Apa pertumbuhan kristal silikon karbida?

Mendekati sic | Prinsip pertumbuhan kristal silikon karbida

Di alam, kristal ada di mana -mana, dan distribusi serta aplikasinya sangat luas. Dan kristal yang berbeda memiliki struktur, sifat, dan metode persiapan yang berbeda. Tetapi fitur umum mereka adalah bahwa atom-atom dalam kristal diatur secara teratur, dan kisi dengan struktur tertentu kemudian dibentuk melalui penumpukan periodik dalam ruang tiga dimensi. Oleh karena itu, penampilan bahan kristal biasanya menghadirkan bentuk geometris biasa.

Bahan substrat kristal tunggal silikon karbida (selanjutnya disebut sebagai substrat SiC) juga merupakan jenis bahan kristal. Ini milik bahan semikonduktor pita lebar, dan memiliki keunggulan resistensi tegangan tinggi, resistensi suhu tinggi, frekuensi tinggi, kehilangan rendah, dll. Ini adalah bahan dasar untuk menyiapkan perangkat elektronik daya tinggi dan perangkat RF microwave.

Struktur kristal sic

SIC adalah bahan semikonduktor senyawa IV-IV yang terdiri dari karbon dan silikon dalam rasio stoikiometrik 1: 1, dan kekerasannya berada di urutan kedua setelah berlian.

Baik atom karbon dan silikon memiliki 4 elektron valensi, yang dapat membentuk 4 ikatan kovalen. Unit struktural dasar kristal sic, sic tetrahedron, muncul dari ikatan tetrahedral antara silikon dan atom karbon. Jumlah koordinasi atom silikon dan karbon adalah 4, yaitu setiap atom karbon memiliki 4 atom silikon di sekitarnya dan setiap atom silikon juga memiliki 4 atom karbon di sekitarnya.

Sebagai bahan kristal, substrat SiC juga memiliki karakteristik penumpukan berkala lapisan atom. Lapisan diatomi Si-C ditumpuk di sepanjang arah [0001]. Buat perbedaan kecil dalam energi ikatan antara lapisan, mode koneksi yang berbeda mudah dihasilkan antara lapisan atom, yang mengarah ke lebih dari 200 polytype SiC. Politype umum termasuk 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, dll. Di antaranya, urutan penumpukan dalam urutan "ABCB" disebut polytype 4H. Meskipun polytipe SIC yang berbeda memiliki komposisi kimia yang sama, sifat fisiknya, terutama lebar celah pita, mobilitas pembawa dan karakteristik lainnya sangat berbeda. Dan sifat polytype 4H lebih cocok untuk aplikasi semikonduktor.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Parameter pertumbuhan seperti suhu dan tekanan secara signifikan mempengaruhi stabilitas 4H-SIC selama proses pertumbuhan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan bahan kristal tunggal dengan kualitas dan keseragaman tinggi, parameter seperti suhu pertumbuhan, tekanan pertumbuhan dan laju pertumbuhan harus dikontrol secara tepat selama persiapan.

Metode Persiapan SIC: Metode Transportasi Uap Fisik (PVT)

Saat ini, metode persiapan silikon karbida adalah metode transportasi uap fisik (PVT), metode pengendapan uap kimia suhu tinggi (HTCVD), dan metode fase cair (LPE). Dan PVT adalah metode utama yang cocok untuk produksi massa industri.

(a) Sketsa metode pertumbuhan PVT untuk boule sic dan 

(B) Visualisasi 2D dari pertumbuhan PVT untuk membayangkan detail besar tentang morfologi dan antarmuka dan kondisi pertumbuhan kristal

Selama pertumbuhan PVT, kristal biji sic ditempatkan di bagian atas wadah sementara bahan sumber (bubuk sic) ditempatkan di bagian bawah. Dalam lingkungan tertutup dengan suhu tinggi dan tekanan rendah, bubuk SiC sublimat, dan kemudian mengangkut ke atas ke ruang dekat biji di bawah efek gradien suhu dan perbedaan konsentrasi. Dan itu akan merekristalisasi setelah mencapai keadaan jenuh. Melalui metode ini, ukuran dan polytype kristal SiC dapat dikontrol.

Namun, metode PVT membutuhkan menjaga kondisi pertumbuhan yang tepat di seluruh proses pertumbuhan, jika tidak, ia akan menyebabkan gangguan kisi dan membentuk cacat yang tidak diinginkan. Selain itu, pertumbuhan kristal SIC diselesaikan dalam ruang tertutup dengan metode pemantauan terbatas dan banyak variabel, sehingga kontrol proses sulit.

Mekanisme utama untuk menumbuhkan kristal tunggal: pertumbuhan aliran langkah

Dalam proses tumbuh kristal sic dengan metode PVT, pertumbuhan aliran langkah dianggap sebagai mekanisme utama untuk membentuk kristal tunggal. Atom Si dan C yang diuapkan akan lebih disukai ikatan dengan atom pada permukaan kristal di tangga dan ketegaran, di mana mereka akan nukleasi dan tumbuh, sehingga setiap langkah mengalir ke depan secara paralel. Ketika lebar antara setiap langkah pada permukaan pertumbuhan jauh lebih besar dari jalur bebas difusi atom yang teradsorpsi, sejumlah besar atom yang teradsorpsi dapat menggumpal, dan membentuk pulau dua dimensi, yang akan menghancurkan mode pertumbuhan aliran langkah, yang mengakibatkan pembentukan politype lain, bukan 4 jam. Oleh karena itu, penyesuaian parameter proses bertujuan untuk mengontrol struktur langkah pada permukaan pertumbuhan, sehingga dapat mencegah pembentukan polytype yang tidak diinginkan, dan mencapai tujuan mendapatkan struktur kristal tunggal 4H, dan akhirnya menyiapkan kristal berkualitas tinggi.

Pertumbuhan aliran langkah untuk kristal tunggal SiC

Pertumbuhan kristal hanyalah langkah pertama untuk menyiapkan substrat SiC berkualitas tinggi. Sebelum digunakan, ingot 4H-SIC perlu melalui serangkaian proses seperti mengiris, menjepit, beveling, memoles, membersihkan, dan memeriksa. Sebagai bahan yang keras tetapi rapuh, SIC Single Crystal juga memiliki persyaratan teknis yang tinggi untuk langkah -langkah wafering. Setiap kerusakan yang dihasilkan dalam setiap proses mungkin memiliki keturunan tertentu, transfer ke proses berikutnya dan akhirnya mempengaruhi kualitas produk. Oleh karena itu, teknologi wafering yang efisien untuk substrat SiC juga menarik perhatian industri.