Cos'è la crescita del cristallo in carburo di silicio?

Avvicinandosi a sic | Il principio della crescita del cristallo in carburo di silicio

In natura, i cristalli sono ovunque e la loro distribuzione e applicazione sono molto estese. E diversi cristalli hanno strutture, proprietà e metodi di preparazione diversi. Ma la loro caratteristica comune è che gli atomi nel cristallo sono regolarmente disposti e il reticolo con una struttura specifica viene quindi formata attraverso impilamento periodico nello spazio tridimensionale. Pertanto, l'aspetto di materiali cristallini di solito presenta una forma geometrica regolare.

Il materiale del substrato a cristallo singolo in carburo di silicio (di seguito indicato come substrato SIC) è anche una sorta di materiali cristallini. Appartiene a materiale a semiconduttore a banda largo e presenta i vantaggi di resistenza ad alta tensione, resistenza ad alta temperatura, alta frequenza, bassa perdita, ecc. È un materiale di base per la preparazione di dispositivi elettronici ad alta potenza e dispositivi RF a microonde.

La struttura cristallina di SiC

SIC è un materiale a semiconduttore composto IV-IV composto da carbonio e silicio in un rapporto stechiometrico di 1: 1 e la sua durezza è seconda solo al diamante.

Sia gli atomi di carbonio che silicio hanno 4 elettroni di valenza, che possono formare 4 legami covalenti. L'unità strutturale di base del cristallo SiC, Sic Tetraedro, deriva dal legame tetraedrico tra silicio e atomi di carbonio. Il numero di coordinamento di atomi di silicio e di carbonio è 4, cioè ogni atomo di carbonio ha 4 atomi di silicio attorno a esso e ogni atomo di silicio ha anche 4 atomi di carbonio attorno a esso.

Come materiale cristallino, il substrato SIC ha anche la caratteristica del periodico impilamento degli strati atomici. Gli strati diatomici SI-C sono impilati lungo la direzione [0001]. Adorre alla piccola differenza nell'energia del legame tra gli strati, vengono facilmente generate diverse modalità di connessione tra strati atomici, portando a oltre 200 politipi SIC. I politipi comuni includono 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, ecc. Tra questi, la sequenza di impilamento nell'ordine di "ABCB" è chiamata 4H Polytype. Sebbene i diversi politipi di SIC abbiano la stessa composizione chimica, le loro proprietà fisiche, in particolare la larghezza del gap, la mobilità del vettore e altre caratteristiche sono abbastanza diverse. E le proprietà del politipo 4H sono più adatte per applicazioni a semiconduttore.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

I parametri di crescita come la temperatura e la pressione influenzano significativamente la stabilità di 4H-SIC durante il processo di crescita. Pertanto, al fine di ottenere il materiale cristallino singolo con alta qualità e uniformità, i parametri come la temperatura di crescita, la pressione di crescita e il tasso di crescita devono essere controllati con precisione durante la preparazione.

Metodo di preparazione di SIC: metodo di trasporto del vapore fisico (PVT)

Al momento, i metodi di preparazione del carburo di silicio sono metodo di trasporto di vapore fisico (PVT) ， metodo di deposizione di vapore chimico ad alta temperatura (HTCVD) e metodo di fase liquida (LPE). E PVT è un metodo mainstream adatto alla produzione di massa industriale.

(a) Uno schizzo del metodo di crescita PVT per SIC Boules e 

(b) Visualizzazione 2D della crescita del PVT per immaginare i grandi dettagli sulla morfologia e l'interfaccia e le condizioni di crescita dei cristalli

Durante la crescita del PVT, il cristallo di semi SiC viene posizionato sulla parte superiore del crogiolo mentre il materiale di origine (polvere SIC) viene posizionato sul fondo. In un ambiente chiuso con alta temperatura e bassa pressione, la polvere SiC sublima e quindi trasporta verso l'alto nello spazio vicino al seme sotto l'effetto del gradiente di temperatura e della differenza di concentrazione. E si ricristallizzerà dopo aver raggiunto lo stato sovrasaturo. Attraverso questo metodo, le dimensioni e il politipo del cristallo SIC possono essere controllati.

Tuttavia, il metodo PVT richiede il mantenimento delle condizioni di crescita appropriate durante l'intero processo di crescita, altrimenti porterà a disturbi reticolari e formaranno difetti indesiderati. Inoltre, la crescita del cristallo SIC è completata in uno spazio chiuso con metodi di monitoraggio limitati e molte variabili, quindi il controllo del processo è difficile.

Il meccanismo principale per far crescere il cristallo singolo: crescita del flusso di gradini

Nel processo di crescita del cristallo SIC mediante metodo PVT, la crescita del flusso di gradini è considerata il principale meccanismo per formare singoli cristalli. Gli atomi di SI e C vaporizzati si legano preferibilmente con gli atomi sulla superficie del cristallo a gradini e nodi, dove nucleeranno e cresceranno, in modo che ogni passaggio scorre in avanti in parallelo. Quando la larghezza tra ogni fase sulla superficie di crescita è molto maggiore del percorso libero di diffusione degli atomi adsorbiti, un gran numero di atomi adsorbiti può agglomerarsi e formare l'isola bidimensionale, che distruggerà la modalità di crescita del flusso del gradino, con conseguente formazione di altri politipi anziché 4h. Pertanto, la regolazione dei parametri di processo mira a controllare la struttura del gradino sulla superficie di crescita, in modo da prevenire la formazione di politipi indesiderati e raggiungere l'obiettivo di ottenere una struttura a cristallo singolo 4H e infine preparare cristalli di alta qualità.

Crescita del flusso di gradini per singolo cristallo SIC

La crescita del cristallo è solo il primo passo per preparare il substrato SIC di alta qualità. Prima di essere utilizzato, 4H-SIC INGOT deve passare attraverso una serie di processi come taglio, lapping, smussatura, lucidatura, pulizia e ispezione. Come materiale duro ma fragile, SIC Single Crystal ha anche elevati requisiti tecnici per le fasi di wafering. Qualsiasi danno generato in ciascun processo può avere una certa ereditarietà, trasferimenti al processo successivo e infine influire sulla qualità del prodotto. Pertanto, l'efficiente tecnologia di wafering per il substrato SIC attira anche l'attenzione del settore.