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης σε όλη τη διαδικασία ανάπτυξης, διαφορετικά θα οδηγήσει σε διαταραχή πλέγματος και να σχηματίσει ανεπιθύμητα ελαττώματα. Εκτός αυτού, η ανάπτυξη των κρυστάλλων SIC ολοκληρώνεται σε κλειστό χώρο με περιορισμένες μεθόδους παρακολούθησης και πολλές μεταβλητές, οπότε ο έλεγχος της διαδικασίας είναι δύσκολος.

Ο κύριος μηχανισμός για την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου: ανάπτυξη ροής βημάτων

Στη διαδικασία της καλλιέργειας κρυστάλλου SIC με τη μέθοδο PVT, η ανάπτυξη της ροής βημάτων θεωρείται ως ο κύριος μηχανισμός για τη σχηματισμό μεμονωμένων κρυστάλλων. Τα ατονικά άτομα Si και C θα συνδέονται κατά προτίμηση με τα άτομα στην κρυστάλλινη επιφάνεια σε βήματα και συσσωρεύσεις, όπου θα πυρπολούν και θα αναπτυχθούν, έτσι ώστε κάθε βήμα να ρέει προς τα εμπρός παράλληλα. Όταν το πλάτος μεταξύ κάθε βήματος στην επιφάνεια ανάπτυξης είναι πολύ μεγαλύτερο από την διαδρομή χωρίς διάχυση των προσροφημένων ατόμων, ένας μεγάλος αριθμός προσροφημένων ατόμων μπορεί να συσσωρευτεί και να σχηματίσει το δισδιάστατο νησί, το οποίο θα καταστρέψει τον τρόπο ανάπτυξης βημάτων, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό άλλων πολυτύων αντί του 4Η. Ως εκ τούτου, η προσαρμογή των παραμέτρων της διεργασίας στοχεύει στον έλεγχο της δομής βημάτων στην επιφάνεια ανάπτυξης, έτσι ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός ανεπιθύμητων πολυτύπων και να επιτευχθεί ο στόχος της λήψης 4H μονής κρυσταλλικής δομής και τελικά στην προετοιμασία κρυστάλλων υψηλής ποιότητας.

Ανάπτυξη ροής βημάτων για SIC Single Crystal

Η ανάπτυξη του κρυστάλλου είναι μόνο το πρώτο βήμα για την προετοιμασία του υποστρώματος SIC υψηλής ποιότητας. Πριν από τη χρήση, το 4H-SIC Ingot πρέπει να περάσει από μια σειρά από διαδικασίες, όπως τεμαχισμό, κτύπημα, λοξή, στίλβωση, καθαρισμός και επιθεώρηση. Ως σκληρό αλλά εύθραυστο υλικό, το SIC Single Crystal έχει επίσης υψηλές τεχνικές απαιτήσεις για τα βήματα πλακιδίων. Οποιαδήποτε ζημιά που προκαλείται σε κάθε διαδικασία μπορεί να έχει ορισμένη κληρονομικότητα, να μεταφέρει στην επόμενη διαδικασία και τελικά να επηρεάσει την ποιότητα του προϊόντος. Ως εκ τούτου, η αποτελεσματική τεχνολογία πλακιδίων για το υπόστρωμα SIC προσελκύει επίσης την προσοχή της βιομηχανίας.