Silisyum Karbür Kristal Büyümesi Nedir?

SiC'ye Yaklaşıyoruz | Silisyum Karbür Kristal Büyüme Prensibi

Doğada kristaller her yerdedir ve dağılımları ve uygulamaları çok geniştir. Ve farklı kristallerin farklı yapıları, özellikleri ve hazırlama yöntemleri vardır. Ancak bunların ortak özelliği, kristaldeki atomların düzenli bir şekilde düzenlenmesi ve daha sonra üç boyutlu uzayda periyodik istifleme yoluyla belirli bir yapıya sahip kafesin oluşmasıdır. Bu nedenle kristal malzemelerin görünümü genellikle düzenli bir geometrik şekil sunar.

Silisyum Karbür Tek Kristal Substrat Malzemesi (bundan sonra SiC Substrat olarak anılacaktır) aynı zamanda bir tür kristalli malzemedir. Geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeye aittir ve yüksek voltaj direnci, yüksek sıcaklık direnci, yüksek frekans, düşük kayıp vb. avantajlara sahiptir. Yüksek güçlü elektronik cihazların ve mikrodalga RF cihazlarının hazırlanmasında temel bir malzemedir.

SiC'nin Kristal Yapısı

SiC, 1:1 stokiyometrik oranda Karbon ve Silikondan oluşan bir IV-IV bileşik yarı iletken malzemedir ve sertliği elmastan sonra ikinci sıradadır.

Hem Karbon hem de Silikon atomları, 4 kovalent bağ oluşturabilen 4 değerlik elektronuna sahiptir. SiC kristalinin temel yapısal birimi olan SiC tetrahedron, Silikon ve Karbon atomları arasındaki tetrahedral bağlardan ortaya çıkar. Hem Silikon hem de Karbon atomlarının koordinasyon sayısı 4'tür, yani her Karbon atomunun çevresinde 4 Silikon atomu bulunur ve her Silikon atomunun çevresinde de 4 Karbon atomu bulunur.

Kristal bir malzeme olarak SiC Substrat aynı zamanda atomik katmanların periyodik olarak istiflenmesi özelliğine de sahiptir. Si-C diyatomik katmanları [0001] yönü boyunca istiflenir. Katmanlar arasındaki bağ enerjisindeki küçük fark nedeniyle, atomik katmanlar arasında farklı bağlantı modları kolayca oluşturulur ve bu da 200'den fazla SiC politipinin oluşmasına yol açar. Yaygın politipler arasında 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC vb. yer alır. Bunlar arasında "ABCB" sırasına göre istifleme dizisine 4H politipi denir. SiC'nin farklı politipleri aynı kimyasal bileşime sahip olmasına rağmen fiziksel özellikleri, özellikle bant aralığı genişliği, taşıyıcı hareketliliği ve diğer özellikleri oldukça farklıdır. 4H politipinin özellikleri ise yarı iletken uygulamalara daha uygundur.

2H-SiC

4H-SiC

6H-SiC

Sıcaklık ve basınç gibi büyüme parametreleri, büyüme süreci boyunca 4H-SiC'nin stabilitesini önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, yüksek kalitede ve tekdüzeliğe sahip tek kristal malzeme elde etmek için, hazırlama sırasında büyüme sıcaklığı, büyüme basıncı ve büyüme hızı gibi parametrelerin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.

SiC Hazırlama Yöntemi: Fiziksel Buhar Taşıma Yöntemi (PVT)

Şu anda Silisyum Karbür hazırlama yöntemleri Fiziksel Buhar Taşıma Yöntemi (PVT), Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi (HTCVD) ve Sıvı Faz Yöntemidir (LPE). Ve PVT, endüstriyel seri üretime uygun, ana akım bir yöntemdir.

(a) SiC topları için PVT büyüme yönteminin bir taslağı ve 

(b) Morfoloji ve kristal büyüme arayüzü ve koşulları hakkındaki büyük ayrıntıları görüntülemek için PVT büyümesinin 2 boyutlu görselleştirilmesi

PVT büyümesi sırasında, kaynak malzeme (SiC tozu) tabana yerleştirilirken, SiC tohum kristali potanın tepesine yerleştirilir. Yüksek sıcaklık ve düşük basınca sahip kapalı bir ortamda SiC tozu süblimleşir ve daha sonra sıcaklık gradyanı ve konsantrasyon farkının etkisi altında tohumun yakınındaki boşluğa yukarı doğru taşınır. Ve aşırı doygun duruma ulaştıktan sonra yeniden kristalleşecektir. Bu yöntem sayesinde SiC kristalinin boyutu ve politipi kontrol edilebilir.

Ancak PVT yöntemi tüm büyüme süreci boyunca uygun büyüme koşullarının korunmasını gerektirir, aksi takdirde kafes bozukluğuna yol açacak ve istenmeyen kusurlar oluşacaktır. Ayrıca SiC kristal büyümesi sınırlı izleme yöntemleri ve çok sayıda değişkenle kapalı bir alanda tamamlandığından sürecin kontrolü zordur.

Tek Kristal Büyümenin Ana Mekanizması: Adım Akışlı Büyüme

PVT yöntemiyle SiC kristalinin büyütülmesi sürecinde, adımlı akış büyümesi, tek kristallerin oluşmasına yönelik ana mekanizma olarak kabul edilir. Buharlaşan Si ve C atomları tercihen kristal yüzeyindeki atomlara basamaklarda ve bükülmelerde bağlanacak, burada çekirdekleşecek ve büyüyecek, böylece her adım paralel olarak ileri doğru akacaktır. Büyüme yüzeyindeki her adım arasındaki genişlik, adsorbe edilmiş atomların difüzyonsuz yolundan çok daha büyük olduğunda, çok sayıda adsorbe edilmiş atom topaklaşabilir ve iki boyutlu ada oluşturabilir, bu da adım akış büyüme modunu bozar ve sonuçta ortaya çıkar. 4H yerine diğer politiplerin oluşumunda. Bu nedenle proses parametrelerinin ayarlanması, istenmeyen politiplerin oluşumunu önlemek için büyüme yüzeyindeki basamak yapısını kontrol etmeyi ve 4H tek kristal yapı elde etme hedefine ulaşmayı ve son olarak yüksek kaliteli kristaller hazırlamayı amaçlamaktadır.

Sic Tek Kristal için adım akış büyümesi

Kristalin büyümesi, yüksek kaliteli SiC Substrat hazırlamak için yalnızca ilk adımdır. 4H-SiC külçenin kullanılmadan önce dilimleme, alıştırma, pahlama, cilalama, temizleme ve inceleme gibi bir dizi işlemden geçmesi gerekir. Sert fakat kırılgan bir malzeme olan SiC tek kristali aynı zamanda wafering adımları için yüksek teknik gereksinimlere sahiptir. Her süreçte oluşan herhangi bir hasar belirli bir kalıtıma sahip olabilir, bir sonraki sürece aktarılabilir ve sonuçta ürün kalitesini etkileyebilir. Bu nedenle SiC Substrat için verimli levha teknolojisi sektörün de dikkatini çekiyor.