Co je růst krystalů křemíku?

Blížící se SIC | Princip růstu krystalů křemíku karbidu

V přírodě jsou krystaly všude a jejich distribuce a aplikace jsou velmi rozsáhlé. A různé krystaly mají různé struktury, vlastnosti a metody přípravy. Jejich společným rysem je však to, že atomy v krystalu jsou pravidelně uspořádány a mříž se specifickou strukturou se pak vytvoří pravidelným stohováním v trojrozměrném prostoru. Proto vzhled krystalových materiálů obvykle představuje pravidelný geometrický tvar.

Materiál substrátu křemíku karbidu (dále jen jako substrát SIC) je také druh krystalických materiálů. Patří k polovodičovému materiálu širokého bandgapu a má výhody odolnosti proti vysokému napětí, odolnost proti vysoké teplotě, vysokou frekvenci, nízkou ztrátu atd. Jedná se o základní materiál pro přípravu vysoce výkonných elektronických zařízení a mikrovlnných RF zařízeních.

Krystalová struktura sic

SIC je IV-IV složený polovodičový materiál složený z uhlíku a křemíku ve stechiometrickém poměru 1: 1 a jeho tvrdost je na druhém místě pouze s diamantem.

Atomy uhlíku i křemíku mají 4 valenční elektrony, které mohou tvořit 4 kovalentní vazby. Základní strukturální jednotka SIC Crystal, sic tetrahedron, vychází z tetrahedrální vazby mezi křemíkem a atomy uhlíku. Koordinační číslo atomů křemíku a uhlíku je 4, tj. Každý atom uhlíku má kolem sebe 4 atomy křemíku a každý atom křemíku má kolem sebe také 4 atomy uhlíku.

Jako krystalový materiál má substrát SIC také charakteristiku periodického stohování atomových vrstev. Diatomické vrstvy SI-C jsou naskládány podél směru [0001]. Dodržují malý rozdíl v energii vazby mezi vrstvami, různé režimy připojení se snadno generují mezi atomovými vrstvami, což vede k více než 200 polytypům SIC. Mezi běžné polytypy zahrnují 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6HH-SIC, 15R-SIC atd. Mezi nimi se stohovací sekvence v pořadí „ABCB“ nazývá 4H polytyp. Ačkoli různé polytypy SIC mají stejné chemické složení, jejich fyzikální vlastnosti, zejména šířka bandgap, mobilita nosiče a další vlastnosti, jsou zcela odlišné. A vlastnosti 4H polytypu jsou vhodnější pro polovodičové aplikace.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Růstové parametry, jako je teplota a tlak, významně ovlivňují stabilitu 4H-SIC během procesu růstu. Proto, aby se získala jediný krystalový materiál s vysokou kvalitou a uniformitou, musí být parametry, jako je růstová teplota, růstový tlak a rychlost růstu, během přípravy přesně kontrolovány.

Metoda přípravy SIC: Metoda fyzického transportu páry (Pvt)

V současné době jsou metodami přípravy křemíkového karbidu metoda fyzického transportu páry (PVT) ， metoda chemické depozice párů s vysokou teplotou (HTCVD) a metoda kapalné fáze (LPE). A Pvt je hlavní metoda, která je vhodná pro průmyslovou hromadnou výrobu.

a) Náčrt metody růstu PVT pro Bouly SIC a 

(b) 2D vizualizace růstu PVT pro zobrazení velkých detailů o morfologii a rozhraní a podmínkách růstu krystalů

Během růstu PVT je semenný krystal SIC umístěn na horní část kelímku, zatímco zdrojový materiál (prášek SIC) je umístěn na dně. V uzavřeném prostředí s vysokou teplotou a nízkým tlakem sublimatuje prášek sic a poté se přepravuje nahoru do prostoru poblíž semen pod vlivem teplotního gradientu a rozdílu koncentrace. A po dosažení nadřízeného stavu bude rekrystalizovat. Touto metodou lze ovládat velikost a polytyp SIC Crystal.

Metoda PVT však vyžaduje zachování vhodných růstových podmínek v průběhu celého procesu růstu, jinak to povede k poruše mřížky a vytvoří nežádoucí vady. Kromě toho je růst krystalů SIC dokončen v uzavřeném prostoru s omezenými metodami monitorování a mnoha proměnnými, takže kontrola procesu je obtížná.

Hlavní mechanismus pro růst s jedním krystalem: růst toku kroku

V procesu pěstování SIC Crystal metodou PVT je růst krokového toku považován za hlavní mechanismus za vzniku jednotlivých krystalů. Odpařené atomy SI a C se budou přednostně spojit s atomy na povrchu krystalu při schodech a zalomecích, kde budou nukleaci a růst, takže každý krok proudí dopředu paralelně. Když je šířka mezi každým krokem na růstovém povrchu mnohem větší než difúzní cesty adsorbovaných atomů, může se aglomerovat velký počet adsorbovaných atomů a vytvořit dvourozměrný ostrov, který zničí režim růstu kroku, což má za následek tvorbu jiných polytypů místo 4H. Cílem nastavení parametrů procesu je proto kontrolovat strukturu kroku na růstové ploše, aby se zabránilo tvorbě nežádoucích polytypů a dosažení cíle získání 4H jedno krystalové struktury a nakonec přípravu vysoce kvalitních krystalů.

Růst krokového toku pro sic Single Crystal

Růst krystalu je jen prvním krokem k přípravě vysoce kvalitního substrátu SIC. Před použitím musí 4H-SIC Ingot projít řadou procesů, jako je krájení, lapování, zkosení, leštění, čištění a inspekce. Jako tvrdý, ale křehký materiál má SIC Single Crystal také vysoké technické požadavky na kroky s podplaním. Jakékoli poškození generované v každém procesu může mít určitou dědičnost, přenáší do dalšího procesu a nakonec ovlivní kvalitu produktu. Efektivní technologie plazků pro substrát SIC proto také přitahuje pozornost průmyslu.