Кристалл карбида кремния, наиболее часто используемый в качестве полупроводникового материала, представляет собойПластина 4H-SiC. Однако кристаллы карбида кремния бывают нескольких типов. Если условия в процессе роста кристаллов карбида кремния не контролируются должным образом, результирующая кристаллическая структура карбида кремния может иметь вид 3C, 6H, 15R и т.д., но не 4H.

При выращивании кристалла карбида кремния следует учитывать два аспекта:

1. Характеристики роста самого кристалла SiC. Основной характеристикой роста является точка фазового перехода, включая точку плавления и температуру разложения. Подходящий метод выращивания кристаллов следует выбирать в зависимости от их характеристик роста. Что касается роста крупных кристаллов карбида кремния, общими методами являются жидкофазный метод с фазовым переходом твердое тело-жидкость и газофазный метод с фазовым переходом твердое тело-газ, которые классифицируются по фазовому состоянию, участвующему в процессе. Как правило, твердофазный метод не используется в процессе выращивания карбида кремния, поскольку недостатки чистого твердофазного превращения трудно преодолеть.
2. Условия, которые может выдержать оборудование. Если условия не соблюдены, выращивать невозможно. Более того, промышленное производство должно учитывать стоимость.

Характеристики кристаллов карбида кремния можно проанализировать на основе фазовой диаграммы (изменение температуры и других условий розыгрыша не очень точное):

В нормальных условиях карбид кремния разложился до того, как он стал жидкостью, поэтому чистый карбид кремния в жидком состоянии не участвует в процессе роста кристаллов SiC. Если Si является избыточным, диапазон жидкой фазы составляет 0,01% ~ 19%, и можно использовать метод жидкой фазы. Однако, когда температура выше 1700 ℃, большое количество Si будет испаряться, поэтому рост кристаллов SiC не может быть достигнут с помощью простой технологии бинарного эвтектического роста.

В заключение, общие методы выращивания монокристаллов карбида кремния, связанные с жидкофазным методом - метод равномерного плавления ограничен, в то время как метод неоднородного плавления (тройной и выше, как Si-C-Cr) все еще находится в стадии разработки. . Жидкофазный метод имеет четыре основных преимущества:

1. Расширение диаметра;
2. Утолщение;
3. Возможность легирования P-типа;
4. Плотность дислокаций ниже, чем у затравочного кристалла на одну величину.

Забавно, что процесс сублимации твердых тел карбида кремния (2400-2500 ° C) может быть реализован при более низких температурах, что позволяет выращивать карбид кремния путем сублимации. Метод сублимации - это своего рода газофазный метод выращивания кристаллов карбида кремния, а газ образует кристаллы на поверхности твердого тела.

Моделирование температурного поля можно смоделировать с помощью программного обеспечения Virtual Reactor (SiC). Температура затравочного кристалла, необходимая для роста 4H-SiC, составляет 2120-2200 ° C, а давление воздуха составляет 500-3000 Па; температура затравочного кристалла, необходимая для роста кристаллов карбида кремния 6H-SiC, составляет 2200-2300 ° C, а давление воздуха составляет 1000-10000 Па.

(а) Метод PVT для выращивания кристаллов карбида кремния.

(б) Внутреннее температурное поле кристалла SiC, выращенного методом PVT.

Теоретическое температурное поле для выращивания полуизолирующего 6-дюймового SiC высокой чистоты: температура затравочного кристалла составляет 2200 ℃, давление выращивания составляет 30 мбар, атмосфера H2 + Ar, а толщина может достигать 22 мм.

Парофазный метод выращивает кристаллы:

Независимо от того, является ли основной процесс этого метода химической реакцией, можно выделить физическое осаждение из паровой фазы и химическое осаждение из паровой фазы.

Физическое осаждение из паровой фазы:

Основной процесс этого метода - физический процесс, химическая реакция не происходит. Исходным газом является карбид кремния, а полученный рост - также карбид кремния. Принимая во внимание конкретное оборудование, физическое осаждение из паровой фазы включает сублимацию-конденсацию (физический перенос пара, сокращенно PVT), вакуумное испарение, распыление, ионно-лучевое осаждение, молекулярно-лучевая эпитаксия и лазерное истирание. Закон и так далее.

Для химического осаждения из паровой фазы (химическое осаждение из паровой фазы, называемое CVD) оно должно включать в себя генерацию химических реакций. Точно так же химическое осаждение из паровой фазы включает парофазную эпитаксию, метод горячей нити накала, микроволновое плазменное химическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD) и так далее.

Например, GaAs выращивают методом MOCVD. Типичный экспериментальный метод:

Давление 8кПа, температура 500-630 ° С; сырье представляет собой газовую смесь TMGa / AsH3, переносимую H2. В таких условиях TMGa + AsH3 + H2 реагирует с образованием GaAs.

