Tăng trưởng tinh thể cacbua silicon là gì?

Tiếp cận sic | Nguyên tắc tăng trưởng tinh thể cacbua silicon

Trong tự nhiên, các tinh thể ở khắp mọi nơi, và phân phối và ứng dụng của chúng rất rộng. Và các tinh thể khác nhau có cấu trúc, tính chất và phương pháp chuẩn bị khác nhau. Nhưng đặc điểm chung của chúng là các nguyên tử trong tinh thể thường xuyên được sắp xếp và mạng có cấu trúc cụ thể sau đó được hình thành thông qua xếp chồng định kỳ trong không gian ba chiều. Do đó, sự xuất hiện của vật liệu tinh thể thường thể hiện hình dạng hình học thông thường.

Vật liệu chất nền đơn tinh thể đơn silicon (sau đây gọi là chất nền SIC) cũng là một loại vật liệu tinh thể. Nó thuộc về vật liệu bán dẫn bandgap rộng, và có những ưu điểm của điện áp cao, điện trở nhiệt độ cao, tần số cao, tổn thất thấp, v.v ... Đây là một vật liệu cơ bản để chuẩn bị các thiết bị điện tử công suất cao và thiết bị RF vi sóng.

Cấu trúc tinh thể của sic

SIC là một vật liệu bán dẫn hợp chất IV-IV bao gồm carbon và silicon theo tỷ lệ cân bằng hóa học là 1: 1, và độ cứng của nó chỉ đứng thứ hai sau kim cương.

Cả hai nguyên tử carbon và silicon đều có 4 electron hóa trị, có thể tạo thành 4 liên kết cộng hóa trị. Đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể sic, tứ diện sic, phát sinh từ liên kết tứ diện giữa các nguyên tử silicon và carbon. Số lượng phối hợp của cả hai nguyên tử silicon và carbon là 4, tức là mỗi nguyên tử carbon có 4 nguyên tử silicon xung quanh nó và mỗi nguyên tử silicon cũng có 4 nguyên tử carbon xung quanh nó.

Là một vật liệu tinh thể, chất nền SIC cũng có đặc tính của xếp chồng định kỳ của các lớp nguyên tử. Các lớp diatomic Si-C được xếp theo hướng [0001]. Để có sự khác biệt nhỏ về năng lượng liên kết giữa các lớp, các chế độ kết nối khác nhau dễ dàng được tạo ra giữa các lớp nguyên tử, dẫn đến hơn 200 polytypes SIC. Các polytypes phổ biến bao gồm 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, v.v. Trong số đó, trình tự xếp chồng theo thứ tự của "ABCB" được gọi là Polytype 4H. Mặc dù các polytypes khác nhau của SIC có cùng thành phần hóa học, tính chất vật lý của chúng, đặc biệt là chiều rộng của bandgap, tính di động của chất mang và các đặc điểm khác là khá khác nhau. Và các tính chất của 4H Polytype phù hợp hơn cho các ứng dụng bán dẫn.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Các thông số tăng trưởng như nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của 4H-SIC trong quá trình tăng trưởng. Do đó, để có được vật liệu tinh thể đơn với chất lượng và tính đồng nhất cao, các thông số như nhiệt độ tăng trưởng, áp lực tăng trưởng và tốc độ tăng trưởng phải được kiểm soát chính xác trong quá trình chuẩn bị.

Phương pháp chuẩn bị của SIC: Phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT)

Hiện tại, các phương pháp chuẩn bị của cacbua silic là phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT) Phương pháp lắng đọng hóa chất hóa học nhiệt độ cao (HTCVD) và phương pháp pha lỏng (LPE). Và PVT là một phương pháp chính phù hợp cho sản xuất hàng loạt công nghiệp.

(a) Một bản phác thảo của phương pháp tăng trưởng PVT cho sic boules và 

.

Trong quá trình tăng trưởng PVT, tinh thể hạt sic được đặt trên đỉnh của nồi nấu kim loại trong khi vật liệu nguồn (bột sic) được đặt ở phía dưới. Trong một môi trường kín với nhiệt độ cao và áp suất thấp, bột sic thăng hoa, và sau đó vận chuyển lên trên không gian gần hạt dưới ảnh hưởng của độ dốc nhiệt độ và chênh lệch nồng độ. Và nó sẽ kết tinh lại sau khi đạt đến trạng thái siêu bão hòa. Thông qua phương pháp này, kích thước và polytype của tinh thể sic có thể được kiểm soát.

Tuy nhiên, phương pháp PVT yêu cầu duy trì các điều kiện tăng trưởng thích hợp trong toàn bộ quá trình tăng trưởng, nếu không nó sẽ dẫn đến rối loạn mạng tinh thể và hình thức các khiếm khuyết không mong muốn. Bên cạnh đó, sự tăng trưởng tinh thể SIC được hoàn thành trong một không gian kín với các phương pháp giám sát hạn chế và nhiều biến số, do đó, việc kiểm soát quá trình này là khó khăn.

Cơ chế chính để phát triển tinh thể đơn: Tăng trưởng dòng chảy bước

Trong quá trình phát triển tinh thể SIC bằng phương pháp PVT, tăng trưởng dòng bước được coi là cơ chế chính để tạo thành các tinh thể đơn. Các nguyên tử Si và C có hơi sẽ được ưu tiên liên kết với các nguyên tử trên bề mặt tinh thể ở các bước và kinks, nơi chúng sẽ tạo hạt nhân và phát triển, do đó mỗi bước chảy về phía trước song song. Khi chiều rộng giữa mỗi bước trên bề mặt tăng trưởng lớn hơn nhiều so với đường dẫn tự do khuếch tán của các nguyên tử bị hấp phụ, một số lượng lớn các nguyên tử được hấp phụ có thể kết tụ và tạo thành đảo hai chiều, sẽ phá hủy chế độ tăng trưởng dòng chảy, dẫn đến sự hình thành của các polytypes khác thay vì 4H. Do đó, việc điều chỉnh các thông số quá trình nhằm mục đích kiểm soát cấu trúc bước trên bề mặt tăng trưởng, để ngăn chặn sự hình thành các polytypes không mong muốn và đạt được mục tiêu có được cấu trúc tinh thể đơn 4H và cuối cùng chuẩn bị các tinh thể chất lượng cao.

Bước tăng trưởng dòng chảy cho tinh thể đơn sic

Sự phát triển của tinh thể chỉ là bước đầu tiên để chuẩn bị chất nền SIC chất lượng cao. Trước khi được sử dụng, thỏi 4H-sic cần trải qua một loạt các quy trình như cắt, vỗ, vát, đánh bóng, làm sạch và kiểm tra. Là một vật liệu cứng nhưng giòn, SIC Single Crystal cũng có các yêu cầu kỹ thuật cao cho các bước wafering. Bất kỳ thiệt hại nào được tạo ra trong mỗi quá trình có thể có một số di truyền, chuyển sang quy trình tiếp theo và cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do đó, công nghệ wafering hiệu quả cho chất nền SIC cũng thu hút sự chú ý của ngành công nghiệp.