การเติบโตของคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์คืออะไร?

ใกล้เข้ามา หลักการของการเจริญเติบโตของคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์

ในธรรมชาติคริสตัลมีอยู่ทุกหนทุกแห่งและการกระจายและการใช้งานของพวกเขานั้นกว้างขวางมาก และผลึกที่แตกต่างกันมีโครงสร้างคุณสมบัติและวิธีการเตรียมที่แตกต่างกัน แต่คุณสมบัติทั่วไปของพวกเขาคืออะตอมในคริสตัลถูกจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอและตาข่ายที่มีโครงสร้างเฉพาะจะถูกสร้างขึ้นผ่านการซ้อนเป็นระยะในพื้นที่สามมิติ ดังนั้นการปรากฏตัวของวัสดุคริสตัลมักจะนำเสนอรูปทรงเรขาคณิตปกติ

วัสดุพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์เดี่ยว (ต่อไปนี้จะเรียกว่าสารตั้งต้น SIC) เป็นวัสดุผลึกชนิดหนึ่ง มันเป็นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้างและมีข้อดีของความต้านทานแรงดันสูงความต้านทานอุณหภูมิสูงความถี่สูงการสูญเสียต่ำ ฯลฯ เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงและอุปกรณ์ RF ไมโครเวฟ

โครงสร้างผลึกของ SIC

SIC เป็นวัสดุสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ IV-IV ที่ประกอบด้วยคาร์บอนและซิลิกอนในอัตราส่วน stoichiometric ที่ 1: 1 และความแข็งของมันเป็นอันดับสองของเพชรเท่านั้น

ทั้งอะตอมคาร์บอนและซิลิกอนมีอิเล็กตรอน 4 วาเลนซ์ซึ่งสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ 4 หน่วยโครงสร้างพื้นฐานของผลึก sic, sic tetrahedron เกิดขึ้นจากพันธะ tetrahedral ระหว่างซิลิคอนและอะตอมคาร์บอน จำนวนการประสานงานของทั้งอะตอมซิลิคอนและคาร์บอนคือ 4 คืออะตอมคาร์บอนแต่ละอะตอมมีอะตอมซิลิกอน 4 อะตอมรอบ ๆ และอะตอมซิลิกอนแต่ละตัวก็มีอะตอมคาร์บอน 4 อะตอม

ในฐานะที่เป็นวัสดุคริสตัลสารตั้งต้น SIC ยังมีลักษณะของการซ้อนเป็นระยะของชั้นอะตอม ชั้นไดอะตอมมิก Si-C ถูกซ้อนกันตามทิศทาง [0001] ไปยังความแตกต่างเล็กน้อยในพลังงานพันธะระหว่างเลเยอร์โหมดการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันจะถูกสร้างขึ้นได้อย่างง่ายดายระหว่างชั้นอะตอมซึ่งนำไปสู่ ​​polytypes มากกว่า 200 sic polytypes ทั่วไป ได้แก่ 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC ฯลฯ ในหมู่พวกเขาลำดับการซ้อนกันตามลำดับของ "ABCB" เรียกว่า 4H polytype แม้ว่า polytypes ที่แตกต่างกันของ SIC มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกันคุณสมบัติทางกายภาพของพวกเขาโดยเฉพาะอย่างยิ่งความกว้างของ bandgap การเคลื่อนย้ายของผู้ให้บริการและลักษณะอื่น ๆ ค่อนข้างแตกต่างกัน และคุณสมบัติของ 4H polytype เหมาะสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์

2H-SIC

4H-SIC

6h-sic

พารามิเตอร์การเจริญเติบโตเช่นอุณหภูมิและความดันมีผลต่อความเสถียรของ 4H-SIC อย่างมีนัยสำคัญในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต ดังนั้นเพื่อให้ได้วัสดุผลึกเดี่ยวที่มีคุณภาพสูงและสม่ำเสมอพารามิเตอร์เช่นอุณหภูมิการเจริญเติบโตความดันการเจริญเติบโตและอัตราการเติบโตจะต้องถูกควบคุมอย่างแม่นยำในระหว่างการเตรียมการ

วิธีการเตรียมของ SIC: วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT)

ในปัจจุบันวิธีการเตรียมของซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT)， วิธีการสะสมไอสารเคมีอุณหภูมิสูง (HTCVD) และวิธีเฟสของเหลว (LPE) และ PVT เป็นวิธีการหลักที่เหมาะสำหรับการผลิตมวลอุตสาหกรรม