Точно так же из карбида кремния можно выращивать монокристаллы, используя физический перенос пара и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы. Как показано на рисунке ниже, сырьем для физического переноса пара является твердый карбид кремния, который после нагревания превращается в газ и, наконец, вырастает в кристалл на поверхности затравочного кристалла (примечание: для метода PVT требуется затравочный кристалл, в противном случае это метод Lely). Однако химическое осаждение из паровой фазы отличается. Сырьем является газ, и химическая реакция происходит непосредственно на поверхности затравочного кристалла с образованием кристаллов.

Рис.1 PVT-метод физического переноса пара

Рис.2 Метод высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы (HT-CVD)

Выращивание кристаллов карбида кремния методом PVT - сложный физико-химический процесс. При высоких температурах основной процесс роста кристаллов карбида кремния включает разложение и сублимацию сырья, массоперенос и поверхностную кристаллизацию затравочных кристаллов. Рост карбида кремния за счет физического переноса пара имеет два внутренних свойства:

1. Сырье представляет собой твердый карбид кремния, поэтому его чистоту нелегко контролировать;
2. В процессе превращения порошка в газ могут образовываться самые разные газы.

Твердый порошок SiC будет разлагаться и сублимироваться на несколько различных компонентов газовой фазы. Основными газообразными компонентами являются Si, SiC, Si2C и SiC2. Формула реакции приведена ниже; C в графитовом тигле может реагировать с парами Si, образуя SiC2 и Si2C; Кроме того, в составе газовой фазы будет небольшое количество C, C2, Si2, Si3, Si2C3 и т.д., но ими можно пренебречь.

SiC (т) = Si (г) ↑ + C (т)

2SiC (т) = Si2C (г) ↑ + C (т)

2SiC (s) = SiC2 (г) ↑ + Si (l, g) ↑

SiC (т) = SiC (г) ↑

C (s) + Si (l, g) = SiC (s)

В процессе разложения сырья SiC из-за неравномерной сублимации сырья количество атомов Si в составе газовой фазы намного превышает количество атомов C. Высокое нестехиометрическое соотношение вызовет разделение Si и C. Si накапливается в газовой фазе, в то время как C агрегируется в твердой фазе. В настоящий момент ростовой материал будет сильно графитизирован. Теоретически поддержание соотношения Si: C на уровне 1: 1 рядом с границей раздела роста является наиболее идеальным методом роста, но в реальном процессе роста кристаллов карбида кремния сохранить это соотношение сложно. По этой причине стехиометрическое соотношение можно поддерживать, добавляя соответствующее количество Si к материалу для выращивания, чтобы уравновесить избыток C.

Когда газы Si, SiC, Si2C, SiC2 достигают поверхности затравочного кристалла, кристаллы непрерывно образуются в метастабильной области:

SiC (г) = SiC (т)

Si (г) + SiC2 (г) = 2SiC (т)

Si2C (г) + SiC2 (г) = 3SiC (т)

Следовательно, дефекты выращенного монокристалла карбида кремния требуют дополнительных технических средств для контроля, и он обычно используется для изготовления проводящих подложек SiC.

В методе химического осаждения из паровой фазы в качестве сырья используются специальные газы, что делает его более дорогостоящим. Теперь его можно использовать только для изготовления полуизолирующих подложек SiC. Вот два типичных пути химической реакции:

C2H (г) + 2SiH4 (г) - 2SiC (т) + 6H2 (г)

3SiH4 (г) + C3H8 (г) - 3SiC (т) + 10H2 (г)

Только при использовании SiH4 капли Si будут образовываться, когда V (Si): V (H2)> 0,05%. Затем в сырье могут быть введены галогены, которые могут уменьшить дефекты Si. Используемые типы включают HCl, SiCl4, SiHCl3, CH3Cl, SiCl3H3 и SiH3Cl.

Требуемым оборудованием может быть горизонтальная горячая стена CVD-VP508, включая зону преднамеренного роста допинга, зону непреднамеренного роста допинга, систему нагрева, систему охлаждения, вакуумную систему, систему подачи газа, систему очистки выхлопных газов, систему управления и систему сигнализации.

Процедура выращивания кристаллов карбида кремния включает очистку подложки (затравочного кристалла), травление в вакууме и затем эпитаксиальный рост:

Подготовка и очистка подложки —— Поместите подложку в реакционную камеру —— Вакуум —— Высокотемпературное травление подложки на месте —— Впустите исходный газ для эпитаксиального роста SiC —— Эксперимент окончен, выньте образец

Скорость роста: 5-10 мкм / ч, стандартный процесс следующий:

1. Источник Si: SiH4SiHCl3 SiCl4
2. Источник C: CH4C2H6 C3H8 CCl4
3. Газ-носитель: H2, Ar
4. Температура: 1200-1800 ℃
5. Давление воздуха: 10-1000 мбар

PS: 1 бар = 1 атм = 100 кПа, легко сравнить со стандартным атмосферным давлением

Это основной метод выращивания кристаллов карбида кремния, два газофазных метода: метод PVT и метод HTCVD.

 

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресуvictorchan@powerwaywafer.comиpowerwaymaterial@gmail.com.