رشد کریستال کاربید سیلیکون چیست؟

نزدیک شدن به SIC | اصل رشد کریستال کاربید سیلیکون

در طبیعت ، کریستال ها در همه جا هستند و توزیع و کاربرد آنها بسیار گسترده است. و کریستال های مختلف دارای ساختارها ، خواص و روشهای مختلف هستند. اما ویژگی مشترک آنها این است که اتمهای موجود در کریستال مرتباً مرتب می شوند و شبکه با یک ساختار خاص از طریق انباشت دوره ای در فضای سه بعدی شکل می گیرد. بنابراین ، ظاهر مواد کریستالی معمولاً یک شکل هندسی منظم را نشان می دهد.

مواد بستر تک کریستال کاربید سیلیکون (از این پس به عنوان بستر SIC گفته می شود) نیز نوعی مواد کریستالی است. متعلق به مواد نیمه هادی باند گسترده است و مزایای مقاومت در برابر ولتاژ بالا ، مقاومت در برابر دمای بالا ، فرکانس بالا ، از دست دادن کم و غیره را دارد. این ماده اساسی برای تهیه دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا و دستگاه های RF مایکروویو است.

ساختار کریستالی sic

SIC یک ماده نیمه هادی ترکیبی IV-IV است که از کربن و سیلیکون در نسبت استوکیومتری 1: 1 تشکیل شده است و سختی آن فقط برای الماس دوم است.

هر دو اتم کربن و سیلیکون دارای 4 الکترون ظرفیت هستند که می توانند 4 پیوند کووالانسی تشکیل دهند. واحد ساختاری اصلی کریستال SIC ، Tetrahedron sic ، از پیوند چهار ضلعی بین سیلیکون و اتم های کربن ناشی می شود. تعداد هماهنگی اتم های سیلیکون و کربن 4 است ، یعنی هر اتم کربن دارای 4 اتم سیلیکون در اطراف آن است و هر اتم سیلیکون نیز دارای 4 اتم کربن در اطراف آن است.

به عنوان یک ماده کریستالی ، بستر SIC همچنین ویژگی انباشت دوره ای لایه های اتمی را دارد. لایه های دیاتومیک Si-C در امتداد [0001] جهت جمع شده اند. به تفاوت کوچک در انرژی پیوند بین لایه ها ، حالت های اتصال مختلف به راحتی بین لایه های اتمی ایجاد می شوند و منجر به بیش از 200 پلی تیپ SIC می شوند. پلی پلیپ های متداول شامل 2H-SIC ، 3C-SIC ، 4H-SIC ، 6H-SIC ، 15R-SIC و غیره است. در میان آنها ، توالی انباشت به ترتیب "ABCB" پلی تیپ 4H نامیده می شود. اگرچه پلی پلیپ های مختلف SIC دارای ترکیب شیمیایی یکسان هستند ، اما خصوصیات فیزیکی آنها ، به ویژه عرض باند ، تحرک حامل و سایر خصوصیات کاملاً متفاوت است. و خواص پلی تیپ 4H برای برنامه های نیمه هادی مناسب تر است.

2 ساعت

4 ساعت

6 ساعت

پارامترهای رشد مانند دما و فشار به طور قابل توجهی بر پایداری 4H-SIC در طی فرآیند رشد تأثیر می گذارد. بنابراین ، برای به دست آوردن ماده کریستالی منفرد با کیفیت و یکنواختی ، پارامترهایی مانند دمای رشد ، فشار رشد و سرعت رشد باید دقیقاً در طول آماده سازی کنترل شود.

روش آماده سازی SIC: روش حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT)

در حال حاضر ، روش های آماده سازی کاربید سیلیکون روش انتقال بخار فیزیکی (PVT) روش رسوب بخار شیمیایی با درجه حرارت بالا (HTCVD) و روش فاز مایع (LPE) است. و PVT روشی اصلی است که برای تولید انبوه صنعتی مناسب است.

(الف) طرح روش رشد Pvt برای بول های sic و 

(ب) تجسم 2D از رشد PVT برای تصویر کردن جزئیات عالی در مورد مورفولوژی و رابط رشد کریستال و شرایط

در طول رشد PVT ، کریستال بذر SIC در قسمت بالای Crucible قرار می گیرد در حالی که ماده منبع (پودر SIC) در قسمت پایین قرار می گیرد. در یک محیط محصور با دمای بالا و فشار کم ، پودر SIC تصعید می کند و سپس تحت تأثیر گرادیان دما و اختلاف غلظت به سمت بالا به فضای نزدیک بذر منتقل می شود. و پس از رسیدن به حالت اشباع نشده ، مجدداً تبلور می یابد. از طریق این روش می توان اندازه و پلی نوع کریستال SIC را کنترل کرد.

با این حال ، روش PVT نیاز به حفظ شرایط رشد مناسب در کل فرآیند رشد دارد ، در غیر این صورت منجر به اختلال مشبک می شود و نقص های ناخواسته را تشکیل می دهد. علاوه بر این ، رشد کریستال SIC در یک فضای محصور با روش های نظارت محدود و متغیرهای زیادی به پایان می رسد ، بنابراین کنترل فرآیند دشوار است.

مکانیسم اصلی رشد کریستال تک: رشد جریان مرحله

در فرآیند رشد کریستال SIC با روش PVT ، رشد جریان مرحله به عنوان مکانیسم اصلی برای تشکیل کریستال های منفرد در نظر گرفته می شود. اتم های Si و C تبخیر شده ترجیحاً با اتم های موجود در سطح کریستال در پله ها و لگد ها پیوند می خورند ، جایی که آنها هسته می شوند و رشد می کنند ، به طوری که هر مرحله به صورت موازی به جلو جریان می یابد. هنگامی که عرض بین هر مرحله از سطح رشد بسیار بیشتر از مسیر آزاد انتشار اتم های جذب شده باشد ، تعداد زیادی از اتم های جذب شده ممکن است تجمع یافته و جزیره دو بعدی را تشکیل دهند ، که حالت رشد جریان مرحله را از بین می برد و در نتیجه شکل گیری سایر پلی تیترها به جای 4H. بنابراین ، تنظیم پارامترهای فرآیند با هدف کنترل ساختار مرحله بر روی سطح رشد ، به طوری که از تشکیل پلی اتیل های ناخواسته جلوگیری می شود و به هدف دستیابی به ساختار کریستالی تک 4H و در نهایت تهیه کریستال های با کیفیت بالا می رسد.

رشد جریان مرحله برای کریستال تک SIC

رشد کریستال فقط اولین قدم برای تهیه بستر SIC با کیفیت بالا است. قبل از استفاده ، 4H-SIC INGOT باید یک سری فرآیندها مانند برش ، لپ زدن ، بغل کردن ، جلا دادن ، تمیز کردن و بازرسی را طی کند. به عنوان یک ماده سخت اما شکننده ، SIC Single Crystal همچنین نیازهای فنی بالایی برای مراحل ویفر دارد. هرگونه خسارت وارده در هر فرآیند ممکن است وراثت خاصی داشته باشد ، به فرآیند بعدی منتقل شود و در نهایت بر کیفیت محصول تأثیر بگذارد. بنابراین ، فناوری کارآمد ویرایش برای بستر SIC نیز توجه صنعت را به خود جلب می کند.