(a) ภาพร่างของวิธีการเติบโตของ PVT สำหรับ sic boules และ 

(b) การสร้างภาพ 2D ของการเติบโตของ PVT เพื่อให้ภาพรายละเอียดที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาและอินเทอร์เฟซและเงื่อนไขการเจริญเติบโตของคริสตัล

ในระหว่างการเจริญเติบโตของ PVT ผลึก SIC จะถูกวางไว้ที่ด้านบนของเบ้าหลอมในขณะที่วัสดุต้นฉบับ (ผง SIC) อยู่ด้านล่าง ในสภาพแวดล้อมที่ปิดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและความดันต่ำผง SIC จะอ่อนตัวลงแล้วส่งขึ้นไปยังพื้นที่ใกล้กับเมล็ดภายใต้ผลของการไล่ระดับอุณหภูมิและความแตกต่างของความเข้มข้น และมันจะตกผลึกอีกครั้งหลังจากถึงสถานะที่ไม่อิ่มตัว ด้วยวิธีนี้สามารถควบคุมขนาดและ polytype ของคริสตัล SIC ได้

อย่างไรก็ตามวิธี PVT ต้องการการรักษาเงื่อนไขการเติบโตที่เหมาะสมตลอดกระบวนการการเจริญเติบโตทั้งหมดมิฉะนั้นจะนำไปสู่ความผิดปกติของขัดแตะและสร้างข้อบกพร่องที่ไม่พึงประสงค์ นอกจากนี้การเจริญเติบโตของคริสตัล SIC นั้นเสร็จสมบูรณ์ในพื้นที่ที่ปิดล้อมด้วยวิธีการตรวจสอบที่ จำกัด และตัวแปรมากมายดังนั้นการควบคุมกระบวนการจึงยาก

กลไกหลักในการเติบโตผลึกเดี่ยว: การเติบโตของการไหลของขั้นตอน

ในกระบวนการของการปลูกคริสตัล SIC โดยวิธี PVT การเติบโตของการไหลของขั้นตอนถือเป็นกลไกหลักในการสร้างผลึกเดี่ยว อะตอม Si และ C ที่ระเหยกลายเป็นไอจะผูกพันกับอะตอมบนพื้นผิวคริสตัลที่ขั้นตอนและ kinks ซึ่งพวกเขาจะนิวเคลียสและเติบโตเพื่อให้แต่ละขั้นตอนไหลไปข้างหน้าแบบขนาน เมื่อความกว้างระหว่างแต่ละขั้นตอนบนพื้นผิวการเจริญเติบโตนั้นยิ่งใหญ่กว่าเส้นทางที่ปราศจากการแพร่กระจายของอะตอมที่ถูกดูดซับจำนวนอะตอมที่ดูดซับจำนวนมากอาจรวมตัวกันและก่อตัวเป็นเกาะสองมิติซึ่งจะทำลายโหมดการเติบโตของการไหลของขั้นตอน ดังนั้นการปรับพารามิเตอร์กระบวนการมีจุดมุ่งหมายเพื่อควบคุมโครงสร้างขั้นตอนบนพื้นผิวการเจริญเติบโตเพื่อป้องกันการก่อตัวของโพลีไทป์ที่ไม่พึงประสงค์และบรรลุเป้าหมายในการได้รับโครงสร้างผลึกเดี่ยว 4H และในที่สุดก็เตรียมผลึกคุณภาพสูง

การเติบโตของการไหลของขั้นตอนสำหรับผลึกเดี่ยว sic

การเติบโตของคริสตัลเป็นเพียงขั้นตอนแรกในการเตรียมสารตั้งต้น SIC คุณภาพสูง ก่อนที่จะถูกนำมาใช้แล้ว 4H-SIC Ingot จำเป็นต้องผ่านกระบวนการต่างๆเช่นการหั่น, การซัด, เอียง, การขัด, การทำความสะอาดและการตรวจสอบ ในฐานะที่เป็นวัสดุที่แข็ง แต่เปราะคริสตัล SIC Single ยังมีข้อกำหนดทางเทคนิคสูงสำหรับขั้นตอนการทำให้เวเฟอร์ ความเสียหายใด ๆ ที่เกิดขึ้นในแต่ละกระบวนการอาจมีการถ่ายทอดทางพันธุกรรมการถ่ายโอนไปยังกระบวนการต่อไปและในที่สุดก็ส่งผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ดังนั้นเทคโนโลยีเวเฟอร์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับสารตั้งต้น SIC ยังดึงดูดความสนใจของอุตสาหกรรม