Was ist Siliziumkarbidkristallwachstum?

Nähern sich sic | Das Prinzip des Siliziumkarbidkristallwachstums

In der Natur sind Kristalle überall und ihre Verteilung und Anwendung sind sehr umfangreich. Und verschiedene Kristalle haben unterschiedliche Strukturen, Eigenschaften und Vorbereitungsmethoden. Ihr häufiges Merkmal ist jedoch, dass die Atome im Kristall regelmäßig angeordnet sind und das Gitter mit einer bestimmten Struktur durch periodisches Stapeln im dreidimensionalen Raum gebildet wird. Daher zeigt das Auftreten von Kristallmaterialien normalerweise eine regelmäßige geometrische Form.

Siliziumkarbid -Einkristallsubstratmaterial (im Folgenden als SIC -Substrat bezeichnet) ist auch eine Art kristalline Materialien. Es gehört zu einem breiten Bandgap-Halbleitermaterial und hat die Vorteile von Hochspannungswiderstand, Hochtemperaturwiderstand, Hochfrequenz, niedrigem Verlust usw. Es ist ein grundlegendes Material für die Vorbereitung elektronischer Hochleistungsgeräte und mikrowellen-HF-Geräte.

Die Kristallstruktur von sic

SIC ist ein IV-IV-Semikonduktormaterial, das aus Kohlenstoff und Silizium in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1: 1 besteht, und seine Härte liegt nur zum Diamanten.

Sowohl Kohlenstoff- als auch Siliziumatome haben 4 Valenzelektronen, die 4 kovalente Bindungen bilden können. Die grundlegende Struktureinheit des sic -Kristalls sic tetraeder, ergibt sich aus der tetraedrischen Bindung zwischen Silizium und Kohlenstoffatomen. Die Koordinationszahl von Silizium- und Kohlenstoffatomen beträgt 4, d. H. Jedes Kohlenstoffatom hat 4 Siliziumatome um es und jedes Siliziumatom hat auch 4 Kohlenstoffatome um sie herum.

Als Kristallmaterial hat das SIC -Substrat auch das Merkmal der periodischen Stapelung von Atomschichten. Die Si-C-Diatomschichten sind entlang der [0001] -Richtung gestapelt. Den geringen Unterschied in der Bindungsenergie zwischen Schichten können unterschiedliche Verbindungsmodi zwischen Atomschichten leicht erzeugt, was zu über 200 sic-Polytypen führt. Zu den gemeinsamen Polytypen gehören 2H-sic, 3c-sic, 4H-sic, 6H-sic, 15r-sic usw. Die Stapelsequenz in der Reihenfolge von "ABCB" wird als 4H-Polytype bezeichnet. Obwohl verschiedene Polytypen von SIC die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen, sind ihre physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Bandgap -Breite, die Mobilität der Träger und andere Eigenschaften sehr unterschiedlich. Und die Eigenschaften von 4H Polytype eignen sich besser für Halbleiteranwendungen.

2H-sic

4h-sic

6h-sic

Die Wachstumsparameter wie Temperatur und Druck beeinflussen die Stabilität von 4H-SIC während des Wachstumsprozesses erheblich. Um das einzelne Kristallmaterial mit hoher Qualität und Gleichmäßigkeit zu erhalten, müssen die Parameter wie Wachstumstemperatur, Wachstumsdruck und Wachstumsrate während der Herstellung genau kontrolliert werden.

Vorbereitungsmethode von SIC: Physikalische Dampftransportmethode (PVT)

Derzeit sind die Vorbereitungsmethoden des Siliziumcarbids die physikalische Dampftransportmethode (PVT) ， Hochtemperaturchemische Dampfabscheidungsmethode (HTCVD) und Flüssigphasenmethode (LPE). Und PVT ist eine Mainstream -Methode, die für die industrielle Massenproduktion geeignet ist.

(a) eine Skizze der PVT -Wachstumsmethode für sic Boules und 

(b) 2D -Visualisierung des PVT

Während des PVT -Wachstums wird der SIC -Samenkristall auf die Oberseite des Tiegels gelegt, während das Quellmaterial (sic pulver) in den Boden gelegt wird. In einer umschlossenen Umgebung mit hoher Temperatur und niedrigem Druck untergrüßt SiC -Pulver unter der Auswirkung von Temperaturgradienten und Konzentrationsdifferenz nach oben zum Raum in der Nähe des Samens. Und es wird nach dem Erreichen des übersättigten Zustands umkristallisieren. Durch diese Methode können Größe und Polytyp von sic -Kristall kontrolliert werden.

Die PVT -Methode erfordert jedoch die Aufrechterhaltung geeigneter Wachstumsbedingungen während des gesamten Wachstumsprozesses, andernfalls führt sie zu Gitterstörungen und zu unerwünschten Defekten. Außerdem wird das SIC -Kristallwachstum in einem geschlossenen Raum mit begrenzten Überwachungsmethoden und vielen Variablen abgeschlossen, sodass die Kontrolle des Prozesses schwierig ist.

Der Hauptmechanismus, um ein Kristall zu wachsen: Stiefflusswachstum

Beim Anbau von SIC -Kristall nach PVT -Methode wird das Stufenflusswachstum als Hauptmechanismus zur Bildung von Einzelkristallen angesehen. Die verdampften Si- und C -Atome verbinden sich bevorzugt mit den Atomen auf der Kristalloberfläche bei Schritten und Knickern, wo sie Kernkern und wachsen, so dass jeder Schritt parallel vorwärts fließt. Wenn die Breite zwischen jedem Schritt auf der Wachstumsoberfläche weitaus größer ist als der diffusionsfreie Weg der adsorbierten Atome, kann eine große Anzahl von adsorbierten Atomen agglomerieren und die zweidimensionale Insel bilden, die den Stiefflusswachstumsmodus zerstört, was zur Bildung anderer Polytypen anstelle von 4h führt. Daher zielt die Anpassung der Prozessparameter darauf ab, die Schrittstruktur auf der Wachstumsoberfläche zu steuern, um die Bildung unerwünschter Polytypen zu verhindern und das Ziel zu erreichen, eine 4-Liter-Einkristallstruktur zu erhalten und schließlich hochwertige Kristalle zuzubereiten.

Stiefflusswachstum für sic -Einzelkristall

Das Wachstum des Kristalls ist nur der erste Schritt, um ein hochwertiges SIC -Substrat vorzubereiten. Vor der Verwendung muss 4H-Sic-Ingot eine Reihe von Prozessen wie Schneiden, Länen, Abblenden, Polieren, Reinigen und Inspektieren durchlaufen. Als hartes, aber spröde Material hat SIC -Einzelkristall auch hohe technische Anforderungen für die Brachtschritte. Jeder in jedem Verfahren erzeugte Schaden kann eine gewisse Vererbung aufweisen, über den nächsten Prozess übertragen und schließlich die Produktqualität beeinflussen. Daher zieht die effiziente Wafer -Technologie für das SIC -Substrat auch die Aufmerksamkeit der Branche auf sich.