Wat is siliciumcarbide kristalgroei?

Naderen van SIC | Het principe van siliciumcarbide kristal groei

In de natuur zijn kristallen overal en hun verdeling en toepassing zijn zeer uitgebreid. En verschillende kristallen hebben verschillende structuren, eigenschappen en voorbereidingsmethoden. Maar hun gemeenschappelijke kenmerk is dat de atomen in het kristal regelmatig zijn gerangschikt en dat het rooster met een specifieke structuur vervolgens wordt gevormd door periodiek stapelen in driedimensionale ruimte. Daarom presenteert het uiterlijk van kristalmaterialen meestal een gewone geometrische vorm.

Siliciumcarbide enkel kristallen substraatmateriaal (hierna SiC -substraat genoemd) is ook een soort kristallijne materialen. Het behoort tot brede bandgap halfgeleidermateriaal en heeft de voordelen van hoogspanningsweerstand, weerstand van hoge temperatuur, hoge frequentie, laag verlies, enz. Het is een basismateriaal voor het bereiden van krachtige elektronische apparaten en microgolf RF-apparaten.

De kristalstructuur van SIC

SIC is een IV-IV-samengesteld halfgeleidermateriaal dat bestaat uit koolstof en silicium in een stoichiometrische verhouding van 1: 1, en de hardheid ervan is de tweede alleen tot diamant.

Zowel koolstof- als siliciumatomen hebben 4 valentie -elektronen, die 4 covalente bindingen kunnen vormen. De basisstructurele eenheid van SIC -kristal, sic tetraëdron, komt voort uit de tetraëdrische binding tussen silicium- en koolstofatomen. Het coördinatienummer van zowel silicium- als koolstofatomen is 4, d.w.z. elk koolstofatoom heeft 4 siliciumatomen eromheen en elk siliciumatoom heeft ook 4 koolstofatomen eromheen.

Als kristalmateriaal heeft SIC -substraat ook het kenmerk van periodiek stapel van atomaire lagen. De SI-C diatomee-lagen worden gestapeld in [0001] richting. Gemeenschappelijke polytypes omvatten 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, enz. Onder hen wordt de stapelsequentie in de volgorde van "ABCB" de 4H Polytype genoemd. Hoewel verschillende polytypes van SIC dezelfde chemische samenstelling hebben, zijn hun fysische eigenschappen, met name de bandgap -breedte, dragermobiliteit en andere kenmerken, heel verschillend. En de eigenschappen van 4H PolyType zijn meer geschikt voor halfgeleidertoepassingen.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

De groeiparameters zoals temperatuur en druk beïnvloeden de stabiliteit van 4H-SIC tijdens het groeiproces aanzienlijk. Daarom moeten de parameters zoals groeimetemperatuur, groeisruk en groeisnelheid nauwkeurig worden geregeld tijdens de preparaat om het single -kristalmateriaal met hoge kwaliteit en uniformiteit te verkrijgen.

Bereidingsmethode van SIC: Fysieke Damp Transport -methode (PVT)

Momenteel zijn de voorbereidingsmethoden van siliciumcarbide de fysische damptransportmethode (PVT), chemische dampafzettingsmethode met hoge temperatuur (HTCVD) en vloeistoffasemethode (LPE). En PVT is een mainstream -methode die geschikt is voor industriële massaproductie.

(a) Een schets van de PVT -groeimethode voor SIC Boules en 

(b) 2D -visualisatie van de PVT -groei om de grote details over de morfologie en de kristalgroei -interface en -omstandigheden in beeld te brengen

Tijdens de PVT -groei wordt SiC -zaadkristal bovenop smeltkroes geplaatst, terwijl het bronmateriaal (sic poeder) onderaan wordt geplaatst. In een afgesloten omgeving met hoge temperatuur en lage druk sublimeert SIC -poeder en transporteert vervolgens omhoog naar de ruimte nabij het zaad onder het effect van temperatuurgradiënt en concentratieverschil. En het zal herkristalliseren na het bereiken van de oververzadigde staat. Via deze methode kunnen de grootte en polytype van SIC -kristal worden geregeld.

De PVT -methode vereist echter het handhaven van geschikte groeiomstandigheden gedurende het gehele groeiproces, anders zal dit leiden tot roosteraandoening en ongewenste defecten vormen. Bovendien wordt de SIC -kristalgroei voltooid in een afgesloten ruimte met beperkte bewakingsmethoden en veel variabelen, dus de controle van het proces is moeilijk.

Het belangrijkste mechanisme om een ​​enkel kristal te laten groeien: stappenstroomgroei

In het proces van het groeien van SIC -kristal door PVT -methode wordt de groei van de stappenstroom beschouwd als het belangrijkste mechanisme om enkele kristallen te vormen. De verdampte SI- en C -atomen zullen bij voorkeur binden met de atomen op het kristaloppervlak bij stappen en knikken, waar ze zullen nucleeren en groeien, zodat elke stap parallel vooruit stroomt. Wanneer de breedte tussen elke stap op het groeioppervlak veel groter is dan het diffusievrije pad van de geadsorbeerde atomen, kan een groot aantal geadsorbeerde atomen agglomereren en het tweedimensionale eiland vormen, dat de stappenstroomgroeimodus zal vernietigen, wat resulteert in de vorming van andere polytypes in plaats van 4H. Daarom is de aanpassing van procesparameters bedoeld om de stapstructuur op het groeioppervlak te regelen, om de vorming van ongewenste polytypes te voorkomen en het doel te bereiken van het verkrijgen van 4H enkele kristalstructuur en uiteindelijk hoogwaardige kristallen te bereiden.

Stapstroomgroei voor sic single crystal

De groei van het kristal is slechts de eerste stap om SiC -substraat van hoge kwaliteit te bereiden. Voordat ze worden gebruikt, moet 4H-SIC ingot een reeks processen doorlopen, zoals snijden, lappen, selecteren, polijsten, schoonmaken en inspecteren. Als een hard maar bros materiaal heeft SIC Single Crystal ook hoge technische vereisten voor de wafelsstappen. Alle schade die in elk proces wordt gegenereerd, kan een bepaalde erfelijkheid hebben, overdrachten naar het volgende proces en uiteindelijk de productkwaliteit beïnvloeden. Daarom trekt de efficiënte wafelstechnologie voor SiC -substraat ook de aandacht van de industrie.