The silicon carbide crystal most commonly used as a semiconductor material is 4H-SiC wafer. However, silicon carbide crystals have multiple types. Once the conditions are not well controlled in the process of the silicon carbide crystal growth, the resulting silicon carbide crystal structure may be 3C, 6H, 15R, etc., but not 4H.

Two aspects should be considered in the growth of silicon carbide crystal:

1. The growth characteristics of the SiC crystal itself. The main growth characteristic is the phase transition point, including melting point and decomposition point. An appropriate crystal growth method should be selected based on its growth characteristics. As for the large silicon carbide crystalgrowth, the common methods are the liquid phase method with solid-liquid phase change and the gas phase method with solid-gas phase change, which are classified by the phase sate, participated in the process. Generally, the solid phase method is not used in the silicon carbide growth process, for the shortcomings of pure solid-solid phase transformation are difficult to overcome.
2. The conditions that the equipment can withstand. If the conditions are not met, it is impossible to grow. Moreover, industrialized production has to consider cost.

The characteristics of silicon carbide crystals can be analyzed on the basis of the phase diagram (Changes in temperature and other conditions of the draw is not very accurate):

Under normal conditions, silicon carbide has decomposed before it becomes a liquid, so there is no pure silicon carbide in a liquid state participating in the SiC crystal growth process. If Si is excessive, the liquid phase range is 0.01%~19%, and it is possible to use the liquid phase method. However, when the temperature is higher than 1700℃, large amount of Si will evaporate, thus, the SiC crystal growth cannot be achieved through simple binary eutectic growth technology.

Kết luận, các phương pháp phổ biến để tăng trưởng tinh thể silic cacbua liên quan đến phương pháp pha lỏng - phương pháp nóng chảy đồng đều bị hạn chế, trong khi phương pháp thông lượng nóng chảy không đồng nhất (bậc ba trở lên, như Si-C-Cr) vẫn đang được phát triển. . Phương pháp pha lỏng có bốn ưu điểm chính:

1. Đường kính mở rộng;
2. Dày lên;
3. Có khả năng pha tạp loại P;
4. Mật độ lệch vị trí thấp hơn tinh thể hạt ở một độ lớn.

Thật buồn cười là quá trình thăng hoa-thăng hoa của chất rắn cacbua silic (2400-2500 ° C) có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn, điều này làm cho nó có thể phát triển cacbua silic bằng cách thăng hoa. Phương pháp thăng hoa là một loại phương pháp pha khí để nuôi cấy tinh thể cacbua silic, và khí tạo thành các tinh thể trên bề mặt của chất rắn.

Việc mô phỏng trường nhiệt độ có thể được mô phỏng bằng phần mềm Virtual Reactor (SiC). Nhiệt độ tinh thể hạt cần thiết cho sự phát triển 4H-SiC là 2120-2200 ° C và áp suất không khí là 500-3000Pa; nhiệt độ tinh thể hạt cần thiết cho sự phát triển của tinh thể silic cacbua 6H-SiC là 2200-2300 ° C và áp suất không khí là 1000-10000Pa.

(a) Phương pháp PVT để tăng trưởng tinh thể cacbua silic

(b) Trường nhiệt độ bên trong của tinh thể SiC được nuôi cấy bằng phương pháp PVT

Trường nhiệt độ lý thuyết để trồng SiC bán cách nhiệt 6 inch độ tinh khiết cao: nhiệt độ tinh thể hạt là 2200 ℃, áp suất sinh trưởng là 30mbar, khí quyển H2 + Ar, và độ dày có thể đạt tới 22mm.

Phương pháp pha hơi phát triển tinh thể:

Quá trình chính của phương pháp này có phải là phản ứng hóa học hay không có thể được chia thành lắng đọng hơi vật lý và lắng đọng hơi hóa học.

Sự lắng đọng hơi vật lý:

Quá trình chính của phương pháp này là quá trình vật lý, không xảy ra phản ứng hóa học. Nguyên liệu thô là khí cacbua silic, và tăng trưởng thu được cũng là cacbua silic. Có tính đến thiết bị cụ thể, lắng đọng hơi vật lý bao gồm ngưng tụ thăng hoa (Vận chuyển hơi vật lý, viết tắt là PVT), bay hơi chân không, phún xạ, lắng đọng chùm ion, biểu mô chùm tia phân tử và mài mòn bằng tia laze. Luật và như vậy.

Đối với quá trình lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapor Deposition, gọi tắt là CVD), nó phải liên quan đến việc tạo ra các phản ứng hóa học. Tương tự như vậy, lắng đọng hơi hóa học bao gồm epitaxy pha hơi, phương pháp dây tóc nóng, lắng đọng hơi hóa chất plasma vi sóng, lắng đọng hơi hóa chất hữu cơ kim loại (MOCVD), v.v.

Ví dụ, GaAs được phát triển theo phương pháp MOCVD. Phương pháp thực nghiệm điển hình là:

Áp suất là 8kPa, nhiệt độ 500-630 ° C; nguyên liệu là hỗn hợp khí TMGa / AsH3 mang theo H2. Trong điều kiện đó, TMGa + AsH3 + H2 phản ứng để tạo ra GaAs.

Tương tự như vậy, cacbua silic có thể phát triển các tinh thể đơn lẻ, sử dụng vận chuyển hơi vật lý và lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao. Như thể hiện trong hình bên dưới, nguyên liệu để vận chuyển hơi vật chất là chất rắn cacbua silic, chất này biến thành khí sau khi đun nóng, và cuối cùng phát triển thành tinh thể trên bề mặt của tinh thể hạt (lưu ý: Phương pháp PVT yêu cầu một tinh thể hạt, nếu không thì nó là một phương pháp Lely). Tuy nhiên, sự lắng đọng hơi hóa học thì khác. Nguyên liệu thô là khí và một phản ứng hóa học xảy ra trực tiếp trên bề mặt của tinh thể hạt để tạo thành tinh thể.

Hình 1 Phương pháp vận chuyển hơi vật lý PVT

Hình 2 Phương pháp lắng đọng hơi hóa chất ở nhiệt độ cao (HT-CVD)

Sự phát triển tinh thể của cacbua silic bằng phương pháp PVT là một quá trình vật lý và hóa học phức tạp. Ở nhiệt độ cao, quá trình tăng trưởng tinh thể cacbua silic cơ bản bao gồm sự phân hủy và thăng hoa của nguyên liệu thô, vận chuyển khối lượng và kết tinh bề mặt của tinh thể hạt. Sự phát triển của cacbua silic bằng cách vận chuyển hơi vật lý có hai đặc tính nội tại:

1. Nguyên liệu thô là silicon cacbua rắn, do đó độ tinh khiết không dễ kiểm soát;
2. Trong quá trình biến bột thành khí, có thể tạo ra nhiều loại khí.

Bột SiC rắn sẽ phân hủy và thăng hoa thành một số thành phần pha khí khác nhau. Các thành phần khí chính là Si, SiC, Si2C và SiC2. Công thức phản ứng như sau; C trong chén than chì có thể phản ứng với hơi Si, tạo ra SiC2 và Si2C; Ngoài ra, trong thành phần pha khí sẽ có một lượng nhỏ C, C2, Si2, Si3, Si2C3,… nhưng có thể bỏ qua chúng.

SiC (s) = Si (g) ↑ + C (s)

2SiC (s) = Si2C (g) ↑ + C (s)

2SiC (s) = SiC2 (g) ↑ + Si (l, g) ↑

SiC (s) = SiC (g) ↑

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

Trong quá trình phân hủy SiC nguyên liệu, do nguyên liệu thăng hoa không đồng đều nên số nguyên tử Si trong thành phần pha khí lớn hơn rất nhiều so với số nguyên tử C. Tỷ lệ không phân đoạn cao sẽ gây ra sự phân tách Si và C. Si tích tụ trong pha khí, còn C kết tụ trong pha rắn. Vật liệu tăng trưởng lúc này sẽ bị graphit hóa nghiêm trọng. Về mặt lý thuyết, giữ tỷ lệ Si: C ở mức 1: 1 gần bề mặt tăng trưởng là phương pháp tăng trưởng lý tưởng nhất, nhưng điều này khó giữ được tỷ lệ trong quá trình tăng trưởng tinh thể cacbua silic thực tế. Vì lý do này, tỷ lệ cân bằng có thể được duy trì bằng cách thêm một lượng Si thích hợp vào chất tăng trưởng để cân bằng lượng C dư thừa.

Khi các khí Si, SiC, Si2C, SiC2 đến bề mặt của tinh thể hạt, các tinh thể liên tục được hình thành trong vùng di căn:

SiC (g) = SiC (s)

Si (g) + SiC2 (g) = 2SiC (s)

Si2C (g) + SiC2 (g) = 3SiC (s)

Do đó, các khuyết tật của đơn tinh thể silic cacbua phát triển cần nhiều phương tiện kỹ thuật hơn để kiểm soát và nó thường được sử dụng để sản xuất đế SiC dẫn điện.

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học sử dụng các loại khí đặc biệt làm nguyên liệu nên giá thành cao hơn. Bây giờ, nó chỉ có thể được sử dụng để sản xuất đế SiC bán cách nhiệt. Hai con đường phản ứng hóa học điển hình như sau:

C2H (g) + 2SiH4 (g) - 2SiC (s) + 6H2 (g)

3SiH4 (g) + C3H8 (g) - 3SiC (s) + 10H2 (g)

Chỉ sử dụng SiH4, các giọt Si sẽ được tạo thành khi V (Si): V (H2)> 0,05%. Sau đó, các halogen có thể được đưa vào nguyên liệu thô, có thể làm giảm các khuyết tật của Si. Các loại được sử dụng bao gồm HCl, SiCl4, SiHCl3, CH3Cl, SiCl3H3 và SiH3Cl.

Các thiết bị cần thiết có thể là tường nóng ngang CVD-VP508, bao gồm vùng tăng pha tạp có chủ ý, vùng tăng pha tạp không chủ ý, hệ thống sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống chân không, hệ thống cung cấp khí, hệ thống xử lý khí thải, hệ thống điều khiển và hệ thống báo động.

Quy trình tăng trưởng tinh thể cacbua silic bao gồm làm sạch chất nền (tinh thể hạt), ăn mòn trong chân không, và sau đó tăng trưởng biểu mô:

Chuẩn bị và làm sạch chất nền —— Đặt chất nền vào buồng phản ứng —— Chân không —— Khắc sâu tại chỗ ở nhiệt độ cao của chất nền —— Tiêm khí ban đầu cho sự phát triển biểu mô của SiC —— Thí nghiệm kết thúc, lấy mẫu ra

Tốc độ tăng trưởng: 5-10um / h, quy trình tiêu chuẩn như sau:

1. Nguồn Si: SiH4SiHCl3 SiCl4
2. Nguồn C: CH4C2H6 C3H8 CCl4
3. Khí mang: H2, Ar
4. Nhiệt độ: 1200-1800 ℃
5. Áp suất không khí: 10-1000mbar

PS: 1bar = 1atm = 100kPa, dễ dàng so sánh với áp suất khí quyển tiêu chuẩn

Đây là phương pháp chính để tăng trưởng tinh thể cacbua silic, hai phương pháp pha hơi: phương pháp PVT và phương pháp HTCVD.

 

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi email tạivictorchan@powerwaywafer.com vàpowerwaymaterial@gmail.com.