Kaj je rast kristalov iz silicijevega karbida?

Približevanje SiC | Načelo rasti kristalov silicijevega karbida

V naravi so kristali povsod, njihova razširjenost in uporaba pa sta zelo široki. In različni kristali imajo različne strukture, lastnosti in metode priprave. Njihova skupna lastnost pa je, da so atomi v kristalu pravilno razporejeni, s periodičnim zlaganjem v tridimenzionalnem prostoru pa nato nastane mreža s specifično strukturo. Zato videz kristalnih materialov običajno predstavlja pravilno geometrijsko obliko.

Silicijev karbid monokristalni substrat (v nadaljevanju SiC substrat) je prav tako neke vrste kristalni material. Spada med polprevodniške materiale s širokim pasovnim razmakom in ima prednosti visokonapetostne odpornosti, visoke temperaturne odpornosti, visoke frekvence, nizke izgube itd. Je osnovni material za pripravo visokozmogljivih elektronskih naprav in mikrovalovnih RF naprav.

Kristalna struktura SiC

SiC je sestavljeni polprevodniški material IV-IV, sestavljen iz ogljika in silicija v stehiometričnem razmerju 1:1, njegova trdota pa je takoj za diamantom.

Atomi ogljika in silicija imajo 4 valenčne elektrone, ki lahko tvorijo 4 kovalentne vezi. Osnovna strukturna enota kristala SiC, tetraeder SiC, izhaja iz tetraedrske vezi med atomi silicija in ogljika. Koordinacijsko število atomov silicija in ogljika je 4, kar pomeni, da ima vsak atom ogljika okoli sebe 4 atome silicija in vsak atom silicija ima okoli sebe tudi 4 atome ogljika.

Kot kristalni material ima substrat SiC tudi značilnost periodičnega zlaganja atomskih plasti. Dvoatomske plasti Si-C so zložene vzdolž smeri [0001]. Zaradi majhne razlike v energiji vezi med plastmi se med atomskimi plastmi zlahka ustvarijo različni načini povezave, kar vodi do več kot 200 politipov SiC. Pogosti politipi vključujejo 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC itd. Med njimi se zaporedje zlaganja v vrstnem redu "ABCB" imenuje politip 4H. Čeprav imajo različni politipi SiC enako kemijsko sestavo, so njihove fizikalne lastnosti, zlasti širina pasovne vrzeli, mobilnost nosilca in druge značilnosti precej različne. Lastnosti politipa 4H so primernejše za uporabo v polprevodnikih.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SiC

Parametri rasti, kot sta temperatura in tlak, pomembno vplivajo na stabilnost 4H-SiC med procesom rasti. Zato je treba med pripravo natančno nadzorovati parametre, kot so rastna temperatura, rastni tlak in hitrost rasti, da bi dobili monokristalni material z visoko kakovostjo in enotnostjo.

Metoda priprave SiC: fizična metoda transporta hlapov (PVT)

Trenutno so metode priprave silicijevega karbida fizična metoda prenosa hlapov (PVT), metoda kemičnega nanašanja z visoko temperaturo (HTCVD) in metoda tekoče faze (LPE). In PVT je običajna metoda, ki je primerna za industrijsko masovno proizvodnjo.

(a) Skica metode rasti PVT za krogle SiC in 

(b) 2D vizualizacija rasti PVT za prikaz velikih podrobnosti o morfologiji ter vmesniku in pogojih rasti kristalov

Med rastjo PVT se kalilni kristal SiC postavi na vrh lončka, medtem ko se izvorni material (prašek SiC) postavi na dno. V zaprtem okolju z visoko temperaturo in nizkim tlakom prah SiC sublimira in se nato prenese navzgor v prostor blizu semena pod vplivom temperaturnega gradienta in koncentracijske razlike. In rekristaliziral se bo, ko bo dosegel prenasičeno stanje. S to metodo je mogoče nadzorovati velikost in politip kristala SiC.

Vendar metoda PVT zahteva vzdrževanje ustreznih rastnih pogojev skozi celoten proces rasti, sicer bo povzročila nered v mreži in oblikovala neželene napake. Poleg tega je rast kristalov SiC končana v zaprtem prostoru z omejenimi metodami spremljanja in številnimi spremenljivkami, zato je nadzor procesa težaven.

Glavni mehanizem za rast monokristala: Stopenjska rast

V procesu gojenja kristala SiC z metodo PVT se stopenjska rast toka šteje za glavni mehanizem za tvorbo monokristalov. Uparjeni atomi Si in C se bodo prednostno vezali na atome na površini kristala na stopnicah in pregibih, kjer bodo nukleirali in rasli, tako da vsak korak teče naprej vzporedno. Ko je širina med vsakim korakom na rastni površini veliko večja od difuzijske proste poti adsorbiranih atomov, se lahko veliko število adsorbiranih atomov aglomerira in tvori dvodimenzionalni otok, kar bo uničilo način rasti stopenjskega toka, kar povzroči pri tvorbi drugih politipov namesto 4H. Zato je cilj prilagajanja procesnih parametrov nadzor stopničaste strukture na rastni površini, da se prepreči nastanek neželenih politipov in doseže cilj pridobitve monokristalne strukture 4H ter končno priprava visokokakovostnih kristalov.

Stopenjska rast pretoka za sic monokristal

Rast kristala je le prvi korak za pripravo visokokakovostnega SiC substrata. Preden se uporabi, mora ingot 4H-SiC skozi vrsto postopkov, kot so rezanje, lepanje, poševni rez, poliranje, čiščenje in pregled. Kot trd, a krhek material ima monokristal SiC tudi visoke tehnične zahteve za korake rezanja. Kakršna koli škoda, ki nastane v vsakem procesu, ima lahko določeno dednost, se prenese na naslednji proces in končno vpliva na kakovost izdelka. Zato učinkovita tehnologija rezin za SiC substrat pritegne tudi pozornost industrije.