¿Qué es el crecimiento del cristal de carburo de silicio?

Acercándose sic | El principio del crecimiento del cristal de carburo de silicio

En la naturaleza, los cristales están en todas partes, y su distribución y aplicación son muy extensas. Y diferentes cristales tienen diferentes estructuras, propiedades y métodos de preparación. Pero su característica común es que los átomos en el cristal se organizan regularmente, y la red con una estructura específica se forma a través del apilamiento periódico en el espacio tridimensional. Por lo tanto, la aparición de materiales cristalinos generalmente presenta una forma geométrica regular.

El material de sustrato de cristal único de carburo de silicio (en lo sucesivo denominado sustrato SIC) también es un tipo de materiales cristalinos. Pertenece a material semiconductor de banda ancha y tiene las ventajas de resistencia a la alta tensión, alta resistencia a la temperatura, alta frecuencia, baja pérdida, etc. Es un material básico para preparar dispositivos electrónicos de alta potencia y dispositivos de RF de microondas.

La estructura cristalina de sic

SIC es un material semiconductor compuesto IV-IV compuesto de carbono y silicio en una relación estequiométrica de 1: 1, y su dureza es solo superada de diamante.

Los átomos de carbono y silicio tienen 4 electrones de valencia, que pueden formar 4 enlaces covalentes. La unidad estructural básica del cristal SiC, tetraedro SiC, surge de la unión tetraédrica entre los átomos de silicio y carbono. El número de coordinación de átomos de silicio y carbono es 4, es decir, cada átomo de carbono tiene 4 átomos de silicio a su alrededor y cada átomo de silicio también tiene 4 átomos de carbono a su alrededor.

Como material cristalino, el sustrato SIC también tiene la característica del apilamiento periódico de capas atómicas. Las capas diatómicas SI-C se apilan a lo largo de la dirección [0001]. Los politis comunes incluyen 2H-SIC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, etc. Entre ellos, la secuencia de apilamiento en el orden de "ABCB" se llama 4H PolyType. Aunque los diferentes policipios de SIC tienen la misma composición química, sus propiedades físicas, especialmente el ancho de la banda, la movilidad del portador y otras características son bastante diferentes. Y las propiedades de 4H Polytype son más adecuadas para aplicaciones de semiconductores.

2H-SIC

4H-SiC

6H-SiC

Los parámetros de crecimiento, como la temperatura y la presión, influyen significativamente en la estabilidad de 4H-SIC durante el proceso de crecimiento. Por lo tanto, para obtener el material de cristal único con alta calidad y uniformidad, los parámetros, como la temperatura de crecimiento, la presión de crecimiento y la tasa de crecimiento, deben controlarse con precisión durante la preparación.

Método de preparación de SIC: Método de transporte de vapor físico (PVT)

En la actualidad, los métodos de preparación del carburo de silicio son el método de transporte de vapor físico (PVT), el método de deposición de vapor químico de alta temperatura (HTCVD) y el método de fase líquida (LPE). Y PVT es un método convencional que es adecuado para la producción de masas industriales.

(a) Un bosquejo del método de crecimiento de PVT para sic boules y 

(b) Visualización 2D del crecimiento de PVT para imaginar los grandes detalles sobre la morfología y la interfaz de crecimiento de cristales y las condiciones

Durante el crecimiento de la PVT, el cristal de semillas SIC se coloca en la parte superior del crisol, mientras que el material fuente (polvo SIC) se coloca en la parte inferior. En un entorno cerrado con alta temperatura y baja presión, el polvo SIC sublima y luego se transporta hacia arriba hacia el espacio cerca de la semilla bajo el efecto del gradiente de temperatura y la diferencia de concentración. Y se recristalizará después de llegar al estado sobresaturado. A través de este método, se puede controlar el tamaño y el politipo de cristal SiC.

Sin embargo, el método PVT requiere mantener condiciones de crecimiento apropiadas durante todo el proceso de crecimiento, de lo contrario conducirá al trastorno de red y formará defectos no deseados. Además, el crecimiento del cristal SIC se completa en un espacio cerrado con métodos de monitoreo limitados y muchas variables, por lo que el control del proceso es difícil.

El mecanismo principal para cultivar un solo cristal: crecimiento del flujo de paso

En el proceso de crecimiento de cristal SiC por método PVT, el crecimiento del flujo de paso se considera el principal mecanismo para formar cristales individuales. Los átomos de Si y C vaporizados se unirán preferentemente con los átomos en la superficie del cristal en escalones y torceduras, donde se nuclean y crecerán, de modo que cada paso fluye hacia adelante en paralelo. Cuando el ancho entre cada paso en la superficie de crecimiento es mucho mayor que la ruta libre de difusión de los átomos adsorbidos, una gran cantidad de átomos adsorbidos pueden aglomerarse y formar la isla bidimensional, que destruirá el modo de crecimiento del flujo de escalones, lo que resulta en la formación de otros politis en lugar de 4h. Por lo tanto, el ajuste de los parámetros del proceso tiene como objetivo controlar la estructura de paso en la superficie de crecimiento, a fin de evitar la formación de politizos no deseados y lograr el objetivo de obtener 4H estructura de cristal único y finalmente preparar cristales de alta calidad.

Crecimiento del flujo de pasos para SIC Single Crystal

El crecimiento del cristal es solo el primer paso para preparar sustrato SIC de alta calidad. Antes de ser utilizado, 4H-Sic Lingot debe pasar por una serie de procesos como cortar, lamer, biselarse, pulir, limpiar e inspeccionar. Como material duro pero frágil, el cristal único SIC también tiene altos requisitos técnicos para los pasos de oblea. Cualquier daño generado en cada proceso puede tener cierta herencia, transferir al siguiente proceso y finalmente afectar la calidad del producto. Por lo tanto, la tecnología de oblea eficiente para el sustrato SIC también atrae la atención de la industria.