Co je růst krystalů karbidu křemíku?

Blížící se SiC | Princip růstu krystalů karbidu křemíku

V přírodě jsou krystaly všude a jejich rozšíření a použití je velmi rozsáhlé. A různé krystaly mají různé struktury, vlastnosti a způsoby přípravy. Jejich společným znakem je ale to, že atomy v krystalu jsou pravidelně uspořádány a mřížka se specifickou strukturou se pak vytváří periodickým vrstvením v trojrozměrném prostoru. Proto vzhled křišťálových materiálů obvykle představuje pravidelný geometrický tvar.

Jednokrystalický substrátový materiál z karbidu křemíku (dále jen SiC substrát) je také druh krystalických materiálů. Patří k polovodičovému materiálu se širokou šířkou pásma a má výhody vysokonapěťové odolnosti, vysoké teplotní odolnosti, vysoké frekvence, nízké ztráty atd. Je základním materiálem pro přípravu vysokovýkonných elektronických zařízení a mikrovlnných RF zařízení.

Krystalová struktura SiC

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

Atomy uhlíku i křemíku mají 4 valenční elektrony, které mohou tvořit 4 kovalentní vazby. Základní strukturní jednotka krystalu SiC, čtyřstěn SiC, vzniká tetraedrickou vazbou mezi atomy křemíku a uhlíku. Koordinační číslo atomů křemíku i uhlíku je 4, tj. každý atom uhlíku má kolem sebe 4 atomy křemíku a každý atom křemíku má také kolem sebe 4 atomy uhlíku.

Jako krystalový materiál má SiC substrát také charakteristiku periodického vrstvení atomových vrstev. Dvouatomové vrstvy Si-C jsou naskládány ve směru [0001]. Kvůli malému rozdílu ve vazebné energii mezi vrstvami se snadno generují různé režimy spojení mezi atomovými vrstvami, což vede k více než 200 polytypům SiC. Mezi běžné polytypy patří 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, atd. Mezi nimi se skládací sekvence v pořadí "ABCB" nazývá 4H polytyp. Přestože různé polytypy SiC mají stejné chemické složení, jejich fyzikální vlastnosti, zejména šířka bandgap, mobilita nosiče a další charakteristiky jsou zcela odlišné. A vlastnosti 4H polytypu jsou vhodnější pro polovodičové aplikace.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SiC

Růstové parametry jako teplota a tlak významně ovlivňují stabilitu 4H-SiC během procesu růstu. Proto, aby se získal monokrystalický materiál s vysokou kvalitou a jednotností, musí být během přípravy přesně kontrolovány parametry, jako je teplota růstu, růstový tlak a rychlost růstu.

Způsob přípravy SiC: fyzikální metoda transportu par (PVT)

V současnosti jsou způsoby přípravy karbidu křemíku metoda fyzikálního transportu par (PVT), metoda vysokoteplotní chemické depozice z plynné fáze (HTCVD) a metoda kapalné fáze (LPE). A PVT je tradiční metoda, která je vhodná pro průmyslovou hromadnou výrobu.

(a) Náčrt metody růstu PVT pro kuličky SiC a 

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

Během růstu PVT je očkovací krystal SiC umístěn na vršek kelímku, zatímco zdrojový materiál (prášek SiC) je umístěn na dně. V uzavřeném prostředí s vysokou teplotou a nízkým tlakem prášek SiC sublimuje a poté se pod vlivem teplotního gradientu a rozdílu koncentrací transportuje nahoru do prostoru v blízkosti semene. A po dosažení přesyceného stavu bude rekrystalizovat. Prostřednictvím této metody lze řídit velikost a polytyp krystalu SiC.

Metoda PVT však vyžaduje udržení vhodných růstových podmínek během celého růstového procesu, jinak povede k poruše mřížky a vzniku nežádoucích defektů. Kromě toho je růst krystalů SiC dokončen v uzavřeném prostoru s omezenými způsoby monitorování a mnoha proměnnými, takže řízení procesu je obtížné.

Hlavní mechanismus růstu monokrystalu: krokový růst

V procesu pěstování krystalu SiC metodou PVT se za hlavní mechanismus tvorby monokrystalů považuje skokový růst toku. Odpařené atomy Si a C se budou přednostně vázat s atomy na povrchu krystalu v krocích a zlomech, kde budou nukleovat a růst, takže každý krok teče vpřed paralelně. Když je šířka mezi jednotlivými kroky na růstovém povrchu mnohem větší než dráha adsorbovaných atomů bez difúze, velké množství adsorbovaných atomů se může aglomerovat a vytvořit dvourozměrný ostrov, který zničí režim růstu krokového toku, což má za následek při tvorbě jiných polytypů místo 4H. Úprava procesních parametrů si proto klade za cíl řídit krokovou strukturu na růstovém povrchu tak, aby se zabránilo tvorbě nežádoucích polytypů, a dosáhlo se cíle získání 4H monokrystalové struktury a nakonec přípravy vysoce kvalitních krystalů.

Krokový růst toku pro sic Single Crystal

Růst krystalu je jen prvním krokem k přípravě vysoce kvalitního SiC substrátu. Před použitím musí ingot 4H-SiC projít řadou procesů, jako je krájení, lapování, zkosení, leštění, čištění a kontrola. Jako tvrdý, ale křehký materiál má monokrystal SiC také vysoké technické požadavky na kroky waferování. Jakékoli poškození vzniklé v každém procesu může mít určitou dědičnost, přenést se do dalšího procesu a nakonec ovlivnit kvalitu produktu. Proto také účinná technologie waferingu pro SiC substrát přitahuje pozornost průmyslu